JP4107320B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

共通の排気通路から分岐された第１の排気通路と第２の排気通路を具備し、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のＮＯｘを吸蔵し、流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸蔵しているＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収剤を第１の排気通路内および第２の排気通路内に夫々配置し、ＮＯｘ吸収剤上流の第１の排気通路内および第２の排気通路内に夫々燃料添加弁を配置し、ＮＯｘ吸収剤下流の第１の排気通路内および第２の排気通路内に夫々排気制御弁を配置した内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。

この内燃機関では第１の排気通路内に配置されたＮＯｘ吸収剤から吸蔵したＮＯｘを放出させるときには第１の排気通路内に配置された排気制御弁を閉弁して第１の排気通路内に排気ガスを滞留させた状態で第１の排気通路内に配置された燃料添加弁から燃料を添加することにより第１の排気通路内における排気ガスの空燃比をリッチに保持し、第２の排気通路内に配置されたＮＯｘ吸収剤から吸蔵したＮＯｘを放出させるときには第２の排気通路内に配置された排気制御弁を閉弁して第２の排気通路内に排気ガスを滞留させた状態で第２の排気通路内に配置された燃料添加弁から燃料を添加することにより第２の排気通路内における排気ガスの空燃比をリッチに保持するようにしている。
特開平７−１０２９４７号公報

しかしながらこの内燃機関では各ＮＯｘ吸収剤からＮＯｘを放出させるために２つの燃料添加弁が必要であるという問題がある。更に大きな問題は、これら燃料添加弁はエンジンからかなり離れたところに配置されており、従ってエンジンからかなり離れたところまで燃料供給管を配管しなければならないということにある。

上記問題点を解決するために本発明によれば、共通の排気通路から分岐された第１の排気通路と第２の排気通路を具備し、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のＮＯｘを吸蔵し、流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸蔵しているＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収剤を第１の排気通路内および第２の排気通路内に夫々配置した内燃機関において、第１の排気通路および第２の排気通路上流の共通の排気通路内に燃料添加弁を配置し、第１の排気通路内に配置されたＮＯｘ吸収剤および第２の排気通路内に配置されたＮＯｘ吸収剤からＮＯｘを放出すべきときには燃料添加弁から燃料を添加してこの添加された燃料により第１の排気通路内および第２の排気通路内における排気ガスの空燃比をリッチにすると共に、第１の排気通路と第２の排気通路のいずれか一方の排気通路内における排気ガスの空燃比をリッチに維持するために燃料添加弁からの燃料添加後、この一方の排気通路を一時的に閉鎖するようにしている。

良好な燃費を確保しつつ燃料添加弁の数を低減できると共に燃料添加弁の取付け位置をエンジンに近づけることができる。

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の入口はエアフローメータ８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内には電気制御式スロットル弁１０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１１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１１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の出口は排気後処理装置２０に連結される。

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１２を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１２内には電気制御式ＥＧＲ制御弁１３が配置される。また、ＥＧＲ通路１２周りにはＥＧＲ通路１２内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１４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１４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１５を介してコモンレール１６に連結される。このコモンレール１６内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ１７から燃料が供給され、コモンレール１６内に供給された燃料は各燃料供給管１５を介して燃料噴射弁３に供給される。

排気後処理装置２０は排気タービン７ｂの出口に連結された共通の排気通路２１と、この共通の排気通路２１から分岐された第１の排気通路２２ａと第２の排気通路２２ｂとを具備する。第１の排気通路２２ａ内には上流側から順に第１のＮＯｘ吸蔵還元触媒２３ａ、第１のパティキュレートフィルタ２４ａ、第１の酸化触媒２５ａ、およびアクチュエータ２７ａにより駆動される第１の排気制御弁２６ａが配置され、第２の排気通路２２ｂ内には上流側から順に第２のＮＯｘ吸蔵還元触媒２３ｂ、第２のパティキュレートフィルタ２４ｂ、第２の酸化触媒２５ｂ、およびアクチュエータ２７ｂにより駆動される第２の排気制御弁２６ｂが配置される。これら第１の排気通路２２ａおよび第２の排気通路２２ｂは第１の排気制御弁２６ａおよび第２の排気制御弁２６ｂの下流において共通の排気管２７に合流せしめられる。

また、第１の排気通路２２ａには第１のＮＯｘ吸蔵還元触媒２３ａの温度を検出するための温度センサ２８ａと、第１のパティキュレートフィルタ２４ａの前後差圧を検出するための第１の差圧センサ２９ａと、第１の酸化触媒２５ａから排出された排気ガスの温度および空燃比を夫々検出するための温度センサ３０ａおよび空燃比センサ３１ａが配置され、第２の排気通路２２ｂには第２のＮＯｘ吸蔵還元触媒２３ｂの温度を検出するための温度センサ２８ｂと、第２のパティキュレートフィルタ２４ｂの前後差圧を検出するための第２の差圧センサ２９ｂと、第２の酸化触媒２５ｂから排出された排気ガスの温度および空燃比を夫々検出するための温度センサ３０ｂおよび空燃比センサ３１ｂが配置される。

一方、図１に示されるように排気マニホルド５内に燃料添加弁３２が配置され、この燃料添加弁３２から排気マニホルド５内に燃料が添加される。本発明による実施例ではこの燃料は軽油からなる。

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および出力ポート４６を具備する。エアフローメータ８、各温度センサ２８ａ，２８ｂ，３０ａ，３０ｂ、各差圧センサ２９ａ，２９ｂ、および各空燃比センサ３１ａ，３１ｂの出力信号は夫々対応する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４９にはアクセルペダル４９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５０が接続され、負荷センサ５０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５１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３、スロットル弁１０駆動装置、ＥＧＲ制御弁１３、燃料ポンプ１７、アクチュエータ２７ａ，２７ｂおよび燃料添加弁３２に接続される。

図２はＮＯｘ吸蔵還元触媒２３ａ，２３ｂの構造を示している。図２に示される実施例ではＮＯｘ吸蔵還元触媒２３ａ，２３ｂはハニカム構造をなしており、薄肉の隔壁６０により互いに分離された複数個の排気ガス流通路６１を具備する。各隔壁６０の両側表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（Ａ）および（Ｂ）はこの触媒担体６５の表面部分の断面を図解的に示している。図３（Ａ）および（Ｂ）に示されるように触媒担体６５の表面上には貴金属触媒６６が分散して担持されており、更に触媒担体６５の表面上にはＮＯｘ吸収剤６７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６６として白金Ｐｔが用いられており、ＮＯｘ吸収剤６７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ＮＯｘ吸蔵還元触媒２３ａ，２３ｂ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、ＮＯｘ吸収剤６７は排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯｘを吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘの吸放出作用を行う。

即ち、ＮＯｘ吸収剤６７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（Ａ）に示されるように白金Ｐｔ６６上において酸化されてＮＯ₂となり、次いでＮＯｘ吸収剤６７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ＮＯｘ吸収剤６７内に拡散する。このようにしてＮＯｘがＮＯｘ吸収剤６７内に吸収される。排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔ６６の表面でＮＯ₂が生成され、ＮＯｘ吸収剤６７のＮＯｘ吸収能力が飽和しない限りＮＯ₂がＮＯｘ吸収剤６７内に吸収されて硝酸イオンＮＯ₃ ^-が生成される。

これに対し、排気ガスの空燃比がリッチ或いは理論空燃比にされると排気ガス中の酸化濃度が低下するために反応が逆方向（ＮＯ₃ ^-→ＮＯ₂）に進み、斯くして図３（Ｂ）に示されるようにＮＯｘ吸収剤６７内の硝酸イオンＮＯ₃ ^-がＮＯ₂の形でＮＯｘ吸収剤６７から放出される。次いで放出されたＮＯｘ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ＮＯｘがＮＯｘ吸収剤６７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ＮＯｘ吸収剤６７のＮＯｘ吸収能力が飽和してしまい、斯くしてＮＯｘ吸収剤６７によりＮＯｘ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ＮＯｘ吸収剤６７の吸収能力が飽和する前に燃料添加弁３２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ＮＯｘ吸収剤６７からＮＯｘを放出させるようにしている。

一方、図４（Ａ）および（Ｂ）はパティキュレートフィルタ２４ａ，２４ｂの構造を示している。なお、図４（Ａ）はパティキュレートフィルタ２４ａ，２４ｂの正面図を示しており、図４（Ｂ）はパティキュレートフィルタ２４ａ，２４ｂの側面断面図を示している。図４（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２４ａ，２４ｂ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７０，７１を具備する。これら排気流通路は下流端が栓７２により閉塞された排気ガス流入通路７０と、上流端が栓７３により閉塞された排気ガス流出通路７１とにより構成される。なお、図４（Ａ）においてハッチングを付した部分は栓７３を示している。従って排気ガス流入通路７０および排気ガス流出通路７１は薄肉の隔壁７４を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス流入通路７０および排気ガス流出通路７１は各排気ガス流入通路７０が４つの排気ガス流出通路７１によって包囲され、各排気ガス流出通路７１が４つの排気ガス流入通路７０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２４ａ，２４ｂ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７０内に流入した排気ガスは図４（Ｂ）において矢印で示されるように周囲の隔壁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。
本発明による実施例では各排気ガス流入通路７０および各排気ガス流出通路７１の周壁面、即ち各隔壁７４の両側表面上および隔壁７４内の細孔内壁面上にも例えばアルミナからなる触媒担体が担持されており、この触媒担体６５の表面上には図３（Ａ）および（Ｂ）に示されるように白金Ｐｔからなる貴金属触媒６６が分散して担持されており、ＮＯｘ吸収剤６７の層が形成されている。

従って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ＮＯｘがパティキュレートフィルタ２４ａ，２４ｂ上のＮＯｘ吸収剤６７内にも吸収される。このＮＯｘ吸収剤６７に吸収されたＮＯｘも燃料添加弁３２から燃料を添加することによって放出される。

一方、排気ガス中に含まれる粒子状物質はパティキュレートフィルタ２４ａ，２４ｂ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２４ａ，２４ｂ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２４ａ，２４ｂの温度を６００℃程度まで上昇させると堆積した粒子状物質は酸化され、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２４ａ，２４ｂ上に堆積した粒子状物質の量が許容量を越えたとき、即ち差圧センサ２９ａ，２９ｂにより検出されたパティキュレートフィルタ２４ａ，２４ｂの前後差圧ΔＰが許容値を越えたときにはパティキュレートフィルタ２４ａ，２４ｂに流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつ燃料添加弁３２から燃料を添加してこの添加された燃料の酸化反応熱によりパティキュレートフィルタ２４ａ，２４ｂ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。

なお、図１においてＮＯｘ吸蔵還元触媒２３ａ，２３ｂを省くこともできる。また、図１においてパティキュレートフィルタ２４ａ，２４ｂとして、ＮＯｘ吸収剤６７を担持していないパティキュレートフィルタを用いることもできる。ただし、第１の排気通路２２ａ内および第２の排気通路２２ｂ内のいずれにもＮＯｘ吸収剤６７が配置されていることが必要である。

さて、排気ガス中にはＮＯｘばかりでなくＳＯ₂も含まれており、このＳＯ₂は図３（Ａ），（Ｂ）に示される白金Ｐｔ６６において酸化されてＳＯ₃となる。次いでこのＳＯ₃はＮＯｘ吸収剤６７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ＮＯｘ吸収剤６７内に拡散し、安定した硫酸塩ＢａＳＯ₄を生成する。しかしながらＮＯｘ吸収剤６７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ＮＯｘ吸収剤６７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ＮＯｘ吸収剤６７が吸収しうるＮＯｘ量が低下することになる。

ところが、ＮＯｘ吸収剤６７の温度を約６００℃以上のＳＯｘ放出温度まで上昇させた状態で排気ガスの空燃比をリッチにするとＮＯｘ吸収剤６７からＳＯｘが放出される。従って本発明による実施例ではＮＯｘ吸収剤６７に吸収されているＳＯｘ量が増大したときにはＮＯｘ吸収剤６７の温度をＳＯｘ放出温度まで上昇させた状態で空燃比をリッチにするようにしている。

次に図５を参照しつつＮＯｘ吸蔵還元触媒２３ａ，２３ｂ上のＮＯｘ吸収剤６７、およびパティキュレートフィルタ２４ａ，２４ｂ上のＮＯｘ吸収剤６７からのＮＯｘの放出制御について説明する。

機関から単位時間当りに排出されるＮＯｘ量は機関の運転状態に応じて変化し、従って単位時間当りにＮＯｘ吸収剤６７に吸収されるＮＯｘ量も機関の運転状態に応じて変化する。本発明による実施例ではＮＯｘ吸収剤６７に単位時間当り吸収されるＮＯｘ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６に示すマップの形で予めＲＯＭ４２内に記憶されており、このＮＯｘ量ＮＯＸＡを積算することによって図５に示されるＮＯｘ吸収剤６７に吸収されたＮＯｘ量ΣＮＯＸが算出される。

一方、図５においてＩは第１の排気通路２２ａを示しており、IIは第２の排気通路２２ｂを示している。図５からわかるように通常は、即ちＮＯｘ量ΣＮＯＸが許容値ＭＡＸよりも低いときには第１の排気制御弁２６ａおよび第２の排気制御弁２６ｂのいずれも開弁せしめられており、第１の排気通路２２ａおよび第２の排気通路２２ｂ内のいずれもリーン空燃比の排気ガスが流通している。従ってこのときにはいずれの排気通路２２ａ，２２ｂ内のＮＯｘ吸収剤６７においても排気ガス中のＮＯｘの吸収作用が行われている。

さて、図５においてＸ１で示されるようにＮＯｘ吸収剤６７に吸収されたＮＯｘ量ΣＮＯｘが許容値ＭＡＸを越えるとＮＯｘ吸収剤６７からＮＯｘを放出すべく燃料添加弁３２から燃料が添加される。この添加燃料はミスト状、即ち微粒子状をなしており、このミスト状の添加燃料は排気ガス流に載って共通の排気通路２１ａ内を流通した後に第１の排気通路２２ａ内および第２の排気通路２２ｂ内に流入する。

第１の排気通路２２ａ内および第２の排気通路２２ｂ内に流入した添加燃料はこれら第１の排気通路２２ａ内および第２の排気通路２２ｂ内を即座に突き抜けるのではなくて、排気ガス流に対し遅れて第１の排気通路２２ａ内および第２の排気通路２２ｂ内を前進し、次いでこの燃料は第１の排気通路２２ａ内のＮＯｘ吸蔵還元触媒２３ａや、パティキュレートフィルタ２４ａや、酸化触媒２５ａおよび第２の排気通路２２ｂ内のＮＯｘ吸蔵還元触媒２３ｂや、パティキュレートフィルタ２４ｂや、酸化触媒２５ｂに一旦付着し、その後蒸発する。その結果、図５に示されるように第１の排気通路２２ａ内および第２の排気通路２２ｂ内における排気ガスの空燃比はリッチとなり、第１の排気通路２２ａ内のＮＯｘ吸収剤６７および第２の排気通路２２ｂ内のＮＯｘ吸収剤６７からＮＯｘが放出される。

ところで、本発明による実施例では図５のＸ１において燃料添加弁３２から燃料が添加されるとこの燃料添加から予め定められた第１の時間Δｔ１を経過したときに第２の排気制御弁２６ｂを全開状態に保持しつつ第１の排気制御弁２６ａが閉弁せしめられて第１の排気通路２２ａが閉鎖される。このように燃料添加が行われた後に第１の排気制御弁２６ａが閉弁せしめられると第１の排気通路２２ａ内に流入した添加燃料は第１の排気通路２２ａ内に保持される。

この場合、燃料添加弁３２からの燃料添加後、第１の排気制御弁２６ａを早く閉弁しすぎると添加燃料が第１の排気通路２２ａ内の先の方まで進まないためにＮＯｘ吸蔵還元触媒２３ａやパティキュレートフィルタ２４ａの表面を十分に利用して添加燃料を保持しえず、これに対し燃料添加後、第１の排気制御弁２６ａを遅く閉弁しすぎると蒸発した燃料が外部に排出されてしまう。即ち、第１の時間Δｔ１は燃料添加弁３２から添加された燃料を第１の排気通路２２ａ内に保持するために必要な時間である。

この場合、排気ガスの流速が早いほど、即ち吸入空気量が多いほど添加燃料は先に進むので吸入空気量が多いほど第１の排気制御弁２６ａは早く閉弁する必要がある。従って図７（Ａ）において実線で示されるように吸入空気量Ｇａが増大するほど第１の時間Δｔ１は短くされる。一方、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２３ａやパティキュレートフィルタ２４ａの温度Ｔｃ、即ちＮＯｘ吸収剤６７の温度Ｔｃが高くなるほど付着した燃料は蒸発しやすくなるので図７（Ｂ）に示されるように温度Ｔｃが高くなるほど第１の時間Δｔ１は短くされる。この第１の時間Δｔ１は吸入空気量Ｇａおよび温度Ｔｃの関数として図７（Ｃ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ４２内に記憶されている。

一方、第１の排気制御弁２６ａが閉弁せしめられ、第１の排気通路２２ａが閉鎖されてから予め定められた第２の時間Δｔ２が経過すると第１の排気制御弁２６ａが開弁せしめられ、第１の排気通路２２ａが開通せしめられる。第１の排気制御弁２６ａが閉弁している間にＮＯｘ吸蔵還元触媒２３ａやパティキュレートフィルタ２４ａに付着した燃料が蒸発して第１の排気通路２２ａ内に滞留している排気ガスの空燃比はリッチとなり、それによってＮＯｘ吸収剤６７に吸収されていたＮＯｘが放出され、還元される。従って第２の時間Δｔ２は第１の排気通路２２ａ内における排気ガスの空燃比をリッチに保持することのできる時間である。このリッチに保持される時間が長いほどＮＯｘの放出還元作用は良好となる。

なお、ＮＯｘ吸収剤６７の温度Ｔｃが高いほどＮＯｘの放出還元作用が進むので図８（Ａ）に示されるように温度Ｔｃが高くなるほど第２の時間Δｔ２は短くなる。また、排気制御弁２６ａ，２６ｂは全閉していても若干の漏れがあり、このような漏れがあるとリーン空燃比の排気ガスが第１の排気通路２２ａ内に流入してくるので第１の排気通路２２ａ内の排気ガスの空燃比がリッチからリーンに早期に切換わることになる。この場合、排気ガス量が多いほど、即ち吸入空気量Ｇａが多いほどリッチからリーンに早期に切換わるので図８（Ｂ）に示されるように吸入空気量Ｇａが増大するほど第２の時間Δｔ２は短くされる。この第２の時間Δｔ２は吸入空気量Ｇａおよび温度Ｔｃの関数として図８（Ｃ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ４２内に記憶されている。

一方、図５のＸ１において燃料添加弁３５から燃料が添加されると上述したように第２の排気通路２２ｂ内における排気ガスの空燃比もリッチになり、斯くして第２の排気通路２２ｂ内のＮＯｘ吸収剤６７からもＮＯｘが放出される。しかしながら第２の排気制御弁２６ａは全開状態に保持されているのでＮＯｘ吸蔵還元触媒２３ｂやパティキュレートフィルタ２４ｂから蒸発した燃料は第２の排気通路２２ｂ内に滞留せず、斯くしてこの場合には図５に示されるように第１の排気通路２２ａ内における排気ガスの空燃比のリッチ時間に比べてリッチ時間が短くなる。従って第２の排気通路２２ｂ内のＮＯｘ吸収剤６７からのＮＯｘ放出還元作用は第１の排気通路２２ａ内のＮＯｘ吸収剤６７からのＮＯｘ放出還元作用に比べて若干弱い。

図５のＸ２において燃料添加弁３２から燃料が添加されたときには今度は第２の排気制御弁２６ｂが燃料添加後、予め定められた第１の時間Δｔ１が経過したときに閉弁せしめられ、閉弁後予め定められた第２の時間Δｔ２が経過したときに開弁せしめられる。従ってこのときには図５に示されるように第２の排気通路２２ｂ内における排気ガスの空燃比のリッチ時間の方が第１の排気通路２２ａ内における排気ガスの空燃比のリッチ時間よりも長くなる。

一方、図５のＸ３では燃料添加後、第１の排気制御弁２６ａが一時的に閉弁せしめられる。即ち、燃料添加弁３２からの燃料添加後に一時的に閉鎖される排気通路が、ＮＯｘ吸収剤６７からＮＯｘを放出すべく排気ガスの空燃比がリッチにされる毎に第１の排気通路２２ａと第２の排気通路２２ｂとに交互に切換えられる。

本発明の特徴とするところは、燃料添加後いずれか一方の排気制御弁２６ａ，２６ｂを一時的に閉弁することによって排気ガスの空燃比がリッチに保持される時間を長くするようにした場合において、添加された燃料を第１の排気通路２２ａおよび第２の排気通路２２ｂに送り込むようにしたことにある。このように添加された燃料を第１の排気通路２２ａおよび第２の排気通路２２ｂの双方に送り込むようにすると添加された燃料を第１の排気通路２２ａ又は第２の排気通路２２ｂのいずれか一方に送り込むようにした場合に比べて燃費を向上することができる。

即ち、例えば添加された燃料を第１の排気通路２２ａ内にのみ送り込むために第１の排気制御弁２６ａを全開し、第２の排気制御弁２６ｂを閉弁した状態で燃料添加弁３２から燃料を添加し、添加された燃料が第１の排気通路２２ａに送り込まれたときに第１の排気制御弁２６ａを閉弁し、第２の排気制御弁２６ｂを開弁したとする。この場合、一見したところ全ての添加燃料が第１の排気通路２２ａ内に送り込まれ、その後第１の排気制御弁２６ａが閉弁せしめられることによって第１の排気通路２２ａ内における排気ガスの空燃比がリッチに保持されるように見える。

しかしながら実際には添加された燃料を第１の排気通路２２ａ内にのみ送り込むために第１の排気制御弁２６ａを全開し、第２の排気制御弁２６ｂを閉弁した状態で燃料添加弁３２から燃料を添加しても添加された燃料は微粒子状をなしているために添加された燃料の一部が慣性により第２の排気通路２２ｂ内に流入し、第２の排気通路２２ｂの内壁面上等に付着する。次いで第２の排気制御弁２２ｂが全開せしめられるとこの付着燃料は第２の排気通路２２ｂ内を流通せしめられる。

ところでこの場合、この付着燃料によっては第２の排気通路２２ｂ内の排気ガスの空燃比はリッチにはならず、従って第２の排気通路２２ｂ内のＮＯｘ吸収剤６７からのＮＯｘ放出作用は行われない。即ち、この場合、この付着燃料は無駄に消費されることになる。これに対し、本発明では第１の排気通路２２ａ内および第２の排気通路２２ｂ内に夫々送り込まれた添加燃料はいずれもＮＯｘ放出のために有効に使用され、斯くして燃費を向上できることになる。

次に図９を参照しつつパティキュレートフィルタ２４ａ，２４ｂの昇温制御、パティキュレートの燃焼制御およびＮＯｘ吸収剤６７からのＳＯｘ放出制御について説明する。図９に示されるように期間Ｉで示されるパティキュレートフィルタ２４ａ，２４ｂの昇温制御前には、即ち通常運転時にはＮＯｘ吸収剤６７からＮＯｘを放出するために時折燃料添加弁３２からの燃料添加が行われている。

さて、差圧センサ２９ａ，２９ｂにより検出された差圧ΔＰが許容値Ｐｏを越えると期間Ｉに亘ってパティキュレートフィルタ２４ａ，２４ｂの昇温制御が行われる。この昇温制御は図５に示されるＮＯｘ放出制御と同様に、即ち図１０に示される如く燃料添加が行われる毎に第１の排気制御弁２６ａと第２の排気制御弁２６ｂとを交互に一時的に閉弁することによって行われる。なお、この場合には排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比となる程度に燃料が添加され、添加された燃料の酸化反応熱によってパティキュレートフィルタ２４ａ，２４ｂの温度は図９においてＴｃで示されるように上昇する。この場合、各排気制御弁２６ａ，２６ｂの閉弁作用による添加燃料の滞留により添加燃料の酸化反応が促進され、それによって燃費が向上せしめられる。

パティキュレートフィルタ２４ａ，２４ｂの昇温制御が完了すると図９に示されるようにリーン空燃比のもとで期間IIに亘ってパティキュレートの燃焼制御が行われる。この燃焼制御も図５に示されるＮＯｘ放出制御と同様に、即ち図１１に示される如く燃料添加が行われる毎に第１の排気制御弁２６ａと第２の排気制御弁２６ｂとを交互に一時的に閉弁することによって行われる。この場合にはパティキュレートフィルタ２４ａ，２４ｂの温度をほぼ６００℃以上に保持するのに必要な量だけ燃料が添加される。なお、この場合には両排気制御弁２６ａ，２６ｂを全開状態に保持しておいてもよい。

パティキュレートの燃焼制御が完了すると図５に示されるように期間IIIに亘ってＮＯｘ吸収剤６７からのＳＯｘ放出制御が行われる。このＳＯｘ放出制御も図５に示されるＮＯｘ放出制御と同様に、即ち図１２に示される如く燃料添加が行われる毎に第１の排気制御弁２６ａと第２の排気制御弁２６ｂとを交互に一時的に閉弁することによって行われる。なお、この場合には排気ガスの空燃比がリッチ空燃比となるように燃料が添加され、添加された燃料によってＮＯｘ吸収剤４７からのＳＯｘの放出作用が行われる。従って図９に示されるようにＳＯｘ放出制御が行われるとＮＯｘ吸収剤６７に吸収されている吸収ＳＯｘ量が次第に減少する。この場合、各排気制御弁２６ａ，２６ｂの閉弁作用による添加燃料の滞留によりＳＯｘの放出作用が促進され、それによって燃費が向上せしめられる。

図１３および図１４は排気浄化処理ルーチンを示している。
図１３および図１４を参照するとまず初めにステップ１００において図６に示すマップから単位時間当り吸収されるＮＯｘ量ＮＯＸＡが算出される。次いでステップ１０１ではこのＮＯＸＡがＮＯｘ吸収剤６７に吸収されているＮＯｘ量ΣＮＯＸに加算される。次いでステップ１０２では吸収ＮＯｘ量ΣＮＯＸが許容値ＭＡＸを越えたか否かが判別され、ΣＮＯＸ＞ＭＡＸとなったときにはステップ１０３に進んで第１の排気制御弁２６ａを一時的に閉弁すべきであることを示すフラグＩがセットされているか否かが判別される。

ステップ１０３においてフラグＩがセットされていると判断されたとき、即ち第１の排気制御弁２６ａを一時的に閉弁すべきときにはステップ１０４に進んでフラグＩがリセットされる。次いでステップ１０５では温度センサ２８ａおよび温度センサ３０ａにより検出された温度の一方又は双方から推定されるＮＯｘ吸蔵還元触媒２３ａおよびパティキュレートフィルタ２４ａの代表温度Ｔｃとエアフローメータ８により検出された吸入空気量Ｇａとに基づいて図７（Ｃ）に示すマップから第１の時間Δｔ１が算出される。次いでステップ１０６では温度センサ２８ａおよび温度センサ３０ａにより検出された温度の一方又は双方から推定されるＮＯｘ吸蔵還元触媒２３ａおよびパティキュレートフィルタ２４ａの代表温度Ｔｃとエアフローメータ８により検出された吸入空気量Ｇａとに基づいて図８（Ｃ）に示すマップから第２の時間Δｔ２が算出される。次いでステップ１０７に進む。

ステップ１０７では図５に示されるようにまず初めに燃料添加弁３２から燃料、即ち軽油が添加されると共にＮＯｘ量ΣＮＯＸが零とされる。次いでステップ１０５において算出された第１の時間Δｔ１が経過したときに第１の排気制御弁２６ａが閉弁される。次いでステップ１０６において算出された第２の時間Δｔ２が経過したときに第１の排気制御弁２６ａが開弁される。

一方、ステップ１０３においてフラグＩがセットされていないと判断されたとき、即ち第２の排気制御弁２６ｂを一時的に閉弁すべきときにはステップ１０８に進んでフラグＩがセットされる。次いでステップ１０９では温度センサ２８ｂおよび温度センサ３０ｂにより検出された温度の一方又は双方から推定されるＮＯｘ吸蔵還元触媒２３ｂおよびパティキュレートフィルタ２４ｂの代表温度Ｔｃとエアフローメータ８により検出された吸入空気量Ｇａとに基づいて図７（Ｃ）に示すマップから第１の時間Δｔ１が算出される。次いでステップ１１０では温度センサ２８ｂおよび温度センサ３０ｂにより検出された温度の一方又は双方から推定されるＮＯｘ吸蔵還元触媒２３ｂおよびパティキュレートフィルタ２４ｂの代表温度Ｔｃとエアフローメータ８により検出された吸入空気量Ｇａとに基づいて図８（Ｃ）に示すマップから第２の時間Δｔ２が算出される。次いでステップ１０７に進む。

ステップ１０７では図６に示されるようにまず初めに燃料添加弁３２から燃料、即ち軽油が添加されると共にＮＯｘ量ΣＮＯＸが零とされる。次いでステップ１０９において算出された第１の時間Δｔ１が経過したときに第２の排気制御弁２６ｂが閉弁される。次いでステップ１１０において算出された第２の時間Δｔ２が経過したときに第２の排気制御弁２６ｂが開弁される。

次いでステップ１１１では差圧センサ２９ａ，２９ｂにより検出された差圧ΔＰが許容値Ｐｏを越えたか否かが判別される。差圧ΔＰが許容値Ｐｏを越えたときにはステップ１１２に進んで図９に示す期間Ｉに亘りパティキュレートフィルタ２４ａ，２４ｂの昇温制御が行われる。次いでステップ１１３に進んで図９に示す期間IIに亘りパティキュレートの燃焼制御が行われ、次いでステップ１１４では図９に示す期間IIIに亘りＳＯｘ放出制御が行われる。

図１５（Ａ），（Ｂ）に夫々別の変形例を示す。
図１５（Ａ）に示す例では第１の排気通路２２ａの下流端と第２の排気通路２２ｂの下流端の排気通路２７への合流部に一個の排気制御弁２６が配置され、この一個の排気制御弁２６によって実線で示されるように第１の排気通路２２ａと第２の排気通路２２ｂが共に開通している状態と、破線ａで示されるように第１の排気通路２２ａのみが閉鎖されている状態と、破線ｂで示されるように第２の排気通路２２ｂのみが閉鎖されている状態との３つの状態に切換えられる。

図１５（Ｂ）に示す例では第１のＮＯｘ吸蔵還元触媒２３ａ上流の第１の排気通路２２ａに第１の排気制御弁２６ａが配置され、第２のＮＯｘ吸蔵還元触媒２３ｂ上流の第２の排気通路２２ｂに第２の排気制御弁２６ｂが配置される。この場合でも添加した燃料が第１のＮＯｘ吸蔵還元触媒２３ａおよび第１のパティキュレートフィルタ２４ａに付着したときに第１の排気制御弁２６ａを閉弁すれば第１の排気通路２２ａ内の排気ガスはリッチに保持され、添加した燃料が第２のＮＯｘ吸蔵還元触媒２３ｂおよび第２のパティキュレートフィルタ２４ｂに付着したときに第２の排気制御弁２６ｂを閉弁すれば第２の排気通路２２ｂ内の排気ガスはリッチに保持される。

圧縮着火式内燃機関の全体図である。 ＮＯｘ吸蔵還元触媒の側面断面図である。 触媒担体の表面部分の断面図である。 パティキュレートフィルタの構造を示す図である。 燃料添加のタイミングと排気制御弁の開閉弁時期を示すタイムチャートである。 吸収ＮＯｘ量ＮＯＸＡのマップを示す図である。 第１の時間Δｔ１を示す図である。 第２の時間Δｔ２を示す図である。 パティキュレートフィルタの昇温制御等を示すタイムチャートである。 燃料添加のタイミングと排気制御弁の開閉弁時期を示すタイムチャートである。 燃料添加のタイミングと排気制御弁の開閉弁時期を示すタイムチャートである。 燃料添加のタイミングと排気制御弁の開閉弁時期を示すタイムチャートである。 排気浄化処理を行うためのフローチャートである。 排気浄化処理を行うためのフローチャートである。 圧縮着火式内燃機関の変形例を示す図である。

符号の説明

５ 排気マニホルド
２０ 排気後処理装置
２１，２７ 共通の排気通路
２２ａ 第１の排気通路
２２ｂ 第２の排気通路
２３ａ 第１のＮＯｘ吸蔵還元触媒
２３ｂ 第２のＮＯｘ吸蔵還元触媒
２４ａ 第１のパティキュレートフィルタ
２４ｂ 第２のパティキュレートフィルタ
２５ａ 第１の酸化触媒
２５ｂ 第２の酸化触媒
２６ａ 第１の排気制御弁
２６ｂ 第２の排気制御弁
３２ 燃料添加弁

Claims (14)

1. 共通の排気通路から分岐された第１の排気通路と第２の排気通路を具備し、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のＮＯｘを吸蔵し、流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸蔵しているＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収剤を第１の排気通路内および第２の排気通路内に夫々配置した内燃機関において、第１の排気通路および第２の排気通路上流の上記共通の排気通路内に燃料添加弁を配置し、第１の排気通路内に配置されたＮＯｘ吸収剤および第２の排気通路内に配置されたＮＯｘ吸収剤からＮＯｘを放出すべきときには燃料添加弁から燃料を添加して該添加された燃料により第１の排気通路内および第２の排気通路内における排気ガスの空燃比をリッチにすると共に、第１の排気通路と第２の排気通路のいずれか一方の排気通路内における排気ガスの空燃比をリッチに維持するために燃料添加弁からの燃料添加後、該一方の排気通路を一時的に閉鎖するようにした内燃機関の排気浄化装置。
2. 燃料添加弁からの燃料添加後に一時的に閉鎖される一方の排気通路が、ＮＯｘ吸収剤からＮＯｘを放出すべく排気ガスの空燃比がリッチにされる毎に第１の排気通路と第２の排気通路とに交互に切換えられる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 第１の排気通路および第２の排気通路内に夫々上記ＮＯｘ吸収剤を担持したＮＯｘ吸蔵還元触媒が配置されている請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 第１の排気通路および第２の排気通路内に夫々上記ＮＯｘ吸収剤を担持したパティキュレートフィルタが配置されている請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 第１の排気通路および第２の排気通路を閉鎖させるために少なくとも一つの排気制御弁を備えている請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 上記一方の排気通路は燃料添加弁から燃料が添加された後、予め定められた第１の時間が経過したときに閉鎖されると共に、該閉鎖後予め定められた第２の時間が経過したときに開通せしめられる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 上記第１の時間は燃料添加弁から添加された燃料を上記一方の排気通路内に保持するために必要な時間である請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 上記第１の時間は吸入空気量が増大するほど短くなる請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 上記第１の時間はＮＯｘ吸収剤の温度が高くなるほど短くなる請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
10. 上記第２の時間は上記一方の排気通路内における排気ガスの空燃比がリッチに保持されている時間である請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
11. 上記第２の時間は吸入空気量が増大するほど短くなる請求項１０に記載の内燃機関の排気浄化装置。
12. 上記第２の時間はＮＯｘ吸収剤の温度が高くなるほど短くなる請求項１０に記載の内燃機関の排気浄化装置。
13. 第１の排気通路および第２の排気通路内に夫々パティキュレートフィルタが配置されており、パティキュレートフィルタを昇温すべきときに燃料添加弁から燃料を添加すると共に、第１の排気通路と第２の排気通路のいずれか一方の排気通路を燃料添加弁からの燃料添加後、一時的に閉鎖するようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
14. ＮＯｘ吸収剤からＳＯｘを放出すべきときにも燃料添加弁から燃料を添加して該添加された燃料により第１の排気通路内および第２の排気通路内における排気ガスの空燃比をリッチにすると共に、第１の排気通路と第２の排気通路のいずれか一方の排気通路内における排気ガスの空燃比をリッチに維持するために燃料添加弁からの燃料添加後、上記一方の排気通路が一時的に閉鎖される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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