JP2004084608A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】大気中に排出されるサルフェートの量を低減する。
【解決手段】燃焼室内で燃焼せしめられる混合気の空燃比がリーンに維持される内燃機関の排気通路内にＮＯＸ触媒を配置し、ＮＯＸ触媒下流の排気通路内に酸化能を有する補助触媒を配置する。ＮＯＸ触媒内の蓄積ＮＯＸ量を表すＱＮが許容値ＱＮＡよりも大きくなると、ＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元しＮＯＸ触媒内の蓄積ＮＯＸ量を減少させるために、ＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの空燃比ＡＦＮを一時的にリッチ空燃比に切り替える、ＮＯＸのためのリッチスパイクを行う。硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒内に蓄えられているＳＯＸの量を求め、硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒内に蓄えられているＳＯＸの量が多いときには少ないときに比べて、ＮＯＸのためのリッチスパイクにおけるリッチ空燃比ＡＦＲを小さくする。
【選択図】 図３
【解決手段】燃焼室内で燃焼せしめられる混合気の空燃比がリーンに維持される内燃機関の排気通路内にＮＯＸ触媒を配置し、ＮＯＸ触媒下流の排気通路内に酸化能を有する補助触媒を配置する。ＮＯＸ触媒内の蓄積ＮＯＸ量を表すＱＮが許容値ＱＮＡよりも大きくなると、ＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元しＮＯＸ触媒内の蓄積ＮＯＸ量を減少させるために、ＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの空燃比ＡＦＮを一時的にリッチ空燃比に切り替える、ＮＯＸのためのリッチスパイクを行う。硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒内に蓄えられているＳＯＸの量を求め、硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒内に蓄えられているＳＯＸの量が多いときには少ないときに比べて、ＮＯＸのためのリッチスパイクにおけるリッチ空燃比ＡＦＲを小さくする。
【選択図】 図３
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】
従来より、リーン空燃比のもとで継続して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ＮＯＸ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ＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置し、ＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元しＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させるために、ＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチ空燃比に切り替えるリッチスパイクを行うようにした内燃機関の排気浄化装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、ＮＯＸ触媒内にはＮＯＸだけでなくイオウ例えばＳＯＸが硫酸塩の形で蓄えられ、硫酸塩の形でＮＯＸ触媒内に蓄えられているＳＯＸの量を減少させるためには、ＮＯＸ触媒の温度を例えば５５０℃以上に維持しかつＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチに切り替えることが必要であることも知られている（例えば、特許文献１参照）。これによれば、ＮＯＸ触媒の温度が高くても流入排気ガスの空燃比がリーンであったり、流入排気ガスの空燃比がリッチであってもＮＯＸ触媒の温度が低かったりすると、ＮＯＸ触媒からＳＯＸは排出されないということになる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１５５７２４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、本願発明者によれば、ＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの平均空燃比がリーンに維持されていてもＮＯＸ触媒の温度が高くなると、ＮＯＸ触媒から流出する排気ガス中のＳＯＸ濃度がＮＯＸ触媒内に流入する排気ガス中のＳＯＸ濃度よりも一時的に高くなることが確認されている。このことは、ＮＯＸ触媒の温度が高くなるとＮＯＸ触媒内に蓄えられているＳＯＸが排出され、このＳＯＸは硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒内に蓄えられているということを意味している。
【０００６】
しかしながら、このとき流入排気ガスの空燃比がリーンであると、硫酸塩を形成することなく蓄えられているＳＯ２がＮＯＸ触媒内でサルフェートＳＯ３に酸化され、サルフェートＳＯ３の形でＮＯＸ触媒から排出される恐れがある。ＮＯＸ触媒からＳＯ２のまま排出されたとしても、ＮＯＸ触媒下流に酸化能を有する触媒が配置されている場合には、この補助触媒内でサルフェートＳＯ３に酸化される恐れがある。
【０００７】
そこで本発明の目的は、大気中に排出されるサルフェートの量を低減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。
【０００８】
【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継続して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ＮＯＸ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ＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置し、該ＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元し該ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させるために、ＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチ空燃比に切り替えるリッチスパイクを行うようにした内燃機関の排気浄化装置において、硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウの量を求め、該硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウの量が多いときには少ないときに比べて、ＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元し該ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させるためのリッチスパイクにおけるリッチ空燃比を小さくするようにしている。
【０００９】
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継続して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ＮＯＸ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ＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置し、該ＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元し該ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させるために、ＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの空燃比をリッチ保持時間だけリッチ空燃比に切り替えるリッチスパイクを行うようにした内燃機関の排気浄化装置において、硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウの量を求め、該硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウの量が多いときには少ないときに比べて、ＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元し該ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させるためのリッチスパイクにおけるリッチ保持時間を長くするようにしている。
【００１０】
また、前記課題を解決するために３番目の発明によれば、リーン空燃比のもとで継続して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ＮＯＸ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ＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置し、該ＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元し該ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させるために、ＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチ空燃比に切り替えるリッチスパイクを行うようにした内燃機関の排気浄化装置において、硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウの量を求め、該硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウの量が多いときには少ないときに比べて、ＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元し該ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させるためのリッチスパイクの時間間隔を短くするようにしている。
【００１１】
また、４番目の発明によれば１番目から３番目の発明のうちいずれか一つにおいて、ＮＯＸ触媒内に流入するイオウの量を求め、該ＮＯＸ触媒内に流入するイオウの量に基づいて前記硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウの量を求めるようにしている。
【００１２】
また、５番目の発明によれば１番目から３番目の発明のうちいずれか一つにおいて、ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を求め、該ＮＯＸの量が許容量よりも多くなったときに、ＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元し該ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させるためのリッチスパイクを行うようにしている。
【００１３】
また、６番目の発明によれば１番目から３番目の発明のうちいずれか一つにおいて、前記ＮＯＸ触媒が、流入する排気ガス中の微粒子を捕集するパティキュレートフィルタ上に担持されている。
【００１４】
また、７番目の発明によれば１番目から３番目の発明のうちいずれか一つにおいて、前記ＮＯＸ触媒下流の排気通路内に酸化能を有する補助触媒を配置している。
【００１５】
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のような還元剤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。
【００１６】
【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。
【００１７】
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。本発明による実施例では、スロットル開度はほぼ全ての運転領域において最大開度に維持され、要求負荷Ｌがかなり小さくなると最大開度よりも小さくされ、要求負荷Ｌがゼロになると小さなアイドル開度にされる。
【００１８】
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の入口に連結され、排気タービン２１の出口は排気管２０ａを介してケーシング２２ａに連結される。ケーシング２２ａ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２２ｂが収容され、パティキュレートフィルタ２２ｂ上には後述するようにＮＯＸ触媒２２が担持されている。また、触媒コンバータ２２は排気管２０ｂを介してケーシング２３ａに連結され、このケーシング２３ａ内には酸化能を有する補助触媒２３が収容される。この場合、ＮＯＸ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比はパティキュレートフィルタ２２ｂ内に流入する排気ガスの空燃比に一致し、ＮＯＸ触媒２２の温度もパティキュレートフィルタ２２ｂの温度に一致する。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。パティキュレートフィルタ２２ｂ上流の排気管２０ａには排気管２０ａ内の圧力、即ち機関背圧を検出するための圧力センサ４９が取り付けられ、圧力センサ４９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。また、ＮＯＸ触媒２２下流の排気管２０ｂ内にはＮＯＸ触媒２２から流出した排気ガスの温度を検出するための温度センサ５０が取り付けられ、温度センサ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。この排気ガスの温度はＮＯＸ触媒２２の温度を表している。アクセルペダル５１にはアクセルペダル５１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５２が接続され、負荷センサ５２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５３が接続される。ＣＰＵ４４ではクランク角センサ５３からの出力パルスに基づいて機関回転数Ｎが算出される。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、及び燃料ポンプ２８にそれぞれ接続される。
【００２２】
パティキュレートフィルタ２２ａの隔壁上即ち例えば隔壁の両側面及び細孔内壁面上には、ＮＯＸ触媒２２がそれぞれ担持されている。このＮＯＸ触媒２２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。
【００２３】
ＮＯＸ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ＮＯＸ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ＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量を減少させる蓄積還元作用を行う。
【００２４】
ＮＯＸ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。
【００２５】
即ち、ＮＯＸ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Ｏ２がＯ２ −又はＯ２−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の表面に付着し白金Ｐｔの表面上でＯ２ −又はＯ２−と反応し、ＮＯ２となる（ＮＯ＋Ｏ２→ＮＯ２＋Ｏ＊、ここでＯ＊は活性酸素）。次いで生成されたＮＯ２の一部は白金Ｐｔ上でさらに酸化されつつＮＯＸ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ＮＯ３ −の形でＮＯＸ触媒内に拡散する。このようにしてＮＯＸがＮＯＸ触媒内に蓄えられる。
【００２６】
これに対し、ＮＯＸ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ＮＯ２の生成量が低下し、反応が逆方向（ＮＯ３ −→ＮＯ＋２Ｏ＊）に進み、斯くしてＮＯＸ触媒内の硝酸イオンＮＯ３ −がＮＯの形でＮＯＸ触媒から放出される。この放出されたＮＯＸ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ＮＯＸが存在しなくなるとＮＯＸ触媒から次から次へとＮＯＸが放出されて還元され、ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量が次第に減少する。
【００２７】
なお、硝酸塩を形成することなくＮＯＸを蓄え、ＮＯＸを放出することなくＮＯＸを還元することも可能であると考えられている。また、活性酸素Ｏ＊に着目すれば、ＮＯＸ触媒はＮＯＸの蓄積及び放出に伴って活性酸素Ｏ＊を生成する活性酸素生成触媒と見ることもできる。
【００２８】
一方、補助触媒２３は本発明による実施例では、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例えば白金Ｐｔを含む貴金属触媒から形成される。しかしながら、補助触媒２３を上述したＮＯＸ触媒から形成してもよい。
【００２９】
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、従ってＮＯＸ触媒２２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。その結果、排気ガス中のＮＯＸはＮＯＸ触媒２２内に蓄えられる。
【００３０】
時間の経過と共にＮＯＸ触媒２２内の蓄積ＮＯＸ量は次第に増大する。そこで本発明による実施例では、ＮＯＸ触媒２２内の蓄積ＮＯＸ量を求め、ＮＯＸ触媒２２内の蓄積ＮＯＸ量がＮＯＸ許容量を越えたときには、ＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＮＯＸを還元しＮＯＸ触媒２２内の蓄積ＮＯＸ量を減少させるために、ＮＯＸ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチに切り替えるリッチスパイクを行うようにしている。以下では、ＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＮＯＸを還元しＮＯＸ触媒２２内の蓄積ＮＯＸ量を減少させるためのリッチスパイクを、単にＮＯＸのためのリッチスパイクと称することにする。
【００３１】
具体的に説明すると、単位時間当たりＮＯＸ触媒２２内に蓄えられるＮＯＸの量は単位時間当たりＮＯＸ触媒２２内に流入するＮＯＸの量に依存し、この単位時間当たりＮＯＸ触媒２２内に流入するＮＯＸの量は単位時間当たり内燃機関から排出されるＮＯＸの量即ち排出ＮＯＸ量ｄＱＮに依存する。排出ＮＯＸ量ｄＱＮは機関運転状態例えば要求負荷Ｌ及び機関回転数に依存し、即ち要求負荷Ｌが高くなるにつれて排出ＮＯＸ量ｄＱＮが増大し、機関回転数Ｎが高くなるにつれて排出ＮＯＸ量ｄＱＮが増大する。
【００３２】
従って、排出ＮＯＸ量ｄＱＮに処理サイクル時間Δｔを乗算したものを積算して得られる積算値ＱＮは、ＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＮＯＸの量を表していることになる。以下では、この積算値ＱＮをＮＯＸカウント値と称することにする。なお、排出ＮＯＸ量ｄＱＮが予め実験により求められており、要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎの関数として図２に示されるマップの形で予めＲＯＭ４２内に記憶されている。
【００３３】
図３に矢印Ｘで示されるように、ＮＯＸカウント値ＱＮが上述したＮＯＸ許容量に相当するＮＯＸ許容値ＱＮＡよりも大きくなると、ＮＯＸ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比ＡＦＮがリッチ空燃比ＡＦＲに切り替えられ、リッチ保持時間ｔＲだけリッチ空燃比ＡＦＲに保持された後に、リーンに戻される。このようにしてＮＯＸのためのリッチスパイクが行われる。なお、流入排気ガスの空燃ＡＦＮがリーンに戻されるとＮＯＸカウント値ＱＮがクリアされる（ＱＮ＝０）。
【００３４】
図３からも明らかなように、ＮＯＸカウント値ＱＮがＮＯＸ許容値ＱＮＡを越える毎にＮＯＸのためのリッチスパイクが行われる。この場合、ＮＯＸ許容値ＱＮＡを小さくすればリッチスパイクの時間間隔ＩＮＴが短くなり、ＮＯＸ許容値ＱＮＡを大きくすれば時間間隔ＩＮＴが長くなる。従って、ＮＯＸ許容値ＱＮＡはリッチスパイクの時間間隔ＩＮＴを表しているということになる。
【００３５】
ＮＯＸ触媒２２内への流入排気ガスの空燃比ＡＦＮを一時的にリッチに切り替えるリッチスパイクには様々な方法があり、例えば燃焼室５から排出される排気ガスの空燃比を一時的にリッチに切り替える方法や、ＮＯＸ触媒２２上流の排気通路内に追加の燃料ないし還元剤を一時的に噴射する方法がある。ここで、燃焼室５から排出される排気ガスの空燃比をリッチに切り替えるために、例えば燃焼室５内で燃焼せしめられる混合気の空燃比をリッチに切り替えることもできるし、又は圧縮上死点付近で行われる主燃料に加えて膨張行程中又は排気行程中に追加の燃料を噴射することもできる。本発明による実施例では、膨張行程中又は排気行程中に追加の燃料を一時的に噴射することによりリッチスパイクを行うようにしている。
【００３６】
ところで、排気ガス中にはイオウ分がＳＯＸの形で含まれており、ＮＯＸ触媒２２内にはＮＯＸばかりでなくＳＯＸも蓄えられる。このＳＯＸのＮＯＸ触媒２２内への蓄積メカニズムはＮＯＸ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、ＮＯＸ触媒２２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Ｏ２がＯ２ −又はＯ２−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ＳＯ２は白金Ｐｔの表面に付着し白金Ｐｔの表面上でＯ２ −又はＯ２−と反応し、ＳＯ３となる。次いで生成されたＳＯ３は白金Ｐｔ上でさらに酸化されつつＮＯＸ触媒２２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 −の形でＮＯＸ触媒２２内に拡散する。この硫酸イオンＳＯ４ −は次いでバリウムイオンＢａ＋と結合して硫酸塩ＢａＳＯ４を生成する。
【００３７】
この硫酸塩ＢａＳＯ４は分解しにくく、ＮＯＸ触媒２２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ＮＯＸ触媒２２内の硫酸塩ＢａＳＯ４の量は減少しない。このため、時間が経過するにつれてＮＯＸ触媒２２内の硫酸塩ＢａＳＯ４の量が増大し、その結果ＮＯＸ触媒２２が蓄えうるＮＯＸの量が減少することになる。
【００３８】
ところが、ＮＯＸ触媒２２の温度を例えば５５０℃以上に維持しつつＮＯＸ触媒２２に流入する排気ガスの平均空燃比を理論空燃比又はリッチにすると、ＮＯＸ触媒２２内の硫酸塩ＢａＳＯ４が分解してＳＯ３の形でＮＯＸ触媒２２から放出される。この放出されたＳＯ３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ＳＯ２に還元せしめられる。このようにしてＮＯＸ触媒２２内に硫酸塩ＢａＳＯ４の形で蓄えられているＳＯＸの量が次第に減少し、このときＮＯＸ触媒２２からＳＯＸがＳＯ３の形で流出することがない。
【００３９】
そこで本発明による実施例では、硫酸塩の形でＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を求め、このＳＯＸの量が予め定められたＳＯＸ許容量を越えたときには、硫酸塩の形でＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を減少させるために、ＮＯＸ触媒２２の温度を例えば５５０℃以上に維持しながら、ＮＯＸ触媒２２に流入する排気ガスの平均空燃比をわずかばかりリッチにするリッチスパイクを行うようにしている。
【００４０】
具体的に説明すると、硫酸塩の形でＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量は単位時間当たりＮＯＸ触媒２２内に流入するＳＯＸの量の積算値に依存し、単位時間当たりＮＯＸ触媒２２内に流入するＳＯＸの量は燃料噴射弁６から噴射された燃料の量に依存する。従って、一定時間内に燃料噴射弁６から噴射された燃料及び追加の燃料の合計量ＱＦを積算して得られる積算値ＱＳは、硫酸塩の形でＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を表していることになる。以下では、この積算値ＱＳをＳＯＸカウント値と称することにする。
【００４１】
このＳＯＸカウント値ＱＳが上述したＳＯＸ許容量に相当するＳＯＸ許容値ＱＳＡよりも大きくなると、硫酸塩の形でＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を減少させるため、ＮＯＸ触媒２２の温度を例えば５５０℃まで上昇させ保持しながらリッチスパイクが行われる。ＮＯＸ触媒２２の温度を上昇させる方法にも様々な方法があり、例えばＮＯＸ触媒２２の上流端に電気ヒータを配置して電気ヒータによりＮＯＸ触媒２２又はＮＯＸ触媒２２に流入する排気ガスを加熱する方法や、ＮＯＸ触媒２２上流の排気通路内に燃料を二次的に噴射してこの燃料を燃焼させることによりＮＯＸ触媒２２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ＮＯＸ触媒２２の温度を上昇させる方法がある。ここで、内燃機関から排出される排気ガスの温度を上昇させるために、例えば主燃料を遅角して噴射することもできるし、又は主燃料に加えて膨張行程中又は排気行程中に追加の燃料を噴射することもできる。本発明による実施例では、膨張行程中又は排気行程中に追加の燃料を噴射することにより、ＮＯＸ触媒２２の温度を５５０℃以上に上昇し保持するようにしている。
【００４２】
一方、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２２ｂ上に捕集される。上述したように図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、ＮＯＸ触媒２２は酸化能を有しているので、パティキュレートフィルタ２２ｂ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２２ｂ上で微粒子が酸化せしめられ除去される。
【００４３】
この場合、上述したＮＯＸ触媒２２のＮＯＸの蓄積還元メカニズムによれば、ＮＯＸ触媒２２内にＮＯＸが蓄えられるときにもＮＯＸが放出されるときにも活性酸素が生成される。この活性酸素は酸素Ｏ２よりも活性が高く、従ってパティキュレートフィルタ２２ｂ上に堆積している微粒子を速やかに酸化する。即ち、パティキュレートフィルタ２２ｂ上にＮＯＸ触媒２２を担持させると、パティキュレートフィルタ２２ｂ内に流入する排気ガスの空燃比がリーンであろうとリッチであろうとパティキュレートフィルタ２２ｂ上に堆積している微粒子が酸化される。このようにして微粒子が連続的に酸化される。
【００４４】
ところが、パティキュレートフィルタ２２ｂ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２２ｂ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２２ｂ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２２ｂの圧損が増大する。
【００４５】
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２２ｂ上の堆積微粒子量が微粒子許容量を越えたときには、パティキュレートフィルタ２２ｂに流入する排気ガスの空燃比ＡＦＮをリーンに維持しつつパティキュレートフィルタ２２ｂの温度を例えば６００℃以上まで上昇し維持する微粒子酸化作用を行うようにしている。この微粒子酸化作用が行われると、パティキュレートフィルタ２２ｂ上に堆積した微粒子が着火燃焼せしめられ除去される。なお、本発明による実施例では、圧力センサ４９により検出される機関背圧が許容値を越えたときにパティキュレートフィルタ２２ｂ上の堆積微粒子量が微粒子許容量を越えたと判断される。
【００４６】
ところが、冒頭で述べたように、ＮＯＸ触媒２２内に流入する排気ガスの平均空燃比ＡＦＮがリーンに維持されていてもＮＯＸ触媒２２の温度が高くなると、ＮＯＸ触媒２２から流出する排気ガス中のＳＯＸ濃度がＮＯＸ触媒２２内に流入する排気ガス中のＳＯＸ濃度よりも一時的に高くなることが確認されている。このことは、ＮＯＸ触媒２２の温度が高くなるとＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸが排出され、このＳＯＸは硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているということを意味している。
【００４７】
このＳＯＸがどのような形でＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているのかは必ずしも明らかではないが、次のようにして蓄えられていると考えられる。即ち、上述したようにＮＯＸ触媒２２内に流入する排気ガス中のＳＯ２はまず例えば白金Ｐｔ表面上に付着した後に硫酸塩の形で蓄えられる。硫酸塩の形でＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量が少ないときには、白金Ｐｔ表面上に付着したＳＯ２は比較的容易に硫酸塩を形成する。ところが、硫酸塩の形で蓄えられているＳＯＸの量が多くなると、白金Ｐｔ表面上に付着しているＳＯ２が硫酸塩を形成しにくくなり、ＳＯ２のまま白金Ｐｔ表面上に付着し続ける。このようにしてＳＯＸが硫酸塩を形成することなく蓄えられる。このように、ＮＯＸ触媒２２内には硫酸塩の形で蓄えられるＳＯＸもあれば、硫酸塩を形成することなく蓄えられるＳＯＸもあるということになる。
【００４８】
例えば微粒子酸化作用が開始されてＮＯＸ触媒２２の温度が例えば３００℃以上になると、硫酸塩を形成することなく蓄えられているＳＯ２がＮＯＸ触媒２２から排出される。このときＮＯＸ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比がリーンに維持されているので、このＳＯ２はＮＯＸ触媒２２内か又は補助触媒２３内でサルフェートＳＯ３に酸化される恐れがある。
【００４９】
一方、このように硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸは、ＮＯＸ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比ＡＦＮがリッチになると、ＮＯＸ触媒２２の温度が比較的低くても、ＳＯ２の形でＮＯＸ触媒２２から排出される。また、ＮＯＸ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比ＡＦＮがリッチのときには、補助触媒２３内に流入する排気ガスの空燃比もリッチになっており、従ってＮＯＸ触媒２２から排出されたＳＯ２が補助触媒２３内でもサルフェートＳＯ３まで酸化されない。
【００５０】
従って、硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を減少させるためのリッチスパイクを周期的に行えば、大気中に排出されるサルフェートＳＯ３の量を低減できることになる。しかしながら、このためだけにリッチスパイクを行うのは、燃料消費率の観点から好ましくない。
【００５１】
そこで本発明による実施例では、ＮＯＸのためのリッチスパイクでもって、硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を減少させるようにしている。即ち、ＮＯＸのためのリッチスパイクを行ったときの排気ガス中に、ＮＯＸ触媒２２内のＮＯＸを還元しＮＯＸ触媒２２内の蓄積ＮＯＸ量を例えばほぼゼロにするのに必要な量の還元剤例えば未燃ＨＣ及びＣＯだけでなく、硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を目標値例えばほぼゼロまで減少させるのに必要な量の還元剤が含まれるように、ＮＯＸのためのリッチスパイクが行われる。
【００５２】
言い換えると、ＮＯＸのためのリッチスパイクと、硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を減少させるためのリッチスパイクとが同期して行われるということになる。或いは、ＮＯＸのためのリッチスパイクがＮＯＸ触媒２２内の蓄積ＮＯＸ量に応じて行われることを考えると、硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を減少させるためのリッチスパイクを、ＮＯＸ触媒２２内の蓄積ＮＯＸ量に応じて行うようにしているという見方もできる。
【００５３】
ＮＯＸのためのリッチスパイクは比較的頻繁に行われ、従って硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を少なく維持することができることになる。その結果、パティキュレートフィルタ２２ｂの微粒子酸化作用がどのようなタイミングで行われても、このとき大気中に排出されるサルフェートＳＯ３の量を低減できることになる。また、ＮＯＸ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比ＡＦＮがリッチのときには補助触媒２３内に流入する排気ガスの空燃比もリッチになっており、ＳＯＸが硫酸塩を形成することなく補助触媒２３内に蓄えられているとしても、このＳＯＸはＮＯＸのためのリッチスパイクでもってＳＯ２の形で補助触媒２３から排出される。
【００５４】
この場合、硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量が多いときには少ないときに比べて、硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を減少させるのに必要な還元剤の量は多くなる。
【００５５】
そこで本発明による実施例では、硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を求め、このＳＯＸの量が多いときには少ないときに比べて、ＮＯＸのためのリッチスパイクによって単位時間当たりにＮＯＸ触媒２２内に流入する還元剤の量が多くなるようにしている。
【００５６】
硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を直接求めることは困難である。ところが、硫酸塩の形でＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を表すＳＯＸカウント値ＱＳが小さいときには、上述したように硫酸塩が形成されやすいので、硫酸塩を形成することなく蓄えられるＳＯＸの量が少なく、ＳＯＸカウント値ＱＳが大きくなると硫酸塩が形成されにくくなるので、硫酸塩を形成することなく蓄えられるＳＯＸの量が多くなると考えられる。
【００５７】
そうすると、ＳＯＸカウント値ＱＳは硫酸塩の形でＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を表すだけでなく、硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量も表しているということになる。なお、ＳＯＸカウント値ＱＳがＮＯＸ触媒２２内に流入するＳＯＸの量に基づいて求められることを考えると、硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量もＮＯＸ触媒２２内に流入するＳＯＸの量に基づいて求められるということになる。
【００５８】
その上で、本発明による第１実施例では、図４に示されるように、ＳＯＸカウント値ＱＳが大きいときには小さいときに比べて、ＮＯＸのためのリッチスパイクにおけるリッチ空燃比ＡＦＲが小さくなるようにしている。このようにすると、ＳＯＸカウント値ＱＳが大きくなったときに、単位時間当たりＮＯＸ触媒２２内に流入する還元剤の量が多くなる。
【００５９】
図５は本発明による実施例のリッチスパイク制御ルーチンを示している。このルーチンは予め定められた処理サイクル時間Δｔ毎の割り込みによって実行される。図５を参照すると、まずステップ１００では、前回の処理サイクルから今回の処理サイクルまでに燃料噴射弁６から噴射された燃料量の合計値ＱＦがＳＯＸカウント値ＱＳに加算される（ＱＳ＝ＱＳ＋ＱＦ）。続くステップ１０１ではＳＯＸカウント値ＱＳがＳＯＸ許容値ＱＳＡよりも大きいか否かが判別される。ＱＳ≦ＱＳＡのときには次いでステップ１０２に進み、後述するＮＯＸ処理が行われる。これに対し、ＱＳ＞ＱＳＡのときには次いでステップ１０３に進み、硫酸塩の形でＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を減少させるために、ＮＯＸ触媒２２の温度を例えば５５０℃以上に保持しながらリッチスパイクが例えば一定時間だけ行われる。続くステップ１０４ではＳＯＸカウント値ＱＳ及びＮＯＸカウント値ＱＮがそれぞれクリアされる。
【００６０】
図６は上述した第１実施例によるＮＯＸ処理ルーチンを示している。このルーチンは図５のステップ１０２で実行される。図６を参照すると、まずステップ１２０では、排出ＮＯＸ量ｄＱＮが図２のマップから算出される。続くステップ１２１では、ＮＯＸカウント値ＱＮにｄＱＮ・Δｔが加算される（ＱＮ＝ＱＮ＋ｄＱＮ・Δｔ）。続くステップ１２２では、ＮＯＸカウント値ＱＮがＮＯＸ許容値ＱＮＡよりも大きいか否かが判別される。ＱＮ≦ＱＮＡのときには処理サイクルを終了し、ＱＮ＞ＱＮＡのときには次いでステップ１２３に進み、図４のマップからリッチ空燃比ＡＦＲが算出される。続くステップ１２４では、ＮＯＸのためのリッチスパイクが行われる。この場合、ＮＯＸ許容値ＱＮＡで表される時間間隔ＩＮＴでもって、ＮＯＸ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比ＡＦＮがリッチ保持時間ｔＲだけリッチ空燃比ＡＦＲに切り替えられる。本実施例においてリッチ保持時間ｔＲ及びＮＯＸ許容値ＱＮＡはＳＯＸカウント値ＳＯＸによらない一定値である。続くステップ１２５ではＮＯＸカウント値ＱＮがクリアされる。
【００６１】
一方、本発明による第２実施例では、図７に示されるように、ＳＯＸカウント値ＱＳが大きいときには小さいときに比べて、ＮＯＸのためのリッチスパイクにおけるリッチ保持時間ｔＲを長くするようにしている。このようにしても、ＳＯＸカウント値ＱＳが大きくなったときに、ＮＯＸのためのリッチスパイクによって単位時間当たりにＮＯＸ触媒２２内に流入する還元剤の量が多くなる。
【００６２】
図８は上述した第２実施例によるＮＯＸ処理ルーチンを示している。このルーチンは図５のステップ１０２で実行される。図８を参照すると、まずステップ１３０では、単位時間当たりにＮＯＸ触媒２２内に流入したＮＯＸの量ｄＱＮが図２のマップから算出される。続くステップ１３１では、ＮＯＸカウント値ＱＮにｄＱＮ・Δｔが加算される（ＱＮ＝ＱＮ＋ｄＱＮ・Δｔ）。続くステップ１３２では、ＮＯＸカウント値ＱＮがＮＯＸ許容値ＱＮＡよりも大きいか否かが判別される。ＱＮ≦ＱＮＡのときには処理サイクルを終了し、ＱＮ＞ＱＮＡのときには次いでステップ１３３に進み、図７のマップからリッチ保持時間ｔＲが算出される。続くステップ１３４では、ＮＯＸのためのリッチスパイクが行われる。この場合、ＮＯＸ許容値ＱＮＡで表される時間間隔ＩＮＴでもって、ＮＯＸ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比ＡＦＮがリッチ保持時間ｔＲだけリッチ空燃比ＡＦＲに切り替えられる。本実施例においてリッチ空燃比ＡＦＲ及びＮＯＸ許容値ＱＮＡはＳＯＸカウント値ＳＯＸによらない一定値である。続くステップ１３５ではＮＯＸカウント値ＱＮがクリアされる。
【００６３】
更に、本発明による第３実施例では、ＳＯＸカウント値ＱＳが大きいときには小さいときに比べて、ＮＯＸ許容値ＱＮＡを小さくするようにし、即ちＮＯＸのためのリッチスパイクの時間間隔ＩＮＴを短くするようにしている。この場合にも、ＳＯＸカウント値ＱＳが大きくなったときに、ＮＯＸのためのリッチスパイクによって単位時間当たりにＮＯＸ触媒２２内に流入する還元剤の量が多くなる。
【００６４】
図１０は上述した第３実施例によるＮＯＸ処理ルーチンを示している。このルーチンは図５のステップ１０２で実行される。図１０を参照すると、まずステップ１４０では、単位時間当たりにＮＯＸ触媒２２内に流入したＮＯＸの量ｄＱＮが図２のマップから算出される。続くステップ１４１では、ＮＯＸカウント値ＱＮにｄＱＮ・Δｔが加算される（ＱＮ＝ＱＮ＋ｄＱＮ・Δｔ）。続くステップ１４２では図９のマップからＮＯＸ許容値ＱＮＡが算出される。続くステップ１４３では、ＮＯＸカウント値ＱＮがＮＯＸ許容値ＱＮＡよりも大きいか否かが判別される。ＱＮ≦ＱＮＡのときには処理サイクルを終了し、ＱＮ＞ＱＮＡのときには次いでステップ１４４に進み、ＮＯＸのためのリッチスパイクが行われる。この場合、ＮＯＸ許容値ＱＮＡで表される時間間隔ＩＮＴでもって、ＮＯＸ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比ＡＦＮがリッチ保持時間ｔＲだけリッチ空燃比ＡＦＲに切り替えられる。本実施例においてリッチ空燃比ＡＦＲ及びリッチ保持時間ｔＲはＳＯＸカウント値ＳＯＸによらない一定値である。続くステップ１４５ではＮＯＸカウント値ＱＮがクリアされる。
【００６５】
図１１はＮＯＸのためのリッチスパイクが行われたときの、ＮＯＸ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比ＡＦＮを示しており、図１１（Ａ）は本発明による第１実施例の場合を、図１１（Ｂ）は本発明による第２実施例の場合を、図１１（Ｃ）は本発明による第３実施例の場合を、それぞれ示している。また、図１１において、実線はＳＯＸカウント値ＱＳが大きい場合を、破線はＱＳが小さい場合をそれぞれ示している。
【００６６】
これまで述べてきた本発明による各実施例では、ＮＯＸ触媒２２がパティキュレートフィルタ２２ｂ上に担持されている。しかしながら、ＮＯＸ触媒２２をパティキュレートフィルタ２２ｂとは別個に形成してパティキュレートフィルタ２２ｂ下流の排気通路内に配置することもできる。また、上述した本発明による各実施例のように、内燃機関から排出される排気ガスの空燃比及び温度を制御することにより、ＮＯＸ触媒２２又はパティキュレートフィルタ２２ｂ内に流入する排気ガスの空燃比及び温度を制御するようにした場合には、ＮＯＸ触媒２２をパティキュレートフィルタ２２ｂ上流の排気通路内に配置するようにしてもよい。
【００６７】
【発明の効果】
大気中に排出されるサルフェートの量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】排出ＮＯＸ量ｄＱＮを示す線図である。
【図３】リッチスパイクを説明するための図である。
【図４】リッチ空燃比ＡＦＲを示す線図である。
【図５】本発明による実施例のリッチスパイク制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図６】本発明による第１実施例のＮＯＸ処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図７】リッチ保持時間ｔＲを示す線図である。
【図８】本発明による第２実施例のＮＯＸ処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図９】ＮＯＸ許容値ＱＮＡを示す線図である。
【図１０】本発明による第３実施例のＮＯＸ処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図１１】ＮＯＸのためのリッチスパイクが行われたときの、ＮＯＸ触媒内への流入排気ガスの空燃比を示す図である。
【符号の説明】
１…機関本体
２０ａ，２０ｂ…排気管
２２…ＮＯＸ触媒
２２ａ…パティキュレートフィルタ
２３…補助触媒
【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】
従来より、リーン空燃比のもとで継続して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ＮＯＸ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ＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置し、ＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元しＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させるために、ＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチ空燃比に切り替えるリッチスパイクを行うようにした内燃機関の排気浄化装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、ＮＯＸ触媒内にはＮＯＸだけでなくイオウ例えばＳＯＸが硫酸塩の形で蓄えられ、硫酸塩の形でＮＯＸ触媒内に蓄えられているＳＯＸの量を減少させるためには、ＮＯＸ触媒の温度を例えば５５０℃以上に維持しかつＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチに切り替えることが必要であることも知られている（例えば、特許文献１参照）。これによれば、ＮＯＸ触媒の温度が高くても流入排気ガスの空燃比がリーンであったり、流入排気ガスの空燃比がリッチであってもＮＯＸ触媒の温度が低かったりすると、ＮＯＸ触媒からＳＯＸは排出されないということになる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１５５７２４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、本願発明者によれば、ＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの平均空燃比がリーンに維持されていてもＮＯＸ触媒の温度が高くなると、ＮＯＸ触媒から流出する排気ガス中のＳＯＸ濃度がＮＯＸ触媒内に流入する排気ガス中のＳＯＸ濃度よりも一時的に高くなることが確認されている。このことは、ＮＯＸ触媒の温度が高くなるとＮＯＸ触媒内に蓄えられているＳＯＸが排出され、このＳＯＸは硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒内に蓄えられているということを意味している。
【０００６】
しかしながら、このとき流入排気ガスの空燃比がリーンであると、硫酸塩を形成することなく蓄えられているＳＯ２がＮＯＸ触媒内でサルフェートＳＯ３に酸化され、サルフェートＳＯ３の形でＮＯＸ触媒から排出される恐れがある。ＮＯＸ触媒からＳＯ２のまま排出されたとしても、ＮＯＸ触媒下流に酸化能を有する触媒が配置されている場合には、この補助触媒内でサルフェートＳＯ３に酸化される恐れがある。
【０００７】
そこで本発明の目的は、大気中に排出されるサルフェートの量を低減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。
【０００８】
【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継続して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ＮＯＸ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ＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置し、該ＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元し該ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させるために、ＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチ空燃比に切り替えるリッチスパイクを行うようにした内燃機関の排気浄化装置において、硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウの量を求め、該硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウの量が多いときには少ないときに比べて、ＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元し該ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させるためのリッチスパイクにおけるリッチ空燃比を小さくするようにしている。
【０００９】
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継続して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ＮＯＸ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ＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置し、該ＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元し該ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させるために、ＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの空燃比をリッチ保持時間だけリッチ空燃比に切り替えるリッチスパイクを行うようにした内燃機関の排気浄化装置において、硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウの量を求め、該硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウの量が多いときには少ないときに比べて、ＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元し該ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させるためのリッチスパイクにおけるリッチ保持時間を長くするようにしている。
【００１０】
また、前記課題を解決するために３番目の発明によれば、リーン空燃比のもとで継続して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ＮＯＸ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ＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置し、該ＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元し該ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させるために、ＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチ空燃比に切り替えるリッチスパイクを行うようにした内燃機関の排気浄化装置において、硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウの量を求め、該硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウの量が多いときには少ないときに比べて、ＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元し該ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させるためのリッチスパイクの時間間隔を短くするようにしている。
【００１１】
また、４番目の発明によれば１番目から３番目の発明のうちいずれか一つにおいて、ＮＯＸ触媒内に流入するイオウの量を求め、該ＮＯＸ触媒内に流入するイオウの量に基づいて前記硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウの量を求めるようにしている。
【００１２】
また、５番目の発明によれば１番目から３番目の発明のうちいずれか一つにおいて、ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を求め、該ＮＯＸの量が許容量よりも多くなったときに、ＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元し該ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させるためのリッチスパイクを行うようにしている。
【００１３】
また、６番目の発明によれば１番目から３番目の発明のうちいずれか一つにおいて、前記ＮＯＸ触媒が、流入する排気ガス中の微粒子を捕集するパティキュレートフィルタ上に担持されている。
【００１４】
また、７番目の発明によれば１番目から３番目の発明のうちいずれか一つにおいて、前記ＮＯＸ触媒下流の排気通路内に酸化能を有する補助触媒を配置している。
【００１５】
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のような還元剤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。
【００１６】
【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。
【００１７】
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。本発明による実施例では、スロットル開度はほぼ全ての運転領域において最大開度に維持され、要求負荷Ｌがかなり小さくなると最大開度よりも小さくされ、要求負荷Ｌがゼロになると小さなアイドル開度にされる。
【００１８】
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の入口に連結され、排気タービン２１の出口は排気管２０ａを介してケーシング２２ａに連結される。ケーシング２２ａ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２２ｂが収容され、パティキュレートフィルタ２２ｂ上には後述するようにＮＯＸ触媒２２が担持されている。また、触媒コンバータ２２は排気管２０ｂを介してケーシング２３ａに連結され、このケーシング２３ａ内には酸化能を有する補助触媒２３が収容される。この場合、ＮＯＸ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比はパティキュレートフィルタ２２ｂ内に流入する排気ガスの空燃比に一致し、ＮＯＸ触媒２２の温度もパティキュレートフィルタ２２ｂの温度に一致する。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。パティキュレートフィルタ２２ｂ上流の排気管２０ａには排気管２０ａ内の圧力、即ち機関背圧を検出するための圧力センサ４９が取り付けられ、圧力センサ４９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。また、ＮＯＸ触媒２２下流の排気管２０ｂ内にはＮＯＸ触媒２２から流出した排気ガスの温度を検出するための温度センサ５０が取り付けられ、温度センサ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。この排気ガスの温度はＮＯＸ触媒２２の温度を表している。アクセルペダル５１にはアクセルペダル５１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５２が接続され、負荷センサ５２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５３が接続される。ＣＰＵ４４ではクランク角センサ５３からの出力パルスに基づいて機関回転数Ｎが算出される。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、及び燃料ポンプ２８にそれぞれ接続される。
【００２２】
パティキュレートフィルタ２２ａの隔壁上即ち例えば隔壁の両側面及び細孔内壁面上には、ＮＯＸ触媒２２がそれぞれ担持されている。このＮＯＸ触媒２２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。
【００２３】
ＮＯＸ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ＮＯＸ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ＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量を減少させる蓄積還元作用を行う。
【００２４】
ＮＯＸ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。
【００２５】
即ち、ＮＯＸ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Ｏ２がＯ２ −又はＯ２−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の表面に付着し白金Ｐｔの表面上でＯ２ −又はＯ２−と反応し、ＮＯ２となる（ＮＯ＋Ｏ２→ＮＯ２＋Ｏ＊、ここでＯ＊は活性酸素）。次いで生成されたＮＯ２の一部は白金Ｐｔ上でさらに酸化されつつＮＯＸ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ＮＯ３ −の形でＮＯＸ触媒内に拡散する。このようにしてＮＯＸがＮＯＸ触媒内に蓄えられる。
【００２６】
これに対し、ＮＯＸ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ＮＯ２の生成量が低下し、反応が逆方向（ＮＯ３ −→ＮＯ＋２Ｏ＊）に進み、斯くしてＮＯＸ触媒内の硝酸イオンＮＯ３ −がＮＯの形でＮＯＸ触媒から放出される。この放出されたＮＯＸ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ＮＯＸが存在しなくなるとＮＯＸ触媒から次から次へとＮＯＸが放出されて還元され、ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量が次第に減少する。
【００２７】
なお、硝酸塩を形成することなくＮＯＸを蓄え、ＮＯＸを放出することなくＮＯＸを還元することも可能であると考えられている。また、活性酸素Ｏ＊に着目すれば、ＮＯＸ触媒はＮＯＸの蓄積及び放出に伴って活性酸素Ｏ＊を生成する活性酸素生成触媒と見ることもできる。
【００２８】
一方、補助触媒２３は本発明による実施例では、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例えば白金Ｐｔを含む貴金属触媒から形成される。しかしながら、補助触媒２３を上述したＮＯＸ触媒から形成してもよい。
【００２９】
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、従ってＮＯＸ触媒２２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。その結果、排気ガス中のＮＯＸはＮＯＸ触媒２２内に蓄えられる。
【００３０】
時間の経過と共にＮＯＸ触媒２２内の蓄積ＮＯＸ量は次第に増大する。そこで本発明による実施例では、ＮＯＸ触媒２２内の蓄積ＮＯＸ量を求め、ＮＯＸ触媒２２内の蓄積ＮＯＸ量がＮＯＸ許容量を越えたときには、ＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＮＯＸを還元しＮＯＸ触媒２２内の蓄積ＮＯＸ量を減少させるために、ＮＯＸ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチに切り替えるリッチスパイクを行うようにしている。以下では、ＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＮＯＸを還元しＮＯＸ触媒２２内の蓄積ＮＯＸ量を減少させるためのリッチスパイクを、単にＮＯＸのためのリッチスパイクと称することにする。
【００３１】
具体的に説明すると、単位時間当たりＮＯＸ触媒２２内に蓄えられるＮＯＸの量は単位時間当たりＮＯＸ触媒２２内に流入するＮＯＸの量に依存し、この単位時間当たりＮＯＸ触媒２２内に流入するＮＯＸの量は単位時間当たり内燃機関から排出されるＮＯＸの量即ち排出ＮＯＸ量ｄＱＮに依存する。排出ＮＯＸ量ｄＱＮは機関運転状態例えば要求負荷Ｌ及び機関回転数に依存し、即ち要求負荷Ｌが高くなるにつれて排出ＮＯＸ量ｄＱＮが増大し、機関回転数Ｎが高くなるにつれて排出ＮＯＸ量ｄＱＮが増大する。
【００３２】
従って、排出ＮＯＸ量ｄＱＮに処理サイクル時間Δｔを乗算したものを積算して得られる積算値ＱＮは、ＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＮＯＸの量を表していることになる。以下では、この積算値ＱＮをＮＯＸカウント値と称することにする。なお、排出ＮＯＸ量ｄＱＮが予め実験により求められており、要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎの関数として図２に示されるマップの形で予めＲＯＭ４２内に記憶されている。
【００３３】
図３に矢印Ｘで示されるように、ＮＯＸカウント値ＱＮが上述したＮＯＸ許容量に相当するＮＯＸ許容値ＱＮＡよりも大きくなると、ＮＯＸ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比ＡＦＮがリッチ空燃比ＡＦＲに切り替えられ、リッチ保持時間ｔＲだけリッチ空燃比ＡＦＲに保持された後に、リーンに戻される。このようにしてＮＯＸのためのリッチスパイクが行われる。なお、流入排気ガスの空燃ＡＦＮがリーンに戻されるとＮＯＸカウント値ＱＮがクリアされる（ＱＮ＝０）。
【００３４】
図３からも明らかなように、ＮＯＸカウント値ＱＮがＮＯＸ許容値ＱＮＡを越える毎にＮＯＸのためのリッチスパイクが行われる。この場合、ＮＯＸ許容値ＱＮＡを小さくすればリッチスパイクの時間間隔ＩＮＴが短くなり、ＮＯＸ許容値ＱＮＡを大きくすれば時間間隔ＩＮＴが長くなる。従って、ＮＯＸ許容値ＱＮＡはリッチスパイクの時間間隔ＩＮＴを表しているということになる。
【００３５】
ＮＯＸ触媒２２内への流入排気ガスの空燃比ＡＦＮを一時的にリッチに切り替えるリッチスパイクには様々な方法があり、例えば燃焼室５から排出される排気ガスの空燃比を一時的にリッチに切り替える方法や、ＮＯＸ触媒２２上流の排気通路内に追加の燃料ないし還元剤を一時的に噴射する方法がある。ここで、燃焼室５から排出される排気ガスの空燃比をリッチに切り替えるために、例えば燃焼室５内で燃焼せしめられる混合気の空燃比をリッチに切り替えることもできるし、又は圧縮上死点付近で行われる主燃料に加えて膨張行程中又は排気行程中に追加の燃料を噴射することもできる。本発明による実施例では、膨張行程中又は排気行程中に追加の燃料を一時的に噴射することによりリッチスパイクを行うようにしている。
【００３６】
ところで、排気ガス中にはイオウ分がＳＯＸの形で含まれており、ＮＯＸ触媒２２内にはＮＯＸばかりでなくＳＯＸも蓄えられる。このＳＯＸのＮＯＸ触媒２２内への蓄積メカニズムはＮＯＸ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、ＮＯＸ触媒２２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Ｏ２がＯ２ −又はＯ２−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ＳＯ２は白金Ｐｔの表面に付着し白金Ｐｔの表面上でＯ２ −又はＯ２−と反応し、ＳＯ３となる。次いで生成されたＳＯ３は白金Ｐｔ上でさらに酸化されつつＮＯＸ触媒２２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 −の形でＮＯＸ触媒２２内に拡散する。この硫酸イオンＳＯ４ −は次いでバリウムイオンＢａ＋と結合して硫酸塩ＢａＳＯ４を生成する。
【００３７】
この硫酸塩ＢａＳＯ４は分解しにくく、ＮＯＸ触媒２２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ＮＯＸ触媒２２内の硫酸塩ＢａＳＯ４の量は減少しない。このため、時間が経過するにつれてＮＯＸ触媒２２内の硫酸塩ＢａＳＯ４の量が増大し、その結果ＮＯＸ触媒２２が蓄えうるＮＯＸの量が減少することになる。
【００３８】
ところが、ＮＯＸ触媒２２の温度を例えば５５０℃以上に維持しつつＮＯＸ触媒２２に流入する排気ガスの平均空燃比を理論空燃比又はリッチにすると、ＮＯＸ触媒２２内の硫酸塩ＢａＳＯ４が分解してＳＯ３の形でＮＯＸ触媒２２から放出される。この放出されたＳＯ３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ＳＯ２に還元せしめられる。このようにしてＮＯＸ触媒２２内に硫酸塩ＢａＳＯ４の形で蓄えられているＳＯＸの量が次第に減少し、このときＮＯＸ触媒２２からＳＯＸがＳＯ３の形で流出することがない。
【００３９】
そこで本発明による実施例では、硫酸塩の形でＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を求め、このＳＯＸの量が予め定められたＳＯＸ許容量を越えたときには、硫酸塩の形でＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を減少させるために、ＮＯＸ触媒２２の温度を例えば５５０℃以上に維持しながら、ＮＯＸ触媒２２に流入する排気ガスの平均空燃比をわずかばかりリッチにするリッチスパイクを行うようにしている。
【００４０】
具体的に説明すると、硫酸塩の形でＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量は単位時間当たりＮＯＸ触媒２２内に流入するＳＯＸの量の積算値に依存し、単位時間当たりＮＯＸ触媒２２内に流入するＳＯＸの量は燃料噴射弁６から噴射された燃料の量に依存する。従って、一定時間内に燃料噴射弁６から噴射された燃料及び追加の燃料の合計量ＱＦを積算して得られる積算値ＱＳは、硫酸塩の形でＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を表していることになる。以下では、この積算値ＱＳをＳＯＸカウント値と称することにする。
【００４１】
このＳＯＸカウント値ＱＳが上述したＳＯＸ許容量に相当するＳＯＸ許容値ＱＳＡよりも大きくなると、硫酸塩の形でＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を減少させるため、ＮＯＸ触媒２２の温度を例えば５５０℃まで上昇させ保持しながらリッチスパイクが行われる。ＮＯＸ触媒２２の温度を上昇させる方法にも様々な方法があり、例えばＮＯＸ触媒２２の上流端に電気ヒータを配置して電気ヒータによりＮＯＸ触媒２２又はＮＯＸ触媒２２に流入する排気ガスを加熱する方法や、ＮＯＸ触媒２２上流の排気通路内に燃料を二次的に噴射してこの燃料を燃焼させることによりＮＯＸ触媒２２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ＮＯＸ触媒２２の温度を上昇させる方法がある。ここで、内燃機関から排出される排気ガスの温度を上昇させるために、例えば主燃料を遅角して噴射することもできるし、又は主燃料に加えて膨張行程中又は排気行程中に追加の燃料を噴射することもできる。本発明による実施例では、膨張行程中又は排気行程中に追加の燃料を噴射することにより、ＮＯＸ触媒２２の温度を５５０℃以上に上昇し保持するようにしている。
【００４２】
一方、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２２ｂ上に捕集される。上述したように図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、ＮＯＸ触媒２２は酸化能を有しているので、パティキュレートフィルタ２２ｂ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２２ｂ上で微粒子が酸化せしめられ除去される。
【００４３】
この場合、上述したＮＯＸ触媒２２のＮＯＸの蓄積還元メカニズムによれば、ＮＯＸ触媒２２内にＮＯＸが蓄えられるときにもＮＯＸが放出されるときにも活性酸素が生成される。この活性酸素は酸素Ｏ２よりも活性が高く、従ってパティキュレートフィルタ２２ｂ上に堆積している微粒子を速やかに酸化する。即ち、パティキュレートフィルタ２２ｂ上にＮＯＸ触媒２２を担持させると、パティキュレートフィルタ２２ｂ内に流入する排気ガスの空燃比がリーンであろうとリッチであろうとパティキュレートフィルタ２２ｂ上に堆積している微粒子が酸化される。このようにして微粒子が連続的に酸化される。
【００４４】
ところが、パティキュレートフィルタ２２ｂ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２２ｂ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２２ｂ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２２ｂの圧損が増大する。
【００４５】
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２２ｂ上の堆積微粒子量が微粒子許容量を越えたときには、パティキュレートフィルタ２２ｂに流入する排気ガスの空燃比ＡＦＮをリーンに維持しつつパティキュレートフィルタ２２ｂの温度を例えば６００℃以上まで上昇し維持する微粒子酸化作用を行うようにしている。この微粒子酸化作用が行われると、パティキュレートフィルタ２２ｂ上に堆積した微粒子が着火燃焼せしめられ除去される。なお、本発明による実施例では、圧力センサ４９により検出される機関背圧が許容値を越えたときにパティキュレートフィルタ２２ｂ上の堆積微粒子量が微粒子許容量を越えたと判断される。
【００４６】
ところが、冒頭で述べたように、ＮＯＸ触媒２２内に流入する排気ガスの平均空燃比ＡＦＮがリーンに維持されていてもＮＯＸ触媒２２の温度が高くなると、ＮＯＸ触媒２２から流出する排気ガス中のＳＯＸ濃度がＮＯＸ触媒２２内に流入する排気ガス中のＳＯＸ濃度よりも一時的に高くなることが確認されている。このことは、ＮＯＸ触媒２２の温度が高くなるとＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸが排出され、このＳＯＸは硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているということを意味している。
【００４７】
このＳＯＸがどのような形でＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているのかは必ずしも明らかではないが、次のようにして蓄えられていると考えられる。即ち、上述したようにＮＯＸ触媒２２内に流入する排気ガス中のＳＯ２はまず例えば白金Ｐｔ表面上に付着した後に硫酸塩の形で蓄えられる。硫酸塩の形でＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量が少ないときには、白金Ｐｔ表面上に付着したＳＯ２は比較的容易に硫酸塩を形成する。ところが、硫酸塩の形で蓄えられているＳＯＸの量が多くなると、白金Ｐｔ表面上に付着しているＳＯ２が硫酸塩を形成しにくくなり、ＳＯ２のまま白金Ｐｔ表面上に付着し続ける。このようにしてＳＯＸが硫酸塩を形成することなく蓄えられる。このように、ＮＯＸ触媒２２内には硫酸塩の形で蓄えられるＳＯＸもあれば、硫酸塩を形成することなく蓄えられるＳＯＸもあるということになる。
【００４８】
例えば微粒子酸化作用が開始されてＮＯＸ触媒２２の温度が例えば３００℃以上になると、硫酸塩を形成することなく蓄えられているＳＯ２がＮＯＸ触媒２２から排出される。このときＮＯＸ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比がリーンに維持されているので、このＳＯ２はＮＯＸ触媒２２内か又は補助触媒２３内でサルフェートＳＯ３に酸化される恐れがある。
【００４９】
一方、このように硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸは、ＮＯＸ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比ＡＦＮがリッチになると、ＮＯＸ触媒２２の温度が比較的低くても、ＳＯ２の形でＮＯＸ触媒２２から排出される。また、ＮＯＸ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比ＡＦＮがリッチのときには、補助触媒２３内に流入する排気ガスの空燃比もリッチになっており、従ってＮＯＸ触媒２２から排出されたＳＯ２が補助触媒２３内でもサルフェートＳＯ３まで酸化されない。
【００５０】
従って、硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を減少させるためのリッチスパイクを周期的に行えば、大気中に排出されるサルフェートＳＯ３の量を低減できることになる。しかしながら、このためだけにリッチスパイクを行うのは、燃料消費率の観点から好ましくない。
【００５１】
そこで本発明による実施例では、ＮＯＸのためのリッチスパイクでもって、硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を減少させるようにしている。即ち、ＮＯＸのためのリッチスパイクを行ったときの排気ガス中に、ＮＯＸ触媒２２内のＮＯＸを還元しＮＯＸ触媒２２内の蓄積ＮＯＸ量を例えばほぼゼロにするのに必要な量の還元剤例えば未燃ＨＣ及びＣＯだけでなく、硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を目標値例えばほぼゼロまで減少させるのに必要な量の還元剤が含まれるように、ＮＯＸのためのリッチスパイクが行われる。
【００５２】
言い換えると、ＮＯＸのためのリッチスパイクと、硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を減少させるためのリッチスパイクとが同期して行われるということになる。或いは、ＮＯＸのためのリッチスパイクがＮＯＸ触媒２２内の蓄積ＮＯＸ量に応じて行われることを考えると、硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を減少させるためのリッチスパイクを、ＮＯＸ触媒２２内の蓄積ＮＯＸ量に応じて行うようにしているという見方もできる。
【００５３】
ＮＯＸのためのリッチスパイクは比較的頻繁に行われ、従って硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を少なく維持することができることになる。その結果、パティキュレートフィルタ２２ｂの微粒子酸化作用がどのようなタイミングで行われても、このとき大気中に排出されるサルフェートＳＯ３の量を低減できることになる。また、ＮＯＸ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比ＡＦＮがリッチのときには補助触媒２３内に流入する排気ガスの空燃比もリッチになっており、ＳＯＸが硫酸塩を形成することなく補助触媒２３内に蓄えられているとしても、このＳＯＸはＮＯＸのためのリッチスパイクでもってＳＯ２の形で補助触媒２３から排出される。
【００５４】
この場合、硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量が多いときには少ないときに比べて、硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を減少させるのに必要な還元剤の量は多くなる。
【００５５】
そこで本発明による実施例では、硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を求め、このＳＯＸの量が多いときには少ないときに比べて、ＮＯＸのためのリッチスパイクによって単位時間当たりにＮＯＸ触媒２２内に流入する還元剤の量が多くなるようにしている。
【００５６】
硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を直接求めることは困難である。ところが、硫酸塩の形でＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を表すＳＯＸカウント値ＱＳが小さいときには、上述したように硫酸塩が形成されやすいので、硫酸塩を形成することなく蓄えられるＳＯＸの量が少なく、ＳＯＸカウント値ＱＳが大きくなると硫酸塩が形成されにくくなるので、硫酸塩を形成することなく蓄えられるＳＯＸの量が多くなると考えられる。
【００５７】
そうすると、ＳＯＸカウント値ＱＳは硫酸塩の形でＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を表すだけでなく、硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量も表しているということになる。なお、ＳＯＸカウント値ＱＳがＮＯＸ触媒２２内に流入するＳＯＸの量に基づいて求められることを考えると、硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量もＮＯＸ触媒２２内に流入するＳＯＸの量に基づいて求められるということになる。
【００５８】
その上で、本発明による第１実施例では、図４に示されるように、ＳＯＸカウント値ＱＳが大きいときには小さいときに比べて、ＮＯＸのためのリッチスパイクにおけるリッチ空燃比ＡＦＲが小さくなるようにしている。このようにすると、ＳＯＸカウント値ＱＳが大きくなったときに、単位時間当たりＮＯＸ触媒２２内に流入する還元剤の量が多くなる。
【００５９】
図５は本発明による実施例のリッチスパイク制御ルーチンを示している。このルーチンは予め定められた処理サイクル時間Δｔ毎の割り込みによって実行される。図５を参照すると、まずステップ１００では、前回の処理サイクルから今回の処理サイクルまでに燃料噴射弁６から噴射された燃料量の合計値ＱＦがＳＯＸカウント値ＱＳに加算される（ＱＳ＝ＱＳ＋ＱＦ）。続くステップ１０１ではＳＯＸカウント値ＱＳがＳＯＸ許容値ＱＳＡよりも大きいか否かが判別される。ＱＳ≦ＱＳＡのときには次いでステップ１０２に進み、後述するＮＯＸ処理が行われる。これに対し、ＱＳ＞ＱＳＡのときには次いでステップ１０３に進み、硫酸塩の形でＮＯＸ触媒２２内に蓄えられているＳＯＸの量を減少させるために、ＮＯＸ触媒２２の温度を例えば５５０℃以上に保持しながらリッチスパイクが例えば一定時間だけ行われる。続くステップ１０４ではＳＯＸカウント値ＱＳ及びＮＯＸカウント値ＱＮがそれぞれクリアされる。
【００６０】
図６は上述した第１実施例によるＮＯＸ処理ルーチンを示している。このルーチンは図５のステップ１０２で実行される。図６を参照すると、まずステップ１２０では、排出ＮＯＸ量ｄＱＮが図２のマップから算出される。続くステップ１２１では、ＮＯＸカウント値ＱＮにｄＱＮ・Δｔが加算される（ＱＮ＝ＱＮ＋ｄＱＮ・Δｔ）。続くステップ１２２では、ＮＯＸカウント値ＱＮがＮＯＸ許容値ＱＮＡよりも大きいか否かが判別される。ＱＮ≦ＱＮＡのときには処理サイクルを終了し、ＱＮ＞ＱＮＡのときには次いでステップ１２３に進み、図４のマップからリッチ空燃比ＡＦＲが算出される。続くステップ１２４では、ＮＯＸのためのリッチスパイクが行われる。この場合、ＮＯＸ許容値ＱＮＡで表される時間間隔ＩＮＴでもって、ＮＯＸ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比ＡＦＮがリッチ保持時間ｔＲだけリッチ空燃比ＡＦＲに切り替えられる。本実施例においてリッチ保持時間ｔＲ及びＮＯＸ許容値ＱＮＡはＳＯＸカウント値ＳＯＸによらない一定値である。続くステップ１２５ではＮＯＸカウント値ＱＮがクリアされる。
【００６１】
一方、本発明による第２実施例では、図７に示されるように、ＳＯＸカウント値ＱＳが大きいときには小さいときに比べて、ＮＯＸのためのリッチスパイクにおけるリッチ保持時間ｔＲを長くするようにしている。このようにしても、ＳＯＸカウント値ＱＳが大きくなったときに、ＮＯＸのためのリッチスパイクによって単位時間当たりにＮＯＸ触媒２２内に流入する還元剤の量が多くなる。
【００６２】
図８は上述した第２実施例によるＮＯＸ処理ルーチンを示している。このルーチンは図５のステップ１０２で実行される。図８を参照すると、まずステップ１３０では、単位時間当たりにＮＯＸ触媒２２内に流入したＮＯＸの量ｄＱＮが図２のマップから算出される。続くステップ１３１では、ＮＯＸカウント値ＱＮにｄＱＮ・Δｔが加算される（ＱＮ＝ＱＮ＋ｄＱＮ・Δｔ）。続くステップ１３２では、ＮＯＸカウント値ＱＮがＮＯＸ許容値ＱＮＡよりも大きいか否かが判別される。ＱＮ≦ＱＮＡのときには処理サイクルを終了し、ＱＮ＞ＱＮＡのときには次いでステップ１３３に進み、図７のマップからリッチ保持時間ｔＲが算出される。続くステップ１３４では、ＮＯＸのためのリッチスパイクが行われる。この場合、ＮＯＸ許容値ＱＮＡで表される時間間隔ＩＮＴでもって、ＮＯＸ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比ＡＦＮがリッチ保持時間ｔＲだけリッチ空燃比ＡＦＲに切り替えられる。本実施例においてリッチ空燃比ＡＦＲ及びＮＯＸ許容値ＱＮＡはＳＯＸカウント値ＳＯＸによらない一定値である。続くステップ１３５ではＮＯＸカウント値ＱＮがクリアされる。
【００６３】
更に、本発明による第３実施例では、ＳＯＸカウント値ＱＳが大きいときには小さいときに比べて、ＮＯＸ許容値ＱＮＡを小さくするようにし、即ちＮＯＸのためのリッチスパイクの時間間隔ＩＮＴを短くするようにしている。この場合にも、ＳＯＸカウント値ＱＳが大きくなったときに、ＮＯＸのためのリッチスパイクによって単位時間当たりにＮＯＸ触媒２２内に流入する還元剤の量が多くなる。
【００６４】
図１０は上述した第３実施例によるＮＯＸ処理ルーチンを示している。このルーチンは図５のステップ１０２で実行される。図１０を参照すると、まずステップ１４０では、単位時間当たりにＮＯＸ触媒２２内に流入したＮＯＸの量ｄＱＮが図２のマップから算出される。続くステップ１４１では、ＮＯＸカウント値ＱＮにｄＱＮ・Δｔが加算される（ＱＮ＝ＱＮ＋ｄＱＮ・Δｔ）。続くステップ１４２では図９のマップからＮＯＸ許容値ＱＮＡが算出される。続くステップ１４３では、ＮＯＸカウント値ＱＮがＮＯＸ許容値ＱＮＡよりも大きいか否かが判別される。ＱＮ≦ＱＮＡのときには処理サイクルを終了し、ＱＮ＞ＱＮＡのときには次いでステップ１４４に進み、ＮＯＸのためのリッチスパイクが行われる。この場合、ＮＯＸ許容値ＱＮＡで表される時間間隔ＩＮＴでもって、ＮＯＸ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比ＡＦＮがリッチ保持時間ｔＲだけリッチ空燃比ＡＦＲに切り替えられる。本実施例においてリッチ空燃比ＡＦＲ及びリッチ保持時間ｔＲはＳＯＸカウント値ＳＯＸによらない一定値である。続くステップ１４５ではＮＯＸカウント値ＱＮがクリアされる。
【００６５】
図１１はＮＯＸのためのリッチスパイクが行われたときの、ＮＯＸ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比ＡＦＮを示しており、図１１（Ａ）は本発明による第１実施例の場合を、図１１（Ｂ）は本発明による第２実施例の場合を、図１１（Ｃ）は本発明による第３実施例の場合を、それぞれ示している。また、図１１において、実線はＳＯＸカウント値ＱＳが大きい場合を、破線はＱＳが小さい場合をそれぞれ示している。
【００６６】
これまで述べてきた本発明による各実施例では、ＮＯＸ触媒２２がパティキュレートフィルタ２２ｂ上に担持されている。しかしながら、ＮＯＸ触媒２２をパティキュレートフィルタ２２ｂとは別個に形成してパティキュレートフィルタ２２ｂ下流の排気通路内に配置することもできる。また、上述した本発明による各実施例のように、内燃機関から排出される排気ガスの空燃比及び温度を制御することにより、ＮＯＸ触媒２２又はパティキュレートフィルタ２２ｂ内に流入する排気ガスの空燃比及び温度を制御するようにした場合には、ＮＯＸ触媒２２をパティキュレートフィルタ２２ｂ上流の排気通路内に配置するようにしてもよい。
【００６７】
【発明の効果】
大気中に排出されるサルフェートの量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】排出ＮＯＸ量ｄＱＮを示す線図である。
【図３】リッチスパイクを説明するための図である。
【図４】リッチ空燃比ＡＦＲを示す線図である。
【図５】本発明による実施例のリッチスパイク制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図６】本発明による第１実施例のＮＯＸ処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図７】リッチ保持時間ｔＲを示す線図である。
【図８】本発明による第２実施例のＮＯＸ処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図９】ＮＯＸ許容値ＱＮＡを示す線図である。
【図１０】本発明による第３実施例のＮＯＸ処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図１１】ＮＯＸのためのリッチスパイクが行われたときの、ＮＯＸ触媒内への流入排気ガスの空燃比を示す図である。
【符号の説明】
１…機関本体
２０ａ，２０ｂ…排気管
２２…ＮＯＸ触媒
２２ａ…パティキュレートフィルタ
２３…補助触媒
Claims (7)
- リーン空燃比のもとで継続して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ＮＯＸ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ＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置し、該ＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元し該ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させるために、ＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチ空燃比に切り替えるリッチスパイクを行うようにした内燃機関の排気浄化装置において、硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウの量を求め、該硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウの量が多いときには少ないときに比べて、ＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元し該ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させるためのリッチスパイクにおけるリッチ空燃比を小さくするようにした内燃機関の排気浄化装置。
- リーン空燃比のもとで継続して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ＮＯＸ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ＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置し、該ＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元し該ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させるために、ＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの空燃比をリッチ保持時間だけリッチ空燃比に切り替えるリッチスパイクを行うようにした内燃機関の排気浄化装置において、硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウの量を求め、該硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウの量が多いときには少ないときに比べて、ＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元し該ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させるためのリッチスパイクにおけるリッチ保持時間を長くするようにした内燃機関の排気浄化装置。
- リーン空燃比のもとで継続して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ＮＯＸ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ＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置し、該ＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元し該ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させるために、ＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチ空燃比に切り替えるリッチスパイクを行うようにした内燃機関の排気浄化装置において、硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウの量を求め、該硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウの量が多いときには少ないときに比べて、ＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元し該ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させるためのリッチスパイクの時間間隔を短くするようにした内燃機関の排気浄化装置。
- ＮＯＸ触媒内に流入するイオウの量を求め、該ＮＯＸ触媒内に流入するイオウの量に基づいて前記硫酸塩を形成することなくＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウの量を求めるようにした請求項１から３までのいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を求め、該ＮＯＸの量が予め定められた許容量よりも多くなったときに、ＮＯＸ触媒内のＮＯＸを還元し該ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量を減少させるためのリッチスパイクを行うようにした請求項１から３までのいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記ＮＯＸ触媒が、流入する排気ガス中の微粒子を捕集するパティキュレートフィルタ上に担持されている請求項１から３までのいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記ＮＯＸ触媒下流の排気通路内に酸化能を有する補助触媒を配置した請求項１から３までのいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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2002
- 2002-08-28 JP JP2002249151A patent/JP4192532B2/ja not_active Expired - Lifetime
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