JP3912170B2

JP3912170B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP3912170B2
Application number: JP2002118074A
Authority: JP
Inventors: 好一郎中谷; 信也広田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-04-19
Filing date: 2002-04-19
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2022-04-19
Also published as: JP2003314251A

Description

【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に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯ_Ｘを還元して蓄えているＮＯ_Ｘの量が減少するＮＯ_Ｘ触媒を、機関排気通路から分岐して環状に延びた後に機関排気通路に戻る環状分岐通路内に配置し、排気ガスを環状分岐通路の一端に導きながらこのとき環状分岐通路の他端から環状分岐通路の一端よりも下流の機関排気通路内に排気ガスが流出する位置と、排気ガスを環状分岐通路の他端に導きながらこのとき環状分岐通路の一端から環状分岐通路の他端よりも下流の機関排気通路内に排気ガスが流出する位置との間を切替可能な切替弁を具備した内燃機関の排気浄化装置が公知である（特開２００１−２８９０３０号公報参照）。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、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。
【０００３】
ところで、ＮＯ_Ｘ触媒が蓄えうるＮＯ_Ｘの量には限界があり、従ってＮＯ_Ｘ触媒内に蓄えられたＮＯ_Ｘの量が許容量を越えたときにはＮＯ_Ｘ触媒内に流入する排気ガスの空燃比を低下させかつＮＯ_Ｘ触媒に還元剤を供給し、それによりＮＯ_Ｘ触媒内に蓄えられているＮＯ_Ｘの量を減少させる必要がある。そこで上述した公報では、内燃機関で燃焼せしめられる混合気の空燃比を一時的に理論空燃比又はリッチ空燃比に切り替えるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＮＯ_Ｘ触媒内に流入する排気ガスの空燃比を低下させかつＮＯ_Ｘ触媒に還元剤を供給する方法には様々な方法が知られており、例えば切替弁とＮＯ_Ｘ触媒間の環状分岐通路内にＮＯ_Ｘ触媒に還元剤を供給するための還元剤供給弁を配置することも可能である。
【０００５】
しかしながら、このようにすると還元剤供給弁をＮＯ_Ｘ触媒から十分に離間することができず、このため還元剤供給弁から供給された還元剤がＮＯ_Ｘ触媒に到るまでに排気ガスによって十分に加熱されず、その結果ＮＯ_Ｘ触媒で反応することなく機関排気通路内に排出される恐れがある。或いは、還元剤供給弁から還元剤を供給するタイミングによっては還元剤供給弁から供給された還元剤が環状分岐通路内の排気ガスの流れによってＮＯ_Ｘ触媒に到ることなく機関排気通路内に排出される恐れもある。
【０００６】
そこで本発明の目的は、還元剤が酸化されることなく機関排気通路内に排出されるのを阻止することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００７】
【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、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低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯ_Ｘを還元して蓄えているＮＯ_Ｘの量が減少するＮＯ_Ｘ触媒を、排気ガス中に含まれる微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ上に担持することによりＮＯ _Ｘ触媒担持フィルタを形成し、該ＮＯ _Ｘ触媒担持フィルタを、機関排気通路から分岐して環状に延びた後に機関排気通路に戻る環状分岐通路内に配置し、排気ガスを環状分岐通路の一端に導いて排気ガスがＮＯ _Ｘ触媒担持フィルタ内にその一側から流入しその他側から流出した後に環状分岐通路の他端から環状分岐通路の一端よりも下流の機関排気通路内に排気ガスが流出する位置と、排気ガスを環状分岐通路の他端に導いて排気ガスがＮＯ _Ｘ触媒担持フィルタ内にその他側から流入しその一側から流出した後に環状分岐通路の一端から環状分岐通路の他端よりも下流の機関排気通路内に排気ガスが流出する位置との間を切替可能な切替弁を具備した内燃機関の排気浄化装置において、前記一端とＮＯ _Ｘ触媒担持フィルタ間の環状分岐通路内にＮＯ _Ｘ触媒担持フィルタに還元剤を供給するための還元剤供給弁と、酸化能を有する触媒とを配置すると共に、前記他端とＮＯ _Ｘ触媒担持フィルタ間の環状分岐通路内にも酸化能を有する触媒を配置している。
【０００９】
また、２番目の発明によれば１番目の発明において、環状分岐通路の両端が開口する排気通路部分よりも下流の機関排気通路内にも酸化能を有する触媒を配置している。
【００１０】
また、３番目の発明によれば１番目の発明又は２番目の発明において、前記酸化能を有する触媒を酸化触媒から形成している。
【００１１】
また、４番目の発明によれば１番目の発明又は２番目の発明において、前記酸化能を有する触媒をＮＯ_Ｘ触媒から形成している。
【００１３】
【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。
【００１４】
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。
【００１５】
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の出口は排気管２０ａを介して触媒コンバータ２２に接続される。
【００１６】
図１と共に図２を参照すると、触媒コンバータ２２はステップモータ６０により駆動される切替弁６１を具備し、この切替弁６１の流入ポート６２に排気管２０ａの出口が接続される。また、流入ポート６２に対向する切替弁６１の流出ポート６３には触媒コンバータ２２の排気ガス排出管６４が接続される。切替弁６１は更に、流入ポート６２及び流出ポート６３を結ぶ直線の両側において互いに対向する一対の流入流出ポート６５，６６を有しており、これら流入流出ポート６５，６６には触媒コンバータ２２の環状排気管６７の両端がそれぞれ接続される。なお、排気ガス排出管６４の出口には排気管２３が接続される。
【００１７】
環状排気管６７は排気ガス排出管６４を貫通して延びており、環状排気管６７の排気ガス排出管６４内に位置する部分にはフィルタ収容室６８が形成される。このフィルタ収容室６８内には排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ６９が収容される。なお、図２において６９ａ及び６９ｂはパティキュレートフィルタ６９の一端面及び他端面をそれぞれ示している。
【００１８】
パティキュレートフィルタ６９の一端面６９ａを含む触媒コンバータ２２の部分縦断面図を示す図２（Ａ）、及び触媒コンバータ２２の部分横断面図を示す図２（Ｂ）に示されるようにパティキュレートフィルタ６９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ガス通路７０，７１を具備する。これら排気ガス通路は一端が開放されかつ他端が通気性のないシール材７２により閉塞されている排気ガス通路７０と、他端が開放されかつ一端が通気性のないシール材７３により閉塞されている排気ガス通路７１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シール材７３を示している。これら排気ガス通路７０，７１は例えばコージェライトのような多孔質材から形成される薄肉の隔壁７４を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス通路７０，７１は各排気ガス通路７０が４つの排気ガス通路７１によって包囲され、各排気ガス通路７１が４つの排気ガス通路７０によって包囲されるように配置される。
【００１９】
パティキュレートフィルタ６９上には後述するようにＮＯ_Ｘ触媒８１が担持されている。一方、切替弁６１の流出ポート６３と環状排気管６７が貫通している部分との間の排気ガス排出管６４内には触媒収容室７５が形成されており、この触媒収容室７５内にはハニカム構造の基材に担持された酸化能を有する触媒７６が収容される。
【００２０】
また、切替弁６１の流入流出ポート６５とパティキュレートフィルタ６９間の環状排気管６７にはパティキュレートフィルタ６９に還元剤を供給するための電気制御式還元剤供給弁７７が取り付けられる。還元剤供給弁７７には電気制御式の還元剤ポンプ７８から還元剤がそれぞれ供給される。還元剤には液体又は気体の炭化水素のほか水素や尿素などを用いることができるが、本発明による実施例では還元剤として燃料即ち軽油が用いられている。
【００２１】
更に、流入流出ポート６５とパティキュレートフィルタ６９間の環状排気管６７内と、流入流出ポート６６とパティキュレートフィルタ６９間の環状排気管６７内にも、ハニカム構造の基材に担持された酸化能を有する触媒７９，８０がそれぞれ収容されている。図１及び図２に示される実施例では、触媒７９は還元剤供給弁７７とパティキュレートフィルタ６９間に配置される。
【００２２】
更に図１を参照すると、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。
【００２３】
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。
【００２４】
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、アクセルペダル５０にはアクセルペダル５０の踏み込み量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。
【００２５】
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、切替弁駆動用ステップモータ６０、還元剤供給弁７７、及び還元剤ポンプ７８にそれぞれ接続される。
【００２６】
切替弁６１は通常、図３（Ｂ）において実線で示される位置と破線で示される位置とのうちいずれか一方に位置せしめられる。切替弁６１が図３（Ｂ）において実線で示される位置に位置せしめられると、流入ポート６２が切替弁６１によって流出ポート６３及び流入流出ポート６６との連通が遮断されながら流入流出ポート６５に連通され、流出ポート６３が切替弁６１によって流入流出ポート６６に連通される。その結果、図３（Ｂ）において実線の矢印で示されるように内燃機関から排出された全ての排気ガスが流入ポート６２及び流入流出ポート６５を順次介して環状排気管６７内に流入し、触媒７９を通過した後にパティキュレートフィルタ６９を通過し、次いで触媒８０を通過した後に流入流出ポート６６及び流出ポート６３を順次介して排気ガス排気出管６４内に流出する。
【００２７】
これに対し、切替弁６１が図３（Ｂ）において破線で示される位置に位置せしめられると、流入ポート６２が切替弁６１によって流出ポート６３及び流入流出ポート６５との連通が遮断されながら流入流出ポート６６に連通され、流出ポート６３が切替弁６１によって流入流出ポート６５に連通される。その結果、図３（Ｂ）において破線の矢印で示されるように内燃機関から排出された全ての排気ガスが流入ポート６２及び流入流出ポート６６を順次介して環状排気管６７内に流入し、触媒８０を通過した後にパティキュレートフィルタ６９を通過し、次いで触媒７９を通過した後に流入流出ポート６５及び流出ポート６３を順次介して排気ガス排出管６４内に流出する。
【００２８】
このように切替弁６１の位置を切り替えることによって環状排気管６７内における排気ガスの流れが反転する。以下では、図３（Ｂ）において実線で示される排気ガスの流れを順流と称し、破線で示される排気ガスの流れを逆流と称することにする。また、図３（Ｂ）において実線で示される切替弁６１の位置を順流位置と称し、破線で示される切替弁６１の位置を逆流位置と称する。
【００２９】
流出ポート６６を介し排気ガス排出管６４内に流出した排気ガスは図３（Ａ）及び（Ｂ）に示されるように、次いで触媒７６を通過し、環状排気管６７の外周面に沿いつつ進行した後に排気管２３内に流出する。
【００３０】
パティキュレートフィルタ６９における排気ガスの流れを説明すると、順流時には排気ガスは一端面６９ａを介しパティキュレートフィルタ６９内に流入し、他端面６９ｂを介しパティキュレートフィルタ６９から流出する。このとき、排気ガスは一端面６９ａ内に開口している排気ガス通路７０内に流入し、次いで周囲の隔壁７４内を通って隣接する排気ガス流出通路７１内に流出する。一方、逆流時には排気ガスは他端面６９ｂを介しパティキュレートフィルタ６９内に流入し、一端面６９ａを介しパティキュレートフィルタ６９から流出する。このとき、排気ガスは他端面６９ｂ内に開口している排気ガス通路７１内に流入し、次いで周囲の隔壁７４内を通って隣接する排気ガス流出通路７０内に流出する。
【００３１】
パティキュレートフィルタ６９の隔壁７４の両側面及び細孔内壁面上には図４に示されるようにＮＯ_Ｘ触媒８１がそれぞれ担持されている。このＮＯ_Ｘ触媒８１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。
【００３２】
ＮＯ_Ｘ触媒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を蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯ_Ｘを還元して蓄えているＮＯ_Ｘの量を減少させる蓄積還元作用を行う。
【００３３】
ＮＯ_Ｘ触媒の蓄積還元作用の詳細な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。
【００３４】
即ち、ＮＯ_Ｘ触媒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ＮＯ_Ｘ触媒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ＮＯ_Ｘ触媒内に拡散する。このようにしてＮＯ_ＸがＮＯ_Ｘ触媒内に蓄えられる。
【００３５】
これに対し、ＮＯ_Ｘ触媒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ＮＯ_Ｘ触媒内の硝酸イオンＮＯ_３ ⁻がＮＯ_２の形でＮＯ_Ｘ触媒から放出される。この放出されたＮＯ_Ｘは排気ガス中に還元剤即ちＨＣ，ＣＯが含まれているとこれら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ＮＯ_Ｘ触媒から次から次へとＮＯ_２が放出されて還元され、ＮＯ_Ｘ触媒内に蓄えられているＮＯ_Ｘの量が次第に減少する。
【００３６】
なお、硝酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘを蓄え、ＮＯ_Ｘを放出することなくＮＯ_Ｘを還元することも可能である。
【００３７】
一方、比較的小容量の触媒７６，７９，８０を上述したＮＯ_Ｘ触媒からそれぞれ形成してもよく、又はアルカリ金属、アルカリ土類、及び希土類を含むことなく貴金属を含む貴金属触媒からそれぞれ形成してもよい。
【００３８】
上述したように順流時であろうと逆流時であろうと排気ガスはパティキュレートフィルタ６９を通過し、このとき排気ガス中に含まれる主に炭素の固体からなる微粒子はパティキュレートフィルタ６９上に捕集される。即ち、概略的に説明すると、順流時には排気ガス通路７０側の隔壁７４の側面上及び細孔内に微粒子が捕集され、逆流時には排気ガス通路７１側の隔壁７４の側面上及び細孔内に微粒子が捕集される。図１に示される内燃機関はリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われており、また、ＮＯ_Ｘ触媒は酸化能を有しているので、パティキュレートフィルタ６９の温度が微粒子を酸化しうる温度、例えば２５０℃以上に維持されていれば、パティキュレートフィルタ６９上で微粒子が酸化せしめられ除去される。
【００３９】
ところが、パティキュレートフィルタ６９の温度が微粒子を酸化しうる温度に維持されなくなるか又は単位時間当たりにパティキュレートフィルタ６９内に流入する微粒子の量がかなり多くなるとパティキュレートフィルタ６９上に堆積する微粒子の量が次第に増大し、パティキュレートフィルタ６９の圧損が増大する。
【００４０】
そこで本発明による実施例では、例えばパティキュレートフィルタ６９上の堆積微粒子量が許容最大量を越えたときには切替弁６１を順流位置から逆流位置に又はその逆に切り替えると共に、パティキュレートフィルタ６９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６９の温度を６００℃以上まで上昇し次いで６００℃以上に維持する昇温制御が行われる。この昇温制御が行われるとパティキュレートフィルタ６９上に堆積した微粒子が着火燃焼せしめられ除去される。この場合、排気ガスの流れが反転されているので、微粒子が燃焼することにより形成される灰がパティキュレートフィルタ６９から容易に除去される。
【００４１】
なお、パティキュレートフィルタ６９の温度を上昇させる方法には種々の方法がある。例えばパティキュレートフィルタ６９の端面に電気ヒータを配置して電気ヒータによりパティキュレートフィルタ６９又はパティキュレートフィルタ６９に流入する排気ガスを加熱する方法や、パティキュレートフィルタ６９上流の排気通路内に燃料を供給してこの燃料を燃焼させることによりパティキュレートフィルタ６９を加熱する方法や、内燃機関から排出される排気ガスの温度を上昇させてパティキュレートフィルタ６９の温度を上昇させる方法がある。
【００４２】
ここで、パティキュレートフィルタ６９は環状排気管６７のほぼ中央部に配置されており、即ち切替弁６１の流入ポート６２からパティキュレートフィルタ６９までの距離及びパティキュレートフィルタ６９から流出ポート６３までの距離が切替弁６１が順流位置にあるときと逆流位置にあるときとでほとんど変わらない。このことはパティキュレートフィルタ６９の状態例えば温度が切替弁６１が順流位置にあるときと逆流位置にあるときとでほとんど変わらないことを意味しており、従って切替弁６１の位置に応じた特別な制御を必要としない。
【００４３】
一方、上述したようにパティキュレートフィルタ６９内に流入する排気ガスの空燃比はリーンに維持されているので、排気ガス中のＮＯ_Ｘはパティキュレートフィルタ６９上のＮＯ_Ｘ触媒８１内に蓄えられ、ＮＯ_Ｘ触媒８１内の蓄積ＮＯ_Ｘ量は次第に増大する。
【００４４】
本発明による実施例では、例えばＮＯ_Ｘ触媒８１内の蓄積ＮＯ_Ｘ量が許容量を越えたときにはＮＯ_Ｘ触媒８１内に蓄えられているＮＯ_Ｘを還元しＮＯ_Ｘ触媒８１内の蓄積ＮＯ_Ｘ量を減少させるために還元剤供給弁７７からＮＯ_Ｘ触媒８１に還元剤を一時的に供給するようにしている。この場合、ＮＯ_Ｘ触媒８１内に流入する排気ガスの空燃比が一時的にリッチに切り替えられる。
【００４５】
ところが、切替弁６１が順流位置又は逆流位置に保持されているときにはＮＯ_Ｘ触媒８１内に多量の排気ガスが流入しており、このときＮＯ_Ｘ触媒８１内に流入する排気ガスの空燃比をリッチに切り替えるためには多量の還元剤が必要となる。これに対し、切替弁６１が順流位置から逆流位置に又は逆流位置から順流位置に切り替えられるときにはＮＯ_Ｘ触媒８１内に流入する排気ガスの量が一時的に少なくなる。即ち、切替弁６１が例えば逆流位置から順流位置に切り替えられるときには逆流方向の排気ガス流量が次第に減少し、一旦ゼロになった後に順流方向の排気ガス流量が次第に増大する。
【００４６】
そこで本発明による実施例では、ＮＯ_Ｘ触媒８１内の蓄積ＮＯ_Ｘ量が許容量を越えた後切替弁６１が順流位置から逆流位置に又は逆流位置から順流位置に切り替えられるときに還元剤供給弁７７からＮＯ_Ｘ触媒８１に還元剤を供給するようにしている。より正確には、切替弁６１が順流位置から逆流位置に切り替えられるときのＮＯ_Ｘ触媒８１内を流通する排気ガス流量がゼロになる直前か、又は切替弁６１が逆流位置から順流位置に切り替えられるときのＮＯ_Ｘ触媒８１内を流通する排気ガス流量がゼロになった直後に、還元剤が供給される。いずれの場合でも、環状排気管６７内を順流方向にわずかな量の排気ガスが流通しており、還元剤供給弁７７から供給された還元剤は順流の排気ガスによってＮＯ_Ｘ触媒８１まで運ばれ拡散される。
【００４７】
還元剤供給弁７７から供給された還元剤はまず触媒７９で部分的に酸化され或いは微粒化され、次いでＮＯ_Ｘ触媒８１に到る。その結果、ＮＯ_Ｘ触媒８１における還元剤の反応性が高くなり、ＮＯ_Ｘ触媒８１内に蓄えられたＮＯ_Ｘを還元するために必要な還元剤の量を低減することができる。
【００４８】
ところで、排気ガス中にはリンが含まれている場合があり、この場合にはパティキュレートフィルタ６９上にリン酸塩を含む微粒子が堆積することになる。このリン酸塩を含む微粒子は時間の経過と共に成長すれば、微粒子が燃焼せしめられたときに形成される灰がパティキュレートフィルタ６９から容易に離脱する。ところが、触媒７９が設けられない場合には比較的大きな液滴の形の還元剤がパティキュレートフィルタ６９内に流入することになり、このような還元剤がリン酸塩を含む微粒子に付着するとその成長が阻害され、この微粒子の灰がパティキュレートフィルタ６９から離脱ししにくくなる。このようにパティキュレートフィルタ６９上に残存する灰はパティキュレートフィルタ６９上の白金Ｐｔ粒子を覆い、パティキュレートフィルタ６９上に新たに堆積した微粒子の酸化を妨げるだけでなく、ＮＯ_Ｘ触媒８１へのＮＯ_Ｘの蓄積作用をも妨げる。
【００４９】
これに対して本発明による実施例では、上述したように還元剤供給弁７７から供給された還元剤が触媒７９により部分的に酸化され又は微粒化されており、従ってリン酸塩を含む微粒子の灰がパティキュレートフィルタ６９から容易に離脱することができる。従って、パティキュレートフィルタ６９の微粒子酸化作用及びＮＯ_Ｘ触媒８１のＮＯ_Ｘ蓄積が妨げられない。
【００５０】
また、本発明による実施例では、還元剤供給弁７７からの還元剤供給量及び還元剤供給時期をさほど精密に制御する必要がない。即ち、例えば過剰の量の還元剤が供給されたり、切替弁６１が逆流位置から順流位置に切り替えられるときに還元剤を供給する場合に還元剤供給時期が早すぎたり、切替弁６１が順流位置から逆流位置に切り替えられるときに還元剤を供給する場合に還元剤供給時期が遅すぎたりしても、このときの還元剤は触媒７６，７９，８０のいずれかに到り消費される。従って、還元剤が酸化されることなく排気管２３内に排出されることがない。
【００５１】
図５に本発明による別の実施例を示す。図５に示される実施例は触媒７９，８０が切替弁６１の流入流出ポート６５，６６に対面する環状排気管６７内に配置され、従って触媒７９が流入流出ポート６５と還元剤供給弁７７間に配置される点で図１及び図２に示される実施例と構成を異にしている。
【００５２】
図５に示される実施例においても、パティキュレートフィルタ６９又はＮＯ_Ｘ触媒８１で消費されなかった還元剤は触媒７６，７９，８０のいずれかに到り消費される。従って、この実施例においても還元剤供給弁７７からの還元剤供給量及び還元剤供給時期をさほど精密に制御する必要がない。
【００５３】
ところで、上述したように触媒７６，７８，８０をＮＯ_Ｘ触媒から形成することもできる。このようにすると触媒コンバータ２２の寸法を大きくすることなく、触媒コンバータ２２全体のＮＯ_Ｘ蓄積容量を増大させることができる。
【００５４】
この場合、例えば順流時には排気ガスはＮＯ_Ｘ触媒７９を通過した後にパティキュレートフィルタ６９内に流入し、しかもＮＯ_Ｘ触媒７９は比較的小容量であるので、短時間のうちにＮＯ_Ｘ触媒７９がＮＯ_Ｘで飽和する恐れがある。しかしながら、ＮＯ_Ｘ触媒７９が飽和したとしてもＮＯ_ＸはＮＯ_Ｘ触媒８１，８０，７６内に蓄えられ、排気管２３内に排出されることがない。逆流時も同様である。
【００５５】
一方、ＮＯ_Ｘ触媒７９及びＮＯ_Ｘ触媒８１の下流又はＮＯ_Ｘ触媒８０及びＮＯ_Ｘ触媒８１の下流に位置するＮＯ_Ｘ触媒７６内にはほとんどＮＯ_Ｘが流入せず、ＮＯ_Ｘ触媒７６内にはＮＯ_Ｘがほとんど蓄えられない。
【００５６】
そうすると、これらＮＯ_Ｘ触媒７６，７９，８０内の蓄積ＮＯ_Ｘ量を減少させるためにこれらＮＯ_Ｘ触媒７６，７９，８０のみに還元剤を供給する必要がないということになる。もっとも、上述したようにＮＯ_Ｘ触媒８１に供給された還元剤の一部がＮＯ_Ｘ触媒７６，７９，８０に到る場合があり、この還元剤によってＮＯ_Ｘ触媒７６，７９，８０内の蓄積ＮＯ_Ｘが還元され蓄積ＮＯ_Ｘ量が減少される場合がありうる。
【００５７】
これまで述べてきた実施例では、切替弁６１が順流位置と逆流位置との間で切り替えられるときに還元剤供給弁７７から還元剤を供給するようにしている。しかしながら、わずかな量の排気ガスがＮＯ_Ｘ触媒８１内を順流方向に流通する位置に切替弁６１を一時的に保持しながら還元剤供給弁７７から還元剤を供給するようにしてもよい。即ち、切替弁６１を順流位置と逆流位置との間の或る位置に保持すると、このとき内燃機関から排出された排気ガスの大部分が流入ポート６２から流出ポート６３を介し直接的に排気ガス排出管６４内に流出し、残りのわずかな一定量の排気ガスが流入流出ポート６５を介し環状排気管６７内に流入し、次いでパティキュレートフィルタ６９内を通過するようになる。従って、切替弁６１をこのような中間位置に保持すればＮＯ_Ｘ触媒８１内に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするために必要な還元剤の量を低減することができる。
【００５８】
また、これまで述べてきた実施例では、ＮＯ_Ｘ触媒８１内の蓄積ＮＯ_Ｘ量を低減するために還元剤供給弁７７からＮＯ_Ｘ触媒８１に還元剤を供給する場合に本発明を適用している。しかしながら、ＮＯ_Ｘ触媒８１内の蓄積ＳＯ_Ｘ量を低減するために還元剤供給弁７７からＮＯ_Ｘ触媒８１に還元剤を供給する場合や、パティキュレートフィルタ６９上の堆積微粒子を酸化除去すべく昇温制御を行うために還元剤供給弁７７からパティキュレートフィルタに還元剤を供給する場合にも本発明を適用することができる。
【００５９】
ここで、ＮＯ_Ｘ触媒８１内の蓄積ＳＯ_Ｘ量を低減するために還元剤供給弁７７からＮＯ_Ｘ触媒８１に還元剤を供給する場合についてもう少し詳しく説明する。排気ガス中にはイオウ分がＳＯ_Ｘの形で含まれており、ＮＯ_Ｘ触媒８１内にはＮＯ_ＸばかりでなくＳＯ_Ｘも蓄えられる。このＳＯ_ＸのＮＯ_Ｘ触媒８１内への蓄積メカニズムはＮＯ_Ｘの蓄積メカニズムと同じであると考えられる。即ち、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、ＮＯ_Ｘ触媒８１に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには上述したように酸素Ｏ_２がＯ_２ ⁻又はＯ^２−の形で白金Ｐｔの表面に付着しており、流入する排気ガス中のＳＯ_２は白金Ｐｔの表面上でＯ_２ ⁻又はＯ^２−と反応し、ＳＯ_３となる。次いで生成されたＳＯ_３は白金Ｐｔ上でさらに酸化されつつＮＯ_Ｘ触媒８１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ＳＯ_４ ⁻の形でＮＯ_Ｘ触媒８１内に拡散する。この硫酸イオンＳＯ_４ ⁻は次いでバリウムイオンＢａ^＋と結合して硫酸塩ＢａＳＯ_４を生成する。
【００６０】
この硫酸塩ＢａＳＯ_４は分解しにくく、ＮＯ_Ｘ触媒８１内に流入する排気ガスの空燃比をただ単にリッチにしてもＮＯ_Ｘ触媒８１内の硫酸塩ＢａＳＯ_４の量は減少しない。このため、時間が経過するにつれてＮＯ_Ｘ触媒８１内の硫酸塩ＢａＳＯ_４の量が増大し、その結果ＮＯ_Ｘ触媒８１が蓄えうるＮＯ_Ｘの量が減少することになる。
【００６１】
しかしながら、ＮＯ_Ｘ触媒８１の温度を５５０℃以上に維持しつつＮＯ_Ｘ触媒８１に流入する排気ガスの空燃比をリッチ又は理論空燃比にすると、ＮＯ_Ｘ触媒８１内の硫酸塩ＢａＳＯ_４が分解してＳＯ_３の形でＮＯ_Ｘ触媒８１から放出される。この放出されたＳＯ_３は排気ガス中に還元剤即ちＨＣ，ＣＯが含まれているとこれらＨＣ，ＣＯと反応してＳＯ_２に還元せしめられる。このようにしてＮＯ_Ｘ触媒８１内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量が次第に減少し、このときＮＯ_Ｘ触媒８１からＳＯ_ＸがＳＯ_３の形で流出することがない。
【００６２】
そこで、例えばＮＯ_Ｘ触媒８１内の蓄積ＳＯ_Ｘ量が許容量を越えたときにはＮＯ_Ｘ触媒８１の温度を５５０℃まで上昇し次いで５５０℃以上に維持するために、かつＮＯ_Ｘ触媒８１内の蓄積ＳＯ_Ｘ量を減少させるために還元剤供給弁７７からＮＯ_Ｘ触媒８１に還元剤を一時的に供給することができる。この場合、ＮＯ_Ｘ触媒８１内に流入する排気ガスの空燃比が一時的にリッチに切り替えられる。
【００６３】
【発明の効果】
還元剤が酸化されることなく機関排気通路内に排出されるのを阻止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】触媒コンバータの構造を示す図である。
【図３】排気ガスの流れを説明するための図である。
【図４】パティキュレートフィルタの隔壁の部分拡大断面図である。
【図５】本発明による更に別の実施例による触媒コンバータの構造を示す図である。
【符号の説明】
１…機関本体
２０ａ…排気管
２２…触媒コンバータ
６１…切替弁
６７…環状排気管
６５，６６…流入流出ポート
６９…パティキュレートフィルタ
７６，７９，８０…触媒
７７…還元剤供給弁
８１…ＮＯ_Ｘ触媒

Claims

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低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯ_Ｘを還元して蓄えているＮＯ_Ｘの量が減少するＮＯ_Ｘ触媒を、排気ガス中に含まれる微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ上に担持することによりＮＯ _Ｘ触媒担持フィルタを形成し、該ＮＯ _Ｘ触媒担持フィルタを、機関排気通路から分岐して環状に延びた後に機関排気通路に戻る環状分岐通路内に配置し、排気ガスを環状分岐通路の一端に導いて排気ガスがＮＯ _Ｘ触媒担持フィルタ内にその一側から流入しその他側から流出した後に環状分岐通路の他端から環状分岐通路の一端よりも下流の機関排気通路内に排気ガスが流出する位置と、排気ガスを環状分岐通路の他端に導いて排気ガスがＮＯ _Ｘ触媒担持フィルタ内にその他側から流入しその一側から流出した後に環状分岐通路の一端から環状分岐通路の他端よりも下流の機関排気通路内に排気ガスが流出する位置との間を切替可能な切替弁を具備した内燃機関の排気浄化装置において、前記一端とＮＯ _Ｘ触媒担持フィルタ間の環状分岐通路内にＮＯ _Ｘ触媒担持フィルタに還元剤を供給するための還元剤供給弁と、酸化能を有する触媒とを配置すると共に、前記他端とＮＯ _Ｘ触媒担持フィルタ間の環状分岐通路内にも酸化能を有する触媒を配置した内燃機関の排気浄化装置。
環状分岐通路の両端が開口する排気通路部分よりも下流の機関排気通路内にも酸化能を有する触媒を配置した請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記酸化能を有する触媒を酸化触媒から形成した請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記酸化能を有する触媒をＮＯ _Ｘ触媒から形成した請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。