JP3736421B2

JP3736421B2 - 排気ガス浄化装置

Info

Publication number: JP3736421B2
Application number: JP2001322473A
Authority: JP
Inventors: 俊祐利岡; 信也広田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2006-01-18
Anticipated expiration: 2021-10-19
Also published as: JP2003120280A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は排気ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リーン空燃比のもとで燃焼が行われる内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯ_X を吸収し、流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸収しているＮＯ_X を放出し還元するＮＯ_X 吸収剤を配置し、ＮＯ_X 吸収剤に流入する内燃機関の排気ガスの量を制御するための排気制御弁と、内燃機関と異なる燃焼装置とを具備し、ＮＯ_X 吸収剤内に吸収されているＮＯ_X を放出させ還元すべきときにはＮＯ_X 吸収剤にわずかな量の内燃機関の排気ガスが流入するように排気制御弁を閉弁しながら、リッチ空燃比のもとで作動される燃焼装置の排気ガスをＮＯ_X 吸収剤に供給するようにした排気ガス浄化装置が公知である（特開２０００−３４５８３１号公報参照）。このようにＮＯ_X 吸収剤にわずかな量の内燃機関の排気ガスが流入するようにすることによって、燃焼式ヒータの排気ガスをＮＯ_X 吸収剤全体に迅速に拡散させることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、排気制御弁が小さな一定開度に維持されているとしても、排気制御弁から漏れてＮＯ_X 吸収剤に流入する内燃機関の排気ガスの量は例えば機関背圧に応じて変動し、従ってＮＯ_X 吸収剤に流入する内燃機関の排気ガス中の酸素の量が変動する。このため、燃焼式ヒータの排気ガスをただ単に供給しただけでは、ＮＯ_X 吸収剤に流入する排気ガスの平均空燃比がリッチにならなかったり、過度にリッチになったりする恐れがある。ＮＯ_X 吸収剤に流入する排気ガスの平均空燃比がリッチにならなければＮＯ_X 吸収剤からＮＯ_X を確実に放出させ還元することができず、過度にリッチになれば燃焼式ヒータでの燃料消費率が増大するという問題点がある。
【０００４】
そこで本発明の目的は、燃焼装置での燃料消費率を低く維持しつつ、ＮＯ_X 触媒に蓄えられているＮＯ_X を確実に還元することができる排気ガス浄化装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために１番目の発明によれば、リーン空燃比のもとで燃焼が行われる内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯ_Ｘを蓄え、流入する排気ガスの空燃比がリッチになると蓄えているＮＯ_Ｘを還元するＮＯ_Ｘ触媒を配置し、ＮＯ_Ｘ触媒に流入する内燃機関の排気ガスの量を制御するための排気制御弁と、内燃機関と異なる燃焼装置とを具備し、ＮＯ_Ｘ触媒内に蓄えられているＮＯ_Ｘを還元すべきときにはＮＯ_Ｘ触媒にわずかな量の内燃機関の排気ガスが流入するように排気制御弁を閉弁しながら、リッチ空燃比のもとで作動される燃焼装置の排気ガスをＮＯ_Ｘ触媒に供給するようにした排気ガス浄化装置において、ＮＯ_Ｘ触媒内に蓄えられているＮＯ_Ｘを還元するために排気制御弁が閉弁されているときにＮＯ_Ｘ触媒内に流入する内燃機関の排気ガス中の酸素の量を求める手段と、燃焼装置の空燃比を機関運転状態に基づいて設定する手段と、該求められた酸素の量と該設定された燃焼装置の空燃比とに基づいて燃焼装置に供給すべき燃料及び空気の量を求める手段と、ＮＯ_Ｘ触媒内に蓄えられているＮＯ_Ｘを還元すべきときに該求められた量の燃料及び空気を燃焼装置に供給する手段とを具備している。
【０００６】
また、１番目の発明によれば、ＮＯ_Ｘ触媒内に蓄えられているＮＯ_Ｘの量を求める手段を更に具備し、燃焼装置に供給すべき燃料及び空気の量を求める前記手段は該求められたＮＯ_Ｘの量と前記求められた酸素の量と前記設定された燃焼装置の空燃比とに基づいて燃焼装置に供給すべき燃料及び空気の量を求めている。
【０００７】
また、前記課題を解決するために２番目の発明によれば、リーン空燃比のもとで燃焼が行われる内燃機関の排気通路を分岐して形成される一対の分岐排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯ_Ｘを蓄え、流入する排気ガスの空燃比がリッチになると蓄えているＮＯ_Ｘを還元するＮＯ_Ｘ触媒をそれぞれ配置し、各ＮＯ_Ｘ触媒に流入する内燃機関の排気ガスの量を制御するための排気制御弁と、内燃機関と異なる燃焼装置とを具備し、ＮＯ_Ｘ触媒内に蓄えられているＮＯ_Ｘを還元すべきときには該ＮＯ_Ｘ触媒にわずかな量の内燃機関の排気ガスが流入するように排気制御弁を閉弁しながら、リッチ空燃比のもとで作動される燃焼装置の排気ガスを該ＮＯ_Ｘ触媒に供給するようにした排気ガス浄化装置において、ＮＯ_Ｘ触媒内に蓄えられているＮＯ_Ｘを還元するために排気制御弁が閉弁されているときに該ＮＯ_Ｘ触媒内に流入する内燃機関の排気ガス中の酸素の量を求める手段と、燃焼装置の空燃比を機関運転状態に基づいて設定する手段と、該求められた酸素の量と該設定された燃焼装置の空燃比とに基づいて燃焼装置に供給すべき燃料及び空気の量を求める手段と、該ＮＯ_Ｘ触媒内に蓄えられているＮＯ_Ｘを還元すべきときに該求められた量の燃料及び空気を燃焼装置に供給する手段とを具備している。
【０００８】
また、２番目の発明によれば、前記ＮＯ_Ｘ触媒内に蓄えられているＮＯ_Ｘの量を求める手段を更に具備し、燃焼装置に供給すべき燃料及び空気の量を求める前記手段は該求められたＮＯ_Ｘの量と前記求められた酸素の量と前記設定された燃焼装置の空燃比とに基づいて燃焼装置に供給すべき燃料及び空気の量を求めている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。なお、本発明は火花点火式内燃機関にも適用することもできる。
【００１０】
図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介して排気ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５に連結される。吸気ダクト１３内にはステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７が配置され、更に吸気ダクト１３周りには吸気ダクト１３内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１８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１８内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
【００１１】
一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９及び排気管２０を介して排気ターボチャージャ１４の排気タービン２１に連結され、排気タービン２１の出口は分岐管２２を介して第１及び第２の上流側排気ダクトＤＵ１，ＤＵ２に接続される。これら上流側排気ダクトＤＵ１，ＤＵ２は第１及び第２のケーシングＣＡ１，ＣＡ２にそれぞれ接続され、これらケーシングＣＡ１，ＣＡ２は第１及び第２の下流側排気ダクトＤＬ１，ＤＬ２に接続され、これら下流側排気ダクトＤＬ１，ＤＬ２は共通の排気管２３に接続される。
【００１２】
分岐管２２内には切替弁ＶＳが配置され、第１及び第２の下流側排気ダクトＤＬ１，ＤＬ２内には第１及び第２の下流側遮断弁ＶＬ１，ＶＬ２がそれぞれ配置される。これら切替弁及び遮断弁はそれぞれ対応するアクチュエータによりそれぞれ駆動される。
【００１３】
また、第１及び第２のケーシングＣＡ１，ＣＡ２内には第１及び第２のＮＯ_X 触媒ＮＡ１，ＮＡ２がそれぞれ収容されている。ここで、ＮＯ_X 触媒は、流入する排気ガスの空燃比がリッチのときに流入する排気ガス中のＮＯ_X を蓄え、流入する排気ガスの空燃比がリッチになると蓄えているＮＯ_X を還元し、それによりＮＯ_X 触媒内に蓄えられているＮＯ_X の量が減少する。
【００１４】
排気マニホルド１９とサージタンク１２とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２４を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２４内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２５が配置される。また、ＥＧＲ通路２４周りにはＥＧＲ通路２４内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２６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２６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６は燃料供給管６ａを介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２７に連結される。このコモンレール２７内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２８から燃料が供給され、コモンレール２７内に供給された燃料は各燃料供給管６ａを介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２７にはコモンレール２７内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２９が取付けられ、燃料圧センサ２９の出力信号に基づいてコモンレール２７内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２８の吐出量が制御される。
【００１５】
図１に示す内燃機関は燃焼式ヒータ３０を具備している。図１及び図３を参照すると、この燃焼式ヒータ３０の燃焼室３１は空気室３２を介して空気供給管３３に接続され、この空気供給管３３は例えば冷却装置１８下流の吸気ダクト１３内に接続される。空気室３２内には回転数制御可能な電動モータ３４によって駆動される空気供給ファン３５が配置される。空気供給ファン３５が作動されると燃焼室３１内に空気が供給される。これに対し、燃焼室３１内には燃焼供給管３７から燃料が供給される。この燃料供給管３７は追加の燃料ポンプ３９を介して燃料タンクに接続される。一方、燃焼式ヒータ３０の排気管３６は分岐管２２に接続される。
【００１６】
更に、燃焼式ヒータ３０は燃焼室３１及び排気管３６周りを囲む冷却水室３８を備えており、この冷却水室３８内に機関冷却水が導かれる。従って、燃焼式ヒータ３０を作動させれば機関冷却水の温度を上昇させることができる。
【００１７】
燃焼式ヒータ３０を作動すべきときには空気供給ファン３５が作動されて燃焼室３１内に空気が供給され、燃料ポンプ３９が作動されて燃焼室３１内に燃料が供給される。このときの燃焼式ヒータ３０の排気ガスは排気管３６から第１のＮＯ_X 触媒ＮＡ１又は第２のＮＯ_X 触媒ＮＡ２に供給される。
【００１８】
電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５及び出力ポート４６を具備する。燃料圧センサ２９の出力信号は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また、切替弁ＶＳ上流の分岐管２２内には内燃機関の燃焼室５における平均空燃比を検出するための空燃比センサ４９が取り付けられ、空燃比センサ４９の出力信号は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。第１及び第２の下流側排気ダクトＤＬ１，ＤＬ２内には第１及び第２のＮＯ_X 触媒ＮＡ１，ＮＡ２から流出した排気ガスの温度を検出するための第１及び第２の温度センサＳＴ１，ＳＴ２がそれぞれ取付けられ、これら温度センサＳＴ１，ＳＴ２の出力信号は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。第１及び第２の温度センサＳＴ１，ＳＴ２により検出される排気ガスの温度は第１及び第２のＮＯ_X 触媒ＮＡ１，ＮＡ２の温度をそれぞれ表している。
【００１９】
一方、アクセルペダル５０にはアクセルペダル５０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５１が接続され、負荷センサ５１の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。更に入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５２が接続される。一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して燃料噴射弁６、スロットル弁駆動用ステップモータ１６、ＥＧＲ制御弁２５、燃料ポンプ２８、切替弁ＶＳ及び遮断弁ＶＬ１，ＶＬ２の各アクチュエータ、燃焼式ヒータ３０の電動モータ３４、及び追加の燃料ポンプ３９にそれぞれ接続される。
【００２０】
本発明による実施例ではＮＯ_X 触媒ＮＡ１，ＮＡ２をＮＯ_X 吸収剤から形成している。各ＮＯ_X 吸収剤ＮＡ１，ＮＡ２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、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ、イリジウムＩｒのような貴金属とが担持されている。なお、排気ガス中に含まれる固体炭素からなる微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタにＮＯ_X 吸収剤ＮＡ１，ＮＡ２を担持させることもできる。
【００２１】
このＮＯ_X 吸収剤は流入する排気ガスの平均空燃比がリーンのときにはＮＯ_X を吸収し、流入する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。なお、本明細書では排気通路の或る位置よりも上流の排気通路、燃焼室５、及び吸気通路内に供給された空気と炭化水素ＨＣ及び一酸化炭素ＣＯとの比をその位置における排気ガスの空燃比と称している。
【００２２】
ＮＯ_X 吸収剤の詳細な吸放出メカニズムについては完全には明らかにされていない。しかしながら、現在考えられている吸放出メカニズムを、担体上に白金Ｐｔ及びバリウムＢａを担持させた場合を例にとって簡単に説明すると次のようになる。
【００２３】
即ち、ＮＯ_X 吸収剤に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもかなりリーンになると流入する排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大し、酸素Ｏ_２がＯ_２ ⁻又はＯ^２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入する排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ_２ ⁻又はＯ^２−と反応し、ＮＯ_２となる（２ＮＯ＋Ｏ_２→２ＮＯ_２）。次いで生成されたＮＯ_２の一部は白金Ｐｔ上でさらに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、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ＮＯ_X がＮＯ_X 吸収剤内に吸収される。なお、このようなリーン空燃比（例えば２５から５０）のもとでは、三元触媒でもってＮＯ_X を還元することができない。
【００２４】
これに対し、ＮＯ_X 吸収剤に流入する排気ガスの空燃比がリッチ又は理論空燃比になると、排気ガス中の酸素濃度が低下してＮＯ_２の生成量が低下し、反応が逆方向（ＮＯ_３ ⁻→ＮＯ_２）に進み、斯くして吸収剤内の硝酸イオンＮＯ_３ ⁻がＮＯ_２の形で吸収剤から放出される。この放出されたＮＯ_X は排気ガス中のＨＣ，ＣＯと反応して還元せしめられる。このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯ_２が存在しなくなると吸収剤から次から次へとＮＯ_２が放出され、還元される。
【００２５】
従って、ＮＯ_X 吸収剤は、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯ_X を吸収し、流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸収しているＮＯ_X を放出し還元するということになる。
【００２６】
切替弁ＶＳは第１の位置と第２の位置とのうちいずれか一方に位置せしめられる。切替弁ＶＳが第１の位置に位置せしめられると、図１に示されるように排気タービン２１の出口は切替弁ＶＳによって第２の上流側排気ダクトＤＵ２との連通が遮断されながら、第１の上流側排気ダクトＤＵ１に連通される。また、切替弁ＶＳが第１の位置に位置せしめられると第１の下流側遮断弁ＶＬ１が全開され、第２の下流側遮断弁ＶＬ２が閉弁される。その結果、第２のＮＯ_X 吸収剤ＮＡ２への内燃機関の排気ガス流れが遮断され、内燃機関から排出された排気ガスが第１のＮＯ_X 吸収剤ＮＡ１内に流入することになる。
【００２７】
このとき、燃焼式ヒータ３０の排気管３６は切替弁ＶＳによって第１の上流側排気ダクトＤＵ１との連通が遮断されながら第２の上流側排気ダクトＤＵ２に連通され、従ってこのとき燃焼式ヒータ３０が作動されると燃焼式ヒータ３０の排気ガスが第２のＮＯ_X 吸収剤ＮＡ２に供給されることになる。
【００２８】
これに対し、切替弁ＶＳが第２の位置に位置せしめられると、図２に示されるように排気タービン２１の出口は切替弁ＶＳによって第１の上流側排気ダクトＤＵ１との連通が遮断されながら、第２の上流側排気ダクトＤＵ２に連通される。また、切替弁ＶＳが第２の位置に位置せしめられると第２の下流側遮断弁ＶＬ２が全開され、第１の下流側遮断弁ＶＬ１が閉弁される。その結果、第１のＮＯ_X 吸収剤ＮＡ１への内燃機関の排気ガス流れが遮断され、内燃機関から排出された排気ガスが第２のＮＯ_X 吸収剤ＮＡ２内に流入することになる。
【００２９】
このとき、燃焼式ヒータ３０の排気管３６は切替弁ＶＳによって第２の上流側排気ダクトＤＵ２との連通が遮断されながら第１の上流側排気ダクトＤＵ１に連通され、従ってこのとき燃焼式ヒータ３０が作動されると燃焼式ヒータ３０の排気ガスが第１のＮＯ_X 吸収剤ＮＡ１に供給されることになる。
【００３０】
なお、切替弁ＶＳが第１の位置にあるときにはわずかばかりの量の内燃機関の排気ガスが第２のＮＯ_X 吸収剤ＮＡ２内に流入し、切替弁ＶＳが第２の位置にあるときにはわずかばかりの量の内燃機関の排気ガスが第１のＮＯ_X 吸収剤ＮＡ１内に流入するように、切替弁ＶＳの第１及び第２の位置、及び下流側遮断弁ＶＬ１，ＶＬ２の開度が予め設定されている。
【００３１】
従って、いずれか一方のＮＯ_X 吸収剤ＮＡ１，ＮＡ２に内燃機関から排出された排気ガスの大部分が導かれ、他方のＮＯ_X 吸収剤ＮＡ１，ＮＡ２には内燃機関の排気ガスがほとんど導かれないということになる。或いは、概略的に言うと、切替弁ＶＳが内燃機関の排気ガスをいずれか一方のＮＯ_X 吸収剤ＮＡ１，ＮＡ２に選択的に導いているという見方もできる。
【００３２】
このように、切替弁ＶＳ及び第１の下流側遮断弁ＶＬ１は第１のＮＯ_X 吸収剤ＮＡ１内に流入する排気ガスの量を制御するための第１の排気制御弁として作用し、切替弁ＶＳ及び第２の下流側遮断弁ＶＬ２は第２のＮＯ_X 吸収剤ＮＡ２内に流入する排気ガスの量を制御するための第２の排気制御弁として作用すると考えることもできる。そうすると、切替弁ＶＳが第１の位置にあるときには第１の排気制御弁が全開にされ第２の排気制御弁が閉弁され、切替弁ＶＳが第２の位置にあるときには第１の排気制御弁が閉弁され第２の排気制御弁が全開にされるのと同じことになる。
【００３３】
上述したように、内燃機関から排出された排気ガスが第１のＮＯ_X 吸収剤ＮＡ１内に流入するときには第２の下流側遮断弁ＶＬ２が閉弁され、内燃機関から排出された排気ガスが第２のＮＯ_X 吸収剤ＮＡ２内に流入するときには第１の下流側遮断弁ＶＬ１が閉弁される。このようにすると、一方のＮＯ_X 吸収剤内を流通した排気ガスが他方のＮＯ_X 吸収剤内に逆流するのが抑制される。
【００３４】
一方、燃焼式ヒータ３０の排気管３６は切替弁ＶＳが第１の位置に位置せしめられると第２の上流側ダクトＤＵ２に接続され、第２の位置に位置せしめられると第１の上流側ダクトＤＵ１に接続される。従って、燃焼式ヒータ３０の排気管３６はいずれか一方の上流側排気ダクトＤＵ１，ＤＵ２に選択的に接続されているということになる。
【００３５】
さて、図１に示される内燃機関ではリーン空燃比のもとで燃焼が継続して行われる。従って、切替弁ＶＳが例えば第１の位置にある場合には図４に示されるように、第１のＮＯ_X 吸収剤ＮＡ１に吸収されているＮＯ_X の量、即ちＮＯ_X 吸収量ＱＮ１（実線）が次第に増大する。次いで、ＮＯ_X 吸収量ＱＮ１が予め定められた上限量ＱＱよりも多くなると第１のＮＯ_X 吸収剤ＮＡ１内に吸収されているＮＯ_X が放出され還元される。
【００３６】
即ち、切替弁ＶＳが第１の位置から第２の位置に切り替えられ、第１の下流側遮断弁ＶＬ１が閉弁され、第２の下流側遮断弁ＶＬ２が全開される。この状態で、第１のＮＯ_X 吸収剤ＮＡ１内に吸収されているＮＯ_X を放出させ還元するために燃焼式ヒータ３０がリッチ空燃比のもとで一時的に作動され、燃焼式ヒータ３０の排気ガスが第１のＮＯ_X 吸収剤ＮＡ１に供給され、第１のＮＯ_X 吸収剤ＮＡ１に流入する排気ガスの平均空燃比ＮＡＦ１がリッチにされる。その結果、第１のＮＯ_X 吸収剤ＮＡ１のＮＯ_X 吸収量ＱＮ１が次第に減少する。第１のＮＯ_X 吸収剤ＮＡ１に燃焼式ヒータ３０の排気ガスを供給してから例えば一定の時間ＲＴだけ経過すると第１のＮＯ_X 吸収剤ＮＡ１のＮＯ_X 吸収量ＱＮ１がほぼゼロになり、このとき燃焼式ヒータ３０が停止される。
【００３７】
一方、切替弁ＶＳが第２の位置に切り替えられると、第２のＮＯ_X 吸収剤ＮＡ２のＮＯ_X 吸収量ＱＮ２（破線）が図４に示されるように増大し始め、次いでＮＯ_X 吸収量ＱＮ２が上限量ＱＱよりも多くなると第２のＮＯ_X 吸収剤ＮＡ２内に吸収されているＮＯ_X が放出され還元される。
【００３８】
即ち、切替弁ＶＳが第２の位置から第１の位置に切り替えられ、第２の下流側遮断弁ＶＬ２が閉弁され、第１の下流側遮断弁ＶＬ１が全開される。この状態で、第２のＮＯ_X 吸収剤ＮＡ２内に吸収されているＮＯ_X を放出させ還元するために燃焼式ヒータ３０がリッチ空燃比のもとで一時的に作動され、燃焼式ヒータ３０の排気ガスが第２のＮＯ_X 吸収剤ＮＡ２に供給され、第２のＮＯ_X 吸収剤ＮＡ２に流入する排気ガスの平均空燃比ＮＡＦ２がリッチにされる。その結果、第２のＮＯ_X 吸収剤ＮＡ２のＮＯ_X 吸収量ＱＮ２が次第に減少する。第２のＮＯ_X 吸収剤ＮＡ２に燃焼式ヒータ３０の排気ガスを供給してから時間ＲＴだけ経過すると第２のＮＯ_X 吸収剤ＮＡ２のＮＯ_X 吸収量ＱＮ２がほぼゼロになり、このとき燃焼式ヒータ３０が停止される。
【００３９】
このように本発明による実施例では、ＮＯ_X 吸収剤ＮＡ１，ＮＡ２における排気ガスの空間速度を低下させながらＮＯ_X 吸収剤ＮＡ１，ＮＡ２に燃焼式ヒータ３０の排気ガスを供給しているということになる。このようにすると、ＮＯ_X 吸収剤ＮＡ１，ＮＡ２に流入する排気ガスの平均空燃比をリーンからリッチに切り替えるのに燃焼式ヒータ３０で必要な燃料の量を低減することができる。また、ＮＯ_X 吸収剤ＮＡ１，ＮＡ２にわずかな量の内燃機関の排気ガスが流入するので、この排気ガスによって燃焼式ヒータ３０の排気ガスをＮＯ_X 吸収剤ＮＡ１，ＮＡ２全体に速やかに拡散させることができる。
【００４０】
ＮＯ_X 吸収量ＱＮ１，ＱＮ２は単位時間当たりにＮＯ_X 吸収剤ＮＡ１，ＮＡ２内に流入したＮＯ_X の量ｄＱＮを積算することによって求められる。このＮＯ_X 量ｄＱＮは単位時間当たりに内燃機関から排出されるＮＯ_X の量に依存し、このＮＯ_X の量は機関運転状態例えば機関回転数Ｎ及び吸入空気量ＥＧａに依存する。本発明による実施例では、ｄＱＮを機関回転数Ｎ及び吸入空気量ＥＧａの関数として予め実験により求めておき、図５に示されるマップの形でＲＯＭ４２内に予め記憶している。或いは、ＮＯ_X 吸収剤ＮＡ１，ＮＡ２上流の排気通路例えば上流側排気ダクトＤＵ１，ＤＵ２に内燃機関の排気ガス中のＮＯ_X の濃度を検出するＮＯ_X 濃度センサを取り付け、検出されたＮＯ_X の濃度と、単位時間当たりにＮＯ_X 吸収剤ＮＡ１，ＮＡ２内に流入する内燃機関の排気ガスの流量とからＮＯ_X 量ｄＱＮを求めることもできる。
【００４１】
ここで、吸収されているＮＯ_X を放出させるべきＮＯ_X 吸収剤ＮＡ１，ＮＡ２をＮＯ_X 吸収剤ＮＡｉ（ｉ＝１，２）と表すものとすると、これまでの説明で明らかなように、ＮＯ_X 吸収剤ＮＡｉに供給される燃焼式ヒータ３０の排気ガス中のＨＣ，ＣＯはＮＯ_X 吸収剤ＮＡｉ内のＮＯ_X を還元すると共に、ＮＯ_X 吸収剤ＮＡｉ内に流入する排気ガス中の酸素を消費するための還元剤として作用することになる。
【００４２】
ところで、図４からわかるように、ＮＯ_X 吸収剤ＮＡｉには燃焼式ヒータ３０から還元剤が時間ＲＴだけ供給される。言い換えると、時間ＲＴだけ還元剤を供給すればＮＯ_X 吸収剤ＮＡｉのＮＯ_X 放出還元作用が完了する。即ち、還元剤を供給し始めるとき即ち切替弁ＶＳが切り替えられた直後のＮＯ_X 吸収剤ＮＡｉのＮＯ_X 吸収量をＱＮＡで表し、時間ＲＴの間に切替弁ＶＳから漏れてＮＯ_X 吸収剤ＮＡｉ内に流入する内燃機関の排気ガス中の酸素の総量をＱＯＸで表すものとすると、時間ＲＴの間にＮＯ_X が量ＱＮＡだけ還元され、酸素が量ＱＯＸだけ消費されることになる。
【００４３】
従って、ＮＯ_X をＱＮＡだけ還元し酸素をＱＯＸだけ消費するのに必要な量の還元剤を、時間ＲＴの間に燃焼式ヒータ３０からＮＯ_X 吸収剤ＮＡｉに供給する必要がある。ここで、ＮＯ_X をＱＮＡだけ還元し酸素をＱＯＸだけ消費するのに必要な還元剤の量を必要還元剤量ＱＲと称すると、この必要還元剤量ＱＲはＮＯ_X 量ＱＮＡ及び酸素量ＱＯＸに依存する。
【００４４】
酸素量ＱＯＸは時間ＲＴの間にＮＯ_X 吸収剤ＮＡｉ内に流入する内燃機関の排気ガスの総量と、内燃機関の燃焼室５における平均空燃比ＥＡＦとに依存し、この内燃機関の排気ガスの総量は機関運転状態例えば機関回転数Ｎ及び吸入空気量ＥＧａに依存する。従って、酸素量ＱＯＸは機関回転数Ｎ、吸入空気量ＥＧａ、及び燃焼室５における平均空燃比ＥＡＦの関数となる。そこで本発明による実施例では、酸素量ＱＯＸを機関回転数Ｎ、吸入空気量ＥＧａ、及び燃焼室５における平均空燃比ＥＡＦの関数として予め実験により求めておき、図６に示されるマップの形でＲＯＭ４２内に予め記憶している。また、必要還元剤量ＱＲをＮＯ_X 量ＱＮＡ及び酸素量ＱＯＸの関数として予め実験により求めておき、図７に示されるマップの形でＲＯＭ４２内に予め記憶している。
【００４５】
従って、ＮＯ_X 量ＱＮＡ及び酸素量ＱＯＸから必要還元剤量ＱＲを求めることができる。
【００４６】
時間ＲＴは比較的短いので時間ＲＴの間にＮＯ_X 及び酸素が一定速度で還元又は消費されると考えると、燃焼式ヒータ３０の排気ガス中には還元剤が単位時間当たりＱＲ／ＲＴだけ含まれている必要がある。即ち、単位時間当たりの必要還元剤量ｄＱＲはＱＲ／ＲＴで表されることになる。
【００４７】
燃焼式ヒータ３０の排気ガス中に単位時間当たり含まれる還元剤の量は燃焼式ヒータ３０における空燃比ＨＡＦと、燃焼式ヒータ３０に単位時間当たり供給される燃料量及び空気量とに依存する。ここで、燃焼式ヒータ３０における空燃比ＨＡＦは後述するように機関運転状態に応じて設定される。そこで本発明による実施例では、燃焼式ヒータ３０の排気ガス中に単位時間当たり含まれる還元剤の量が単位時間当たりの必要還元剤量ｄＱＲに一致するように、燃焼式ヒータ３０に単位時間当たり供給される燃料の量ｄＨＱＦ及び空気の量ｄＨＧａを制御している。
【００４８】
具体的には、燃焼式ヒータ３０に単位時間当たり供給されるべき例えば燃料量ｄＨＱＦを単位時間当たりの必要還元剤量ｄＱＲと、燃焼式ヒータ３０における空燃比ＨＡＦとの関数として予め実験により求めておき、図８に示されるマップの形でＲＯＭ４２内に予め記憶している。燃焼式ヒータ３０に単位時間当たり供給されるべき空気量ｄＨＧａは燃焼式ヒータ３０における空燃比ＨＡＦと単位時間当たりの燃料量ｄＨＱＦとから求めることができる（ｄＨＧａ＝ＨＡＦ・ｄＨＱＦ）。
【００４９】
従って、ＮＯ_X 吸収剤ＮＡｉ内のＮＯ_X を放出させ還元すべきときには燃焼式ヒータ３０に単位時間当たりｄＨＱＦだけ燃料が供給され、ｄＨＧａだけ空気が供給される。
【００５０】
なお、上述したように燃焼式ヒータ３０における空燃比ＨＡＦは機関運転状態に応じて設定される。燃焼式ヒータ３０での燃焼安定性は上流側排気ダクトＤＵｉ内の圧力に依存し、この圧力は機関運転状態に依存するからである。本発明による実施例では、燃焼式ヒータ３０における空燃比ＨＡＦを機関回転数Ｎ及び吸入空気量ＥＧａの関数として予め求めておき、図９に示されるマップの形で予めＲＯＭ４２内に記憶している。
【００５１】
図１０はＮＯ_X 吸収剤ＮＡｉから吸収されているＮＯ_X を放出させ還元すべきか否かを判定するためのルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間ｄｔ毎の割り込みによって実行される。
【００５２】
図１０を参照すると、まず初めにステップ１００では単位時間当たりにＮＯ_X 吸収剤ＮＡｉ内に流入したＮＯ_X の量ｄＱＮが図５のマップから算出される。続くステップ１０１ではＮＯ_X 吸収剤ＮＡｉのＮＯ_X 吸収量ＱＮｉにｄＱＮ・ｄｔが加算される。ここで、ｄＱＮ・ｄｔは前回の処理サイクルから今回の処理サイクルまでにＮＯ_X 吸収剤ＮＡｉに吸収されたＮＯ_X の量を表している。続くステップ１０２ではＮＯ_X 吸収量ＱＮｉが上限量ＱＱよりも大きいか否かが判別される。ＱＮｉ≦ＱＱのときには処理サイクルを終了し、ＱＮｉ＞ＱＱのときには次いでステップ１０３に進み、ＱＮｉがＱＮＡとして記憶される。続くステップ１０４ではＱＮがクリアされ、続くステップ１０５ではフラグがセットされる。このフラグはＮＯ_X 吸収剤ＮＡｉ内に吸収されているＮＯ_X を放出させ還元すべきときにセットされ、ＮＯ_X 吸収剤ＮＡｉ内のほぼ全てのＮＯ_X が放出され還元されたときに図１１に示されるルーチンにおいてリセットされるものである。
【００５３】
図１１はＮＯ_X 吸収剤ＮＡ１，ＮＡ２から吸収されているＮＯ_X を放出させ還元するためのルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。
【００５４】
図１１を参照すると、まず初めにステップ２００では図１０のルーチンでセットされるフラグがセットされているか否かが判別される。フラグがセットされていないときには処理サイクルを終了し、フラグがセットされているときには次いでステップ２０１に進み、弁制御が行われる。即ち、切替弁ＶＳの位置が第１の位置及び第２の位置のうち一方から他方へ切り替えられ、第１及び第２の下流側遮断弁ＶＬ１，ＶＬ２のうち一方が全開にされ、他方が閉弁される。続くステップ２０２では時間ＲＴの間にＮＯ_X 吸収剤ＮＡｉに流入する内燃機関の排気ガス中の酸素の量ＱＯＸが図６のマップから算出される。続くステップ２０３では、必要還元剤量ＱＲが図７のマップから算出される。続くステップ２０４では、単位時間当たりの必要還元剤量ｄＱＲが算出される（ｄＱＲ＝ＱＲ／ＲＴ）。続くステップ２０５では燃焼式ヒータ３０における空燃比ＨＡＦが図９のマップから算出される。続くステップ２０６では燃焼式ヒータ３０に単位時間当たり供給すべき燃料量ｄＨＱＦが図８のマップから算出される。続くステップ２０７では燃焼式ヒータ３０に単位時間当たり供給すべき空気の量ｄＨＧａが算出される（ｄＨＧａ＝ＨＡＦ・ｄＨＱＦ）。続くステップ２０８では、燃焼式ヒータ３０に燃料及び空気を単位時間当たりｄＨＱＦ及びｄＨＧａだけ供給しながら燃焼式ヒータ３０が作動される。
【００５５】
続くステップ２０９では時間ＲＴが経過したか否かが判別される。時間ＲＴが経過していないときにはステップ２０８に戻り、時間ＲＴが経過したときにはステップ２１０に進み、燃焼式ヒータ３０が停止される。続くステップ２１１ではフラグがリセットされる。
【００５６】
図１２は単一のＮＯ_X 吸収剤を備えた内燃機関に本発明を適用した場合を示している。
【００５７】
図１２を参照すると、排気タービン２１の出口は分岐管２２を介して上流側排気ダクトＤＵに接続され、上流側排気ダクトＤＵはケーシングＣＡに接続される。ケーシングＣＡは下流側排気ダクトＤＬに接続され、下流側排気ダクトＤＬは排気管２３に接続される。ケーシングＣＡ内にはＮＯ_X 吸収剤ＮＡが収容されている。また、分岐管２２からＮＯ_X 吸収剤ＮＡを迂回して排気管２３まで延びるバイパス管６０が設けられる。
【００５８】
分岐管２２内には、内燃機関の排気ガス流れをＮＯ_X 吸収剤ＮＡとバイパス管６０とのうちいずれか一方に選択的に導くための切替弁ＶＳが配置される。また、上流側排気ダクトＤＵ内には燃焼式ヒータ３０の排気管３６が接続される。
【００５９】
切替弁ＶＳは通常、内燃機関から排出された排気ガスをＮＯ_X 吸収剤ＮＡに導いており、ＮＯ_X 吸収剤ＮＡに燃焼式ヒータ３０の排気ガスを供給すべきときに内燃機関から排出された排気ガスをバイパス管６０内に導く。この状態で、燃焼式ヒータ３０が作動され、このとき燃焼式ヒータ３０の排気ガス中に単位時間当たり含まれる還元剤の量が単位時間当たりの必要還元剤量ｄＱＲに一致するように、燃焼式ヒータ３０に単位時間当たり供給される燃料の量ｄＨＱＦ及び空気の量ｄＨＧａが制御される。
【００６０】
これまで述べてきた本発明による実施例では、ＮＯ_X 吸収剤ＮＡｉに燃焼式ヒータ３０の排気ガスが時間ＲＴだけ供給され、この時間ＲＴは一定である。しかしながら、時間ＲＴを例えばＮＯ_X 吸収量ＱＮＡ又はＮＯ_X 吸収剤ＮＡｉの温度に基づいて変更するようにすることもできる。
【００６１】
【発明の効果】
燃焼装置での燃料消費率を低く維持しつつ、ＮＯ_X 吸収剤に吸収されているＮＯ_X を確実に放出させ還元することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】切替弁が別の位置にある場合を示す内燃機関の部分図である。
【図３】燃焼式ヒータの拡大断面図である。
【図４】ＮＯ_X 吸収剤のＮＯ_X 吸放出還元作用を説明するための図である。
【図５】ｄＱＮを示す線図である。
【図６】ＱＯＸを示す線図である。
【図７】ＱＲを示す線図である。
【図８】ｄＨＱＦを示す線図である。
【図９】ＨＡＦを示す線図である。
【図１０】判定ルーチンを示すフローチャートである。
【図１１】ＮＯ_X 放出還元制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１２】本発明による別の実施例を示す内燃機関の部分図である。
【符号の説明】
１…機関本体
３０…燃焼式ヒータ
ＶＳ…切替弁
ＮＡ１，ＮＡ２…ＮＯ_X 吸収剤

Claims

リーン空燃比のもとで燃焼が行われる内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯ_Ｘを蓄え、流入する排気ガスの空燃比がリッチになると蓄えているＮＯ_Ｘを還元するＮＯ_Ｘ触媒を配置し、ＮＯ_Ｘ触媒に流入する内燃機関の排気ガスの量を制御するための排気制御弁と、内燃機関と異なる燃焼装置とを具備し、ＮＯ_Ｘ触媒内に蓄えられているＮＯ_Ｘを還元すべきときにはＮＯ_Ｘ触媒にわずかな量の内燃機関の排気ガスが流入するように排気制御弁を閉弁しながら、リッチ空燃比のもとで作動される燃焼装置の排気ガスをＮＯ_Ｘ触媒に供給するようにした排気ガス浄化装置において、ＮＯ_Ｘ触媒内に蓄えられているＮＯ_Ｘを還元するために排気制御弁が閉弁されているときにＮＯ_Ｘ触媒内に流入する内燃機関の排気ガス中の酸素の量を求める手段と、燃焼装置の空燃比を機関運転状態に基づいて設定する手段と、該求められた酸素の量と該設定された燃焼装置の空燃比とに基づいて燃焼装置に供給すべき燃料及び空気の量を求める手段と、ＮＯ_Ｘ触媒内に蓄えられているＮＯ_Ｘを還元すべきときに該求められた量の燃料及び空気を燃焼装置に供給する手段とを具備し、ＮＯ _Ｘ触媒内に蓄えられているＮＯ _Ｘの量を求める手段を更に具備し、燃焼装置に供給すべき燃料及び空気の量を求める前記手段は該求められたＮＯ _Ｘの量と前記求められた酸素の量と前記設定された燃焼装置の空燃比とに基づいて燃焼装置に供給すべき燃料及び空気の量を求める排気ガス浄化装置。
リーン空燃比のもとで燃焼が行われる内燃機関の排気通路を分岐して形成される一対の分岐排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯ_Ｘを蓄え、流入する排気ガスの空燃比がリッチになると蓄えているＮＯ_Ｘを還元するＮＯ_Ｘ触媒をそれぞれ配置し、各ＮＯ_Ｘ触媒に流入する内燃機関の排気ガスの量を制御するための排気制御弁と、内燃機関と異なる燃焼装置とを具備し、ＮＯ_Ｘ触媒内に蓄えられているＮＯ_Ｘを還元すべきときには該ＮＯ_Ｘ触媒にわずかな量の内燃機関の排気ガスが流入するように排気制御弁を閉弁しながら、リッチ空燃比のもとで作動される燃焼装置の排気ガスを該ＮＯ_Ｘ触媒に供給するようにした排気ガス浄化装置において、ＮＯ_Ｘ触媒内に蓄えられているＮＯ_Ｘを還元するために排気制御弁が閉弁されているときに該ＮＯ_Ｘ触媒内に流入する内燃機関の排気ガス中の酸素の量を求める手段と、燃焼装置の空燃比を機関運転状態に基づいて設定する手段と、該求められた酸素の量と該設定された燃焼装置の空燃比とに基づいて燃焼装置に供給すべき燃料及び空気の量を求める手段と、該ＮＯ_Ｘ触媒内に蓄えられているＮＯ_Ｘを還元すべきときに該求められた量の燃料及び空気を燃焼装置に供給する手段とを具備し、前記ＮＯ _Ｘ触媒内に蓄えられているＮＯ _Ｘの量を求める手段を更に具備し、燃焼装置に供給すべき燃料及び空気の量を求める前記手段は該求められたＮＯ _Ｘの量と前記求められた酸素の量と前記設定された燃焼装置の空燃比とに基づいて燃焼装置に供給すべき燃料及び空気の量を求める排気ガス浄化装置。