JP2004144072A

JP2004144072A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2004144072A
Application number: JP2003065370A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Ishikawa; 石川　雅彦; Masahito Tsuzuki; 都築　雅人; Tatsumasa Sugiyama; 杉山　辰優; Nobuki Kobayashi; 小林　暢樹; Atsushi Tawara; 田原　淳; Koichiro Nakatani; 中谷　好一郎
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2003-03-11
Publication date: 2004-05-20
Anticipated expiration: 2023-03-11
Also published as: JP4155065B2

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パティキュレートフィルタを配置し、パティキュレートフィルタ上にＮＯ_Ｘ触媒を担持させる。パティキュレートフィルタ上の堆積微粒子量を表す機関背圧Ｐが第１のしきい値Ｐ１よりも高くなると、パティキュレートフィルタ内に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しながら、パティキュレートフィルタの温度を目標温度ＴＰＭまで上昇させ目標温度ＴＰＭに目標時間ｔＰＭだけ保持する微粒子酸化作用を行う。硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量を求め、硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量が多いときには少ないときに比べて、目標温度ＴＰＭを低くし、目標時間ｔＰＭを長くする。
【選択図】　　　図４

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を配置し、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触媒をパティキュレートフィルタ上に担持させ、パティキュレートフィルタ上に捕集されている微粒子を酸化除去するために、パティキュレートフィルタ内に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しながらパティキュレートフィルタの温度を目標温度まで上昇させ目標温度に目標時間だけ保持する微粒子酸化作用を行うようにした内燃機関の排気浄化装置が公知である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、ＮＯ_Ｘ触媒内にはＮＯ_Ｘだけでなくイオウ例えばＳＯ_Ｘが硫酸塩の形で蓄えられ、硫酸塩の形でＮＯ_Ｘ触媒内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量を減少させるためには、ＮＯ_Ｘ触媒の温度を例えば５５０℃以上に維持しかつＮＯ_Ｘ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、ＮＯ_Ｘ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ＮＯ_Ｘ触媒の温度が低かったりすると、ＮＯ_Ｘ触媒からＳＯ_Ｘ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
【特許文献２】
特開昭５３−１００３１４号公報
【特許文献３】
特開２０００−８７７３４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、ＮＯ_Ｘ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ＮＯ_Ｘ触媒の温度が高くなると、ＮＯ_Ｘ触媒から流出する排気ガス中のＳＯ_Ｘ濃度がＮＯ_Ｘ触媒内に流入する排気ガス中のＳＯ_Ｘ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、ＮＯ_Ｘ触媒の温度が高くなるとＮＯ_Ｘ触媒内に蓄えられているＳＯ_Ｘが排出され、このＳＯ_Ｘは硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒内に蓄えられているということを意味している。従って、パティキュレートフィルタの微粒子酸化作用を行うと、ＮＯ_Ｘ触媒から、硫酸塩を形成することなく蓄えられているＳＯ_Ｘが排出されるということになる。
【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ので、硫酸塩を形成することなく蓄えられているＳＯ_２がＮＯ_Ｘ触媒内でサルフェートＳＯ_３に酸化され、サルフェートＳＯ_３の形でＮＯ_Ｘ触媒から排出される恐れがある。ＮＯ_Ｘ触媒からＳＯ_２のまま排出されたとしても、ＮＯ_Ｘ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ＳＯ_３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と、流入する排気ガスの空燃比がリーンのとき又はその温度が低いときに、流入する排気ガス中のイオウを、硫酸塩を形成することなく蓄え、流入する排気ガスの空燃比がリッチになるか又はその温度が高くなると硫酸塩を形成することなく蓄えているイオウの量が減少するイオウ蓄積剤とを配置し、パティキュレートフィルタ上に捕集されている微粒子を酸化除去するために、パティキュレートフィルタ内に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しながら、パティキュレートフィルタの温度を目標温度まで上昇させ該目標温度に目標時間だけ保持する微粒子酸化作用を行うようにした内燃機関の排気浄化装置において、イオウ蓄積剤内に流入する排気ガスの空燃比がパティキュレートフィルタ内に流入する排気ガスの空燃比と一致するように、かつパティキュレートフィルタの温度が上昇するとイオウ蓄積剤の温度も上昇しパティキュレートフィルタの温度が低下するとイオウ蓄積剤の温度も低下するように、パティキュレートフィルタ及びイオウ蓄積剤が配置されており、硫酸塩を形成することなくイオウ蓄積剤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イオウ蓄積剤内に蓄えられているイオウの量に基づいて微粒子酸化作用を制御するようにしている。
【０００９】
また、２番目の発明によれば１番目の発明において、前記硫酸塩を形成することなくイオウ蓄積剤内に蓄えられているイオウの量に基づいて前記微粒子酸化作用の目標温度を設定するようにしている。
【００１０】
また、３番目の発明によれば２番目の発明において、前記硫酸塩を形成することなくイオウ蓄積剤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低くなるように前記微粒子酸化作用の目標温度を設定している。
【００１１】
また、４番目の発明によれば２番目の発明において、前記微粒子酸化作用の目標温度が低いときには高いときに比べて長くなるように前記微粒子酸化作用の目標時間を設定している。
【００１２】
また、５番目の発明によれば２番目の発明において、前記微粒子酸化作用が開始されてからの経過時間が長くなると該経過時間が短いときに比べて高くなるように前記微粒子酸化作用の目標温度を設定している。
【００１３】
また、６番目の発明によれば１番目の発明において、前記硫酸塩を形成することなくイオウ蓄積剤内に蓄えられているイオウの量に基づき、前記微粒子酸化作用時にイオウ蓄積剤内に流入する排気ガス中の酸素濃度を制御するようにしている。
【００１４】
また、７番目の発明によれば６番目の発明において、前記硫酸塩を形成することなくイオウ蓄積剤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低くなるように前記酸素濃度を制御している。
【００１５】
また、８番目の発明によれば１番目の発明において、パティキュレートフィルタ上に捕集されている微粒子の量が求められ、該パティキュレートフィルタ上に捕集されている微粒子の量が予め定められた第１のしきい量を越えたときに前記微粒子酸化作用が行われるようになっており、前記硫酸塩を形成することなくイオウ蓄積剤内に蓄えられているイオウの量が予め定められた許容量よりも多いときには、該パティキュレートフィルタ上に捕集されている微粒子の量に関わらず、前記微粒子酸化作用を禁止するようにしている。
【００１６】
また、９番目の発明によれば８番目の発明において、前記パティキュレートフィルタ上に捕集されている微粒子の量が、第１のしきい量よりも多く設定された第２のしきい量を越えたときには、前記硫酸塩を形成することなくイオウ蓄積剤内に蓄えられているイオウの量に関わらず、前記微粒子酸化作用を行うようにしている。
【００１７】
また、１０番目の発明によれば８番目の発明において、前記パティキュレートフィルタ上に捕集されている微粒子の量が第１のしきい量を越えたときに前記硫酸塩を形成することなくイオウ蓄積剤内に蓄えられているイオウの量が前記許容量よりも多いときには、硫酸塩を形成することなくイオウ蓄積剤内に蓄えられているイオウの量を減少させた後に、前記微粒子酸化作用を行うようにしている。
【００１８】
また、１１番目の発明によれば１番目の発明において、前記硫酸塩を形成することなくイオウ蓄積剤内に蓄えられているイオウの量が予め定められた限界量を越えたときには、イオウ蓄積剤の温度を上昇させて前記硫酸塩を形成することなくイオウ蓄積剤内に蓄えられているイオウの量を減少させるようにしている。
【００１９】
また、１２番目の発明によれば１１番目の発明において、イオウ蓄積剤の温度を上昇させるために前記微粒子酸化作用を行うようにしている。
【００２０】
また、１３番目の発明によれば１番目の発明において、前記イオウ蓄積剤を、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触媒から形成している。
【００２１】
また、１４番目の発明によれば１番目の発明において、前記イオウ蓄積剤が前記パティキュレートフィルタ上に担持されている。
【００２２】
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。
【００２３】
【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。
【００２４】
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。本発明による各実施例では、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。
【００２５】
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ＮＯ_Ｘ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、ＮＯ_Ｘ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、ＮＯ_Ｘ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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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と、ＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比ＡＦＰＭを検出するための空燃比センサ５０とが取り付けられ、ＮＯ_Ｘ触媒２２下流の排気管２０ｂ内にはＮＯ_Ｘ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５１が取り付けられる。これらセンサ４８，４９，５０の出力電圧はそれぞれ対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。ここで、空燃比センサ５０は排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサから形成される。また、温度センサ５１により検出される排気ガスの温度はＮＯ_Ｘ触媒２２の温度を表している。
【００２９】
アクセルペダル５２にはアクセルペダル５２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５３が接続され、負荷センサ５３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５４が接続される。ＣＰＵ４４ではクランク角センサ５４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。
【００３０】
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、ＮＯ_Ｘ触媒２２がそれぞれ担持されている。このＮＯ_Ｘ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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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の表面に付着し白金Ｐｔの表面上でＯ_２ ⁻又はＯ^２−と反応し、ＮＯ_２となる（ＮＯ＋Ｏ_２→ＮＯ_２＋Ｏ^＊、ここでＯ^＊は活性酸素）。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。
【００３４】
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＋２Ｏ^＊）に進み、斯くしてＮＯ_Ｘ触媒内の硝酸イオンＮＯ_３ ⁻がＮＯ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_Ｘが存在しなくなるとＮＯ_Ｘ触媒から次から次へとＮＯ_Ｘ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。
【００３５】
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と考えられている。また、活性酸素Ｏ^＊に着目すれば、ＮＯ_Ｘ触媒はＮＯ_Ｘ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。
【００３６】
一方、補助触媒２３は本発明による各実施例では、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ＮＯ_Ｘ触媒から形成してもよい。
【００３７】
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ＮＯ_Ｘ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ＮＯ_ＸはＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられる。
【００３８】
時間の経過と共にＮＯ_Ｘ触媒２２内の蓄積ＮＯ_Ｘ量は次第に増大する。そこで本発明による各実施例では、ＮＯ_Ｘ触媒２２内の蓄積ＮＯ_Ｘ量を求め、ＮＯ_Ｘ触媒２２内の蓄積ＮＯ_Ｘ量がＮＯ_Ｘ許容量を越えたときには、ＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＮＯ_Ｘを還元しＮＯ_Ｘ触媒２２内の蓄積ＮＯ_Ｘ量を減少させるために、ＮＯ_Ｘ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ようにしている。
【００３９】
ところで、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２２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２２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の表面に付着し白金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ＳＯ_４ ⁻の形でＮＯ_Ｘ触媒２２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。
【００４０】
この硫酸塩ＢａＳＯ_４は分解しにくく、ＮＯ_Ｘ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ＮＯ_Ｘ触媒２２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２２内の硫酸塩ＢａＳＯ_４の量が増大し、その結果ＮＯ_Ｘ触媒２２が蓄えうるＮＯ_Ｘの量が減少することになる。
【００４１】
ところが、ＮＯ_Ｘ触媒２２の温度を要求温度例えば５５０℃以上に維持しつつＮＯ_Ｘ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、ＮＯ_Ｘ触媒２２内の硫酸塩ＢａＳＯ_４が分解してＳＯ_３の形でＮＯ_Ｘ触媒２２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２２内に硫酸塩ＢａＳＯ_４の形で蓄えられているＳＯ_Ｘの量が次第に減少し、このときＮＯ_Ｘ触媒２２からＳＯ_ＸがＳＯ_３の形で流出することがない。
【００４２】
そこで本発明による第１実施例では、硫酸塩の形でＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量を求め、このＳＯ_Ｘの量が予め定められたＳＯ_Ｘ許容量を越えたときには、硫酸塩の形でＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量を減少させるために、ＮＯ_Ｘ触媒２２の温度を要求温度例えば５５０℃以上に維持しながら、ＮＯ_Ｘ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切り替えるＳＯ_Ｘ処理を行うようにしている。
【００４３】
ＮＯ_Ｘ触媒２２の温度を上昇させる方法には様々な方法があり、例えばＮＯ_Ｘ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ＮＯ_Ｘ触媒２２又はＮＯ_Ｘ触媒２２に流入する排気ガスを加熱する方法や、ＮＯ_Ｘ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ＮＯ_Ｘ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ＮＯ_Ｘ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、例えば主燃料の噴射時期を遅角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。
【００４４】
一方、ＮＯ_Ｘ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にも様々な方法があり、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、ＮＯ_Ｘ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噴射さ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。
【００４５】
本発明による第１実施例では、ＮＯ_Ｘ触媒２２内のＮＯ_Ｘを還元しＮＯ_Ｘ触媒２２内の蓄積ＮＯ_Ｘ量を減少させるべきときには、図２の（Ｉ）に示されるように例えば排気行程に追加の燃料Ｑａが噴射される。これに対し、ＮＯ_Ｘ触媒２２内の蓄積ＳＯ_Ｘ量を減少させるべきときには、図２の（ＩＩ）に示されるように例えば膨張行程に追加の燃料Ｑａが噴射される。このようにすると、追加の燃料Ｑａのうち燃焼室５内又はＮＯ_Ｘ触媒２２内で燃焼する燃料量が多くなり、従ってＮＯ_Ｘ触媒２２の温度を高く維持しつつＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることが可能になる。なお、図２においてＱｍは通常圧縮上死点付近で噴射される主燃料を示している。
【００４６】
図３は硫酸塩の形でＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量を減少させるためのＳＯ_Ｘ処理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毎の割り込みによって実行される。図３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が積算値ＳＱＦに加算される（ＳＱＦ＝ＳＱＦ＋ＱＦ）。硫酸塩の形でＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量は単位時間当たりＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入するＳＯ_Ｘの量の積算値に依存し、単位時間当たりＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入するＳＯ_Ｘ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ＳＱＦは硫酸塩の形でＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量を表していることになる。
【００４７】
続くステップ１０１では積算値ＳＱＦが、上述したＳＯ_Ｘ許容量に相当する許容値ＳＱＦＡよりも大きいか否かが判別される。ＳＱＦ≦ＳＱＦＡのときには処理サイクルを終了し、ＱＳ＞ＱＳＡのときには次いでステップ１０２に進み、ＮＯ_Ｘ触媒２２の温度を例えば５５０℃以上に保持しながらＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比がわずかばかりリッチになるように、膨張行程に追加の燃料Ｑａが一定時間だけ噴射される。続くステップ１０３では積算値ＳＱＦがクリアされる。
【００４８】
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、ＮＯ_Ｘ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。
【００４９】
この場合、上述したＮＯ_Ｘ触媒２２のＮＯ_Ｘの蓄積還元メカニズムによれば、ＮＯ_Ｘ触媒２２内にＮＯ_Ｘが蓄えられるときにもＮＯ_Ｘ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Ｏ_２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ＮＯ_Ｘ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。
【００５０】
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。
【００５１】
そこで本発明による第１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ＡＦＰＭ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Ｔを目標温度ＴＰＭまで上昇し目標時間ｔＰＭだけ目標温度ＴＰＭに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。
【００５２】
具体的に説明すると、本発明による第１実施例では、図４において矢印Ｘで示されるように、圧力センサ４９により検出される機関背圧Ｐが第１のしきい値Ｐ１よりも高くなると、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、このとき微粒子酸化作用が開始される、即ちパティキュレートフィルタ２２ｂの温度Ｔが上昇される。次いで、パティキュレートフィルタ２２ｂの温度Ｔが目標温度ＴＰＭになるとこの目標温度ＴＰＭに維持され、次いで微粒子酸化作用が開始されてから目標時間ｔＰＭだけ経過すると、微粒子酸化作用が停止され、従ってパティキュレートフィルタ２２ｂの温度Ｔが低下する。なお、図４に示される目標時間ｔＰＭは微粒子酸化作用が行われている時間であるけれども、パティキュレートフィルタ２２ｂの温度Ｔが目標温度ＴＰＭに維持されている時間も表している。また、目標時間ｔＰＭはパティキュレートフィルタ２２ｂ上の堆積微粒子量を例えばほぼゼロにするのに必要な時間である。
【００５３】
また、本発明による第１実施例では、微粒子酸化作用を行うべきときには、図２の（ＩＩＩ）に示されるように例えば膨張行程に追加の燃料Ｑａが噴射される。このため、微粒子酸化作用時には、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ＡＦＰＭが若干小さくなる。この場合、パティキュレートフィルタ２２ｂの温度Ｔが目標温度ＴＰＭよりも低いときには例えば追加の燃料Ｑａが増量され、内燃機関から排出される排気ガスの温度が上昇される。これに対し、パティキュレートフィルタ２２ｂの温度Ｔが目標温度ＴＰＭよりも高いときには例えば追加の燃料Ｑａが減量され、内燃機関から排出される排気ガスの温度が低下される。このようにしてパティキュレートフィルタ２２ｂの温度Ｔが目標温度ＴＰＭに維持される。
【００５４】
ところが、冒頭で述べたように、ＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入する排気ガスの平均空燃比ＡＦＰＭがリーンに維持されていてもＮＯ_Ｘ触媒２２の温度が高くなると、ＮＯ_Ｘ触媒２２から流出する排気ガス中のＳＯ_Ｘ濃度がＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入する排気ガス中のＳＯ_Ｘ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、ＮＯ_Ｘ触媒２２の温度が高くなるとＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘが排出され、このＳＯ_Ｘは硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているということを意味している。
【００５５】
このＳＯ_Ｘがどのような形でＮＯ_Ｘ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ＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入する排気ガス中のＳＯ_２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ＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量が少ないときには、白金Ｐｔ表面上に付着したＳＯ_２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ＳＯ_Ｘの量が多くなると、白金Ｐｔ表面上に付着しているＳＯ_２が硫酸塩を形成しにくくなり、ＳＯ_２のまま白金Ｐｔ表面上に付着し続ける。このようにしてＳＯ_Ｘが硫酸塩を形成することなく蓄えられる。このように、ＮＯ_Ｘ触媒２２内には硫酸塩の形で蓄えられるＳＯ_Ｘもあれば、硫酸塩を形成することなく蓄えられるＳＯ_Ｘもあるということになる。
【００５６】
例えば微粒子酸化作用が開始されてＮＯ_Ｘ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ＳＯ_２がＮＯ_Ｘ触媒２２から排出される。このときＮＯ_Ｘ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ＳＯ_２はＮＯ_Ｘ触媒２２内か又は補助触媒２３内でサルフェートＳＯ_３に酸化される恐れがある。
【００５７】
そこで本発明による各実施例では、硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量を求め、このＳＯ_Ｘの量に基づいて微粒子酸化作用を制御するようにしている。
【００５８】
硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘ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ＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量を表す積算値ＳＱＦ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ＳＯ_Ｘの量が少なく、積算値ＳＱＦ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ＳＯ_Ｘの量が多くなると考えられる。
【００５９】
そうすると、積算値ＳＱＦは硫酸塩の形でＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量を表すだけでなく、硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量も表しているということになる。なお、硫酸塩の形でＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量がＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入するＳＯ_Ｘ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ＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量もＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入するＳＯ_Ｘの量に基づいて求められるということになる。
【００６０】
本発明による第１実施例では、硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量を表すＳＯ_Ｘカウント値ＱＳが積算値ＳＱＦとされる。その上で、このＳＯ_Ｘカウント値ＱＳが許容値ＱＳＡよりも大きいときには、微粒子酸化作用を禁止するようにしている。
【００６１】
即ち、図５において矢印Ｘで示されるように機関背圧Ｐが上述した第１のしきい値Ｐ１よりも高くなったときに、ＳＯ_Ｘカウント値ＱＳが許容値ＱＳＡよりも大きいときには、微粒子酸化作用が行われず、即ち微粒子酸化作用が禁止される。ＳＯ_Ｘカウント値ＱＳが大きく従って硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量が多いときに微粒子酸化作用を行うと、高濃度のサルフェートが大気中に排出される恐れがあるからである。
【００６２】
硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘは、ＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比がリッチになると、ＮＯ_Ｘ触媒２２の温度が比較的低くても、ＳＯ_２の形でＮＯ_Ｘ触媒２２から排出される。また、ＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比ＡＦＰＭ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ＮＯ_Ｘ触媒２２から排出されたＳＯ_２が補助触媒２３内でもサルフェートＳＯ_３まで酸化されない。
【００６３】
そこで、ＱＳ＞ＱＳＡのときには図５に示されるように、硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量を例えばほぼゼロまで減少させるために、ＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比ＡＦＰＭを一時的にリッチに切り替えるリッチ処理を行うようにしている。
【００６４】
この場合、ＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比ＡＦＰＭが目標リッチ空燃比ＡＦＮＳに目標時間ｔＮＳだけ保持される。これら目標リッチ空燃比ＡＦＮＳ及び目標時間ｔＮＳを一定とすることもできる。しかしながら、硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘ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ＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量を減少させるのに必要な還元剤の量は多くなる。従って、目標リッチ空燃比ＡＦＮＳ及び目標時間ｔＮＳをＳＯ_Ｘカウント値ＱＳに応じて設定することもできる。即ち、図６（Ａ）に示されるようにＳＯ_Ｘカウント値ＱＳが大きいときには小さいときに比べて小さくなるように目標リッチ空燃比ＡＦＮＳを設定することもできるし、図６（Ｂ）に示されるようにＳＯ_Ｘカウント値ＱＳが大きいときには小さいときに比べて長くなるように目標時間ｔＮＳを設定することもできる。なお、リッチ処理を行うべきときには例えば図２の（Ｉ）に示されるように、排気行程に追加の燃料Ｑａが噴射される。
【００６５】
また、リッチ処理では、ＮＯ_Ｘ触媒２２の温度を上述したＳＯ_Ｘ処理における要求温度以上にする必要がない。そこで本発明による第１実施例のリッチ処理では、ＮＯ_Ｘ触媒２２の温度が要求温度を越えないようにしながらＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比ＡＦＰＭを一時的にリッチに切り替えるようにしている。
【００６６】
次いで、リッチ処理が完了すると、図５に示されるようにＳＯ_Ｘカウント値ＱＳがクリアされ、次いで微粒子酸化作用が開始される。このとき、硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量はほぼゼロであり、従って微粒子酸化作用を行ってもサルフェートＳＯ_３が排出される恐れがない。
【００６７】
このように機関背圧Ｐが第１のしきい値Ｐ１よりも高くなっても、ＳＯ_Ｘカウント値ＱＳが許容値ＱＳＡよりも大きければ、微粒子酸化作用が禁止される。しかしながら、機関背圧Ｐが第１のしきい値Ｐ１よりも高い第２のしきい値Ｐ２よりも高いときには、ＳＯ_Ｘカウント値ＱＳに関わらず、微粒子酸化作用を行うようにしている。パティキュレートフィルタ２２ｂ上の堆積微粒子量が多いときに微粒子酸化作用を禁止してリッチ処理を行うと、リッチ処理が完了した時点で堆積微粒子量がかなり多くなっている場合がある。この状態で微粒子酸化作用を行うと、パティキュレートフィルタ２２ｂ上の堆積微粒子がいっきに酸化し、その結果パティキュレートフィルタ２２ｂの温度Ｔが局所的に急激に上昇してパティキュレートフィルタ２２ｂが溶損する恐れがある。そこで、機関背圧Ｐが第２のしきい値Ｐ２よりも高く従ってパティキュレートフィルタ２２ｂ上の堆積微粒子量がかなり多いときには、微粒子酸化作用を禁止せず、直ちに堆積微粒子を酸化除去するようにしている。
【００６８】
ところが、このときＳＯ_Ｘカウント値ＱＳが大きい場合もあり、従ってこの状態で微粒子酸化作用を行うと高濃度のサルフェートＳＯ_３が排出される恐れがあることは上述した通りである。そこで本発明による第１実施例では、微粒子酸化作用の制御パラメータをＳＯ_Ｘカウント値ＱＳに基づいて設定するようにしている。
【００６９】
即ち、本発明による第１実施例では図７に示されるように、ＳＯ_Ｘカウント値ＱＳが大きいときには小さいときに比べて、目標温度ＴＰＭが低くされている。硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘが単位時間当たりにＮＯ_Ｘ触媒２２から排出される量は、ＮＯ_Ｘ触媒２２の温度Ｔが高くなるにつれて多くなる。そこで、ＳＯ_Ｘカウント値ＱＳが大きく従って硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量が多いときには、ＮＯ_Ｘ触媒２２の温度Ｔが高くならないようにしている。
【００７０】
目標温度ＴＰＭが低いときには、パティキュレートフィルタ２２ｂ上の堆積微粒子の酸化速度が低く、即ちパティキュレートフィルタ２２ｂ上のほぼ全ての堆積微粒子を酸化するために長時間を要する。そこで本発明による第１実施例では、目標温度ＴＰＭが低いときには高いときに比べて、目標時間ｔＰＭが長くなるようにしている。
【００７１】
即ち、ＳＯ_Ｘカウント値ＱＳが小さいときには図８（Ａ）に示されるように目標温度ＴＰＭが高くされ、目標時間ｔＰＭが短くされる。これに対し、ＳＯ_Ｘカウント値ＱＳが大きいときには図８（Ｂ）に示されるように目標温度ＴＰＭが低くされ、目標時間ｔＰＭが長くされる。このようにすると、大気中に高濃度のサルフェートＳＯ_３が排出されるのを阻止しつつ、パティキュレートフィルタ２２ｂ上の堆積微粒子を確実に酸化除去することができる。
【００７２】
ここで、目標温度ＴＰＭは図７に示されるように、下限値ＴＬ例えば３００℃から上限値ＵＬ例えば６５０℃までの間に設定される。パティキュレートフィルタ２２ｂの温度Ｔが下限値ＴＬよりも低くなると微粒子の酸化が促進されず、上限値ＵＬよりも高くなるとパティキュレートフィルタ２２ｂが溶損する恐れがあるからである。
【００７３】
また、機関背圧Ｐが第１のしきい値Ｐ１よりも高くなったときにＳＯ_Ｘカウント値ＱＳが許容値ＱＳＡよりも小さいときにも、ＳＯ_Ｘカウント値ＱＳに基づいて目標温度ＴＰＭ及び目標時間ｔＰＭが設定され、これら目標温度ＴＰＭ及び目標時間ｔＰＭに従って微粒子酸化作用が行われる。
【００７４】
図９は本発明による第１実施例の排気浄化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毎の割り込みによって実行される。
【００７５】
図９を参照すると、まずステップ１１０では、図３のステップ１００で求められる積算値ＳＱＦがＳＯ_Ｘカウント値ＱＳとされる。続くステップ１１１では、機関背圧Ｐが第１のしきい値Ｐ１よりも高いか否かが判別される。Ｐ≦Ｐ１のときには処理サイクルを終了し、Ｐ＞Ｐ１のときには次いでステップ１１２に進み、ＳＯ_Ｘカウント値ＱＳが許容値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１１３に進み、微粒子酸化作用ルーチンが実行される。この微粒子酸化作用ルーチンは図１０に示されている。
【００７６】
これに対し、ＱＳ＞ＱＳＡのときには次いでステップ１１４に進み、機関背圧Ｐが第２のしきい値Ｐ２よりも高いか否かが判別される。Ｐ＞Ｐ２のときには次いでステップ１１３に進み、微粒子酸化作用ルーチンが実行される。Ｐ≦Ｐ２のときには次いでステップ１１５に進んでリッチ処理ルーチンが実行される。このリッチ処理ルーチンは図１１に示されている。次いでステップ１１３に進んで微粒子酸化作用ルーチンが実行される。
【００７７】
微粒子酸化作用ルーチンを示す図１０を参照すると、まずステップ１２０では図７のマップから目標温度ＴＰＭが算出され、続くステップ１２１では図７のマップから目標時間ｔＰＭが算出され、続くステップ１２２では例えば膨張行程中に追加の燃料Ｑａが噴射される。続くステップ１２３では微粒子酸化作用が開始されてから目標時間ｔＰＭだけ経過したか否かが判別される。目標時間ｔＰＭだけ経過していないときにはステップ１２２に戻り、目標時間ｔＰＭだけ経過すると処理サイクルを終了する。
【００７８】
リッチ処理ルーチンを示す図１１を参照すると、まずステップ１３０では図６（Ａ）のマップから目標リッチ空燃比ＡＦＮＳが算出され、続くステップ１３１では図６（Ｂ）のマップから目標時間ｔＮＳが算出され、続くステップ１３２では追加の燃料Ｑａが排気行程に噴射される。続くステップ１３３ではリッチ処理が開始されてから目標時間ｔＮＳだけ経過したか否かが判別される。目標時間ｔＮＳだけ経過していないときにはステップ１３２に戻り、目標時間ｔＮＳだけ経過するとステップ１３４に進んでＳＯ_Ｘカウント値ＱＳをクリアする。
【００７９】
次に、本発明による第２実施例を説明する。
【００８０】
上述したリッチ処理が直前に行われたときは別として、微粒子酸化作用が開始されてからの経過時間が長くなるにつれて、硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量が次第に減少する。このように硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量が少なくなったときには、パティキュレートフィルタ２２ｂの温度Ｔが高くなっても、高濃度サルフェートＳＯ_３が排出されない。
【００８１】
そこで本発明による第２実施例では、微粒子酸化作用が開始されてからの経過時間が長くなると経過時間が短いときに比べて高くなるように微粒子酸化作用の目標温度ＴＰＭを設定している。即ち、図１２に示される例では、微粒子酸化作用が時間ｄｔだけ行われる毎に、目標温度ＴＰＭが初期値ＴＰＭｉからｄＴだけステップ状に増大せしめられる。この初期値ＴＰＭｉは例えば図７のマップから求めることができる。なお、目標温度ＴＰＭが上限温度ＴＭＡＸまで上昇されると、上限温度ＴＭＡＸに保持される。
【００８２】
図１３は本発明による第２実施例の微粒子酸化作用ルーチンを示している。この微粒子酸化作用ルーチンは図９のステップ１１３で実行される。
【００８３】
図１３を参照すると、まずステップ１４０では図７のマップからＴＰＭが算出され、このＴＰＭが目標温度の初期値ＴＰＭｉとされる。続くステップ１４１では図７のマップから目標時間ｔＰＭが算出され、続くステップ１４２では例えば膨張行程中に追加の燃料Ｑａが噴射される。続くステップ１４３では微粒子酸化作用が開始されてから目標時間ｔＰＭだけ経過したか否かが判別される。目標時間ｔＰＭだけ経過していないときには次いでステップ１４４に進み、例えば図１２のマップに従って目標温度ＴＰＭを更新した後にステップ１４２に戻る。次いで、目標時間ｔＰＭだけ経過すると処理サイクルを終了する。
【００８４】
排気浄化装置のその他の構成及び作用は上述した第１実施例と同様であるので、説明を省略する。
【００８５】
次に、本発明による第３実施例を説明する。
【００８６】
ＮＯ_Ｘ触媒２２から排出されるＳＯ_ＸがサルフェートＳＯ_３の形で排出されるのは上述したように、ＮＯ_Ｘ触媒２２内のＳＯ_２がサルフェートＳＯ_３に酸化されるからであると考えられる。そうすると、微粒子酸化作用が行われてもこのときサルフェートＳＯ_３への酸化を抑制できれば、ＮＯ_Ｘ触媒２２から排出されるサルフェートＳＯ_３の量を抑制できることになる。一方、サルフェートＳＯ_３への酸化の生じ易さはＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入する排気ガス中の酸素濃度に依存する。
【００８７】
そこで本発明による第３実施例では、硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量が多いときに少ないときに比べて低くなるように、微粒子酸化作用時にＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入する排気ガス中の酸素濃度を制御している。具体的には、ＳＯ_Ｘカウント値ＱＳが大きいときには小さいときに比べて小さくなるように目標リーン空燃比ＡＦＬが設定され、微粒子酸化作用時にＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比ＡＦＰＭがこの目標リーン空燃比ＡＦＬに一致するように制御される。この場合、流入排気ガスの空燃比ＡＦＰＭが目標リーン空燃比ＡＦＬよりもリーンのときには例えば追加の燃料Ｑａが増量され、流入排気ガスの空燃比ＡＦＰＭが目標リーン空燃比ＡＦＬよりもリッチのときには例えば追加の燃料Ｑａが減量される。
【００８８】
その結果、サルフェートＳＯ_３の生成を抑制しながら、パティキュレートフィルタ２２ｂ上の堆積微粒子を確実に酸化除去することができる。なお、本発明による第３実施例では、微粒子酸化作用の目標温度ＴＰＭ及び目標時間ｔＰＭがそれぞれ一定値とされる。
【００８９】
図１５は本発明による第３実施例による微粒子酸化作用ルーチンを示している。この微粒子酸化作用ルーチンは図９のステップ１１３で実行される。
【００９０】
図１５を参照すると、まずステップ１５０では図１４のマップから目標リーン空燃比ＡＦＰＭが算出され、続くステップ１５１では例えば膨張行程中に追加の燃料Ｑａが噴射される。続くステップ１５２では微粒子酸化作用が開始されてから目標時間ｔＰＭだけ経過したか否かが判別される。目標時間ｔＰＭだけ経過していないときにはステップ１５１に戻り、目標時間ｔＰＭだけ経過すると処理サイクルを終了する。
【００９１】
なお、本発明による第３実施例においても、図１２及び図１３を参照して説明した実施例におけるように、微粒子酸化作用の経過時間が長くなるにつれて目標リーン空燃比ＡＦＬが大きくなるようにしてもよい。
【００９２】
排気浄化装置のその他の構成及び作用は上述した第１実施例と同様であるので、説明を省略する。
【００９３】
次に、本発明による第４実施例を説明する。
【００９４】
まず、図１６のＳＯ_Ｘ処理ルーチンを参照して本発明による第４実施例のＳＯ_Ｘ処理を説明する。このルーチンは予め定められた処理サイクル時間毎の割り込みによって実行される。
【００９５】
図１６を参照すると、まずステップ１６０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が積算値ＳＱＦに加算される（ＳＱＦ＝ＳＱＦ＋ＱＦ）。この積算値ＳＱＦは硫酸塩の形でＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量を表している。続くステップ１６１では積算値ＳＱＦがＳＯ_Ｘ許容量に相当する許容値ＳＱＦＡよりも大きいか否かが判別される。ＳＱＦ≦ＳＱＦＡのときには処理サイクルを終了し、ＱＳ＞ＱＳＡのときには次いでステップ１６２に進み、要求負荷Ｌが機関回転数Ｎの関数として定められている設定負荷Ｘ（Ｎ）よりも高いか否かが判別される。Ｌ≦Ｘ（Ｎ）のときには処理サイクルを終了する。これに対し、Ｌ＞Ｘ（Ｎ）のときには次いでステップ１６３に進み、ＮＯ_Ｘ触媒２２の温度を例えば５５０℃以上に保持しながらＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比がわずかばかりリッチになるように、膨張行程に追加の燃料Ｑａが一定時間だけ噴射される。続くステップ１６４では積算値ＳＱＦがクリアされる。
【００９６】
即ち、図１７に示されるように、要求負荷Ｌが設定負荷Ｘ（Ｎ）よりも低い低負荷運転時には燃焼温度が低いので、ＮＯ_Ｘ触媒２２の温度を例えば５５０℃以上に保持するために多量の追加の燃料Ｑａが必要になる。これに対して、要求負荷Ｌが設定負荷Ｘ（Ｎ）よりも高い高負荷運転時には燃焼温度が高いので多量の追加の燃料Ｑａを要しない。
【００９７】
そこで本発明による第４実施例では、ＳＱＦ＞ＳＱＦＡとなったときにＬ≦Ｘ（Ｎ）のときにはＳＯ_Ｘ処理を行わず、ＳＱＦ＞ＳＱＦＡとなったときにＬ＞Ｘ（Ｎ）のときにはＳＯ_Ｘ処理を行うようにしている。このようにすると、ＮＯ_Ｘ触媒２２から硫酸塩の形でＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量を減少させるために必要な燃料量を低減することができる。
【００９８】
このようなＳＯ_Ｘ処理が行われると、硫酸塩の形でＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量だけでなく、硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量も減少し、しかもこのときＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比がリッチであるのでサルフェートＳＯ_３が生成されない。
【００９９】
さて、本発明による第４実施例でも、機関背圧Ｐがしきい値ＰＡを越えたときに微粒子酸化作用が行われる。しかしながら、このしきい値ＰＡは先のＳＯ_Ｘ処理が行われてからの経過時間ｔＳＲに応じて設定され、図１８に示される例では経過時間ｔＳＲが長いときには短いときに比べて小さくなるように設定されている。
【０１００】
詳しく説明すると、図１９（Ａ）及び（Ｂ）に示されるように機関背圧Ｐがしきい値ＰＡを越えると矢印Ｚで示されるように微粒子酸化作用が行われる。ここで、経過時間ｔＳＲが短く従ってしきい値ＰＡが大きい場合には図１９（Ａ）に示されるように、先の微粒子酸化作用が行われてから次の微粒子酸化作用が行われるまでの時間間隔ＩＮＴが長くなり、微粒子酸化作用の実行頻度が低くなる。これに対し、経過時間ｔＳＲが長く従ってしきい値ＰＡが小さい場合には図１９（Ｂ）に示されるように、時間間隔ＩＮＴが短くなり、微粒子酸化作用の実行頻度が高くなる。
【０１０１】
上述したように、硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量が多いときに微粒子酸化作用を行うと、高濃度のサルフェートＳＯ_３が大気中に排出される恐れがある。しかしながら、逆に言えば、硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量が少ないうちに微粒子酸化作用を行えば、高濃度のサルフェートＳＯ_３が排出されないということになる。これが本発明による第４実施例の基本的な考え方である。
【０１０２】
ＳＯ_Ｘ処理が行われない限り、硫酸塩の形でＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量は減少せず、従って経過時間ｔＳＲが長くなるにつれて、硫酸塩の形でＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量が次第に増大する。このように、経過時間ｔＳＲは硫酸塩の形でＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量を表している。
【０１０３】
一方、上述したように、硫酸塩の形でＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量が多いときには少ないときに比べて、ＳＯ_Ｘが硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられやすく、従って硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量が速やかに増大すると考えられる。
【０１０４】
従って、硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量が少ないうちに微粒子酸化作用を行うためには、硫酸塩の形でＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量が多いときには少ないときに比べて、微粒子酸化作用の時間間隔ＩＮＴを短くする必要がある。
【０１０５】
そこで本発明による第４実施例では、経過時間ｔＳＲが長いときには短いときに比べてしきい値ＰＡが小さくなるようにしているのである。
【０１０６】
図１６を参照して上述したように本発明による第４実施例では、硫酸塩の形でＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量がＳＯ_Ｘ許容量を越えたとしても、Ｌ≦Ｘ（Ｎ）である機関低負荷運転が行われる限りＳＯ_Ｘ処理が行われない。このため、硫酸塩の形でＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量がかなり多くなる場合があり、このとき硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量もかなり多くなる恐れがある。
【０１０７】
このような場合でも本発明による第４実施例では、微粒子酸化作用の頻度が高められているので、硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量が多くなるのが阻止されており、従って高濃度のサルフェートＳＯ_３が排出されるのが阻止されている。
【０１０８】
微粒子酸化作用が行われたときに大気中に排出されるサルフェートＳＯ_３の量は微粒子酸化作用が開始される時点で硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量に応じて定まり、このＳＯ_Ｘの量はしきい値ＰＡに応じて定まる。本発明による第４実施例では、微粒子酸化作用が行われたときに大気中に排出されるサルフェートＳＯ_３の量が許容限界以下に維持されるようにしきい値ＰＡが予め設定されている。
【０１０９】
ところで、このように微粒子酸化作用が開始される時点で硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量に着目すると、本発明による第４実施例では、硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量が或る一定量を越えたときに微粒子酸化作用を行うようにしていると見ることもできる。この場合の一定量は上述したサルフェートＳＯ_３についての許容限界に相当するものであり、以下では限界量と称することにする。
【０１１０】
硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量がこの限界量を越えたときに、ＳＯ_Ｘ処理や図５及び図６を参照して説明したリッチ処理を行うようにしてもよい。しかしながら、燃料消費率や機関背圧のことを考えると、微粒子酸化作用が好ましい。
【０１１１】
従って、本発明による第４実施例では一般的に言うと、硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量が予め定められた限界量を越えたときには、ＮＯ_Ｘ触媒２２の温度を上昇させて硫酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量を減少させるようにしているということになる。
【０１１２】
図２０は本発明による第４実施例の排気浄化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毎の割り込みによって実行される。
【０１１３】
図２０を参照すると、まずステップ１７０では、前回のＳＯ_Ｘ処理が行われてからの経過時間ｔＳＲが算出される。続くステップ１７１では、図１８のマップからしきい値ＰＡが算出される。続くステップ１７２では、機関背圧Ｐがしきい値ＰＡよりも高いか否かが判別される。Ｐ≦ＰＡのときには処理サイクルを終了し、Ｐ＞ＰＡのときには次いでステップ１７３に進み、例えば図１０に示される微粒子酸化作用ルーチンが実行される。
【０１１４】
排気浄化装置のその他の構成及び作用は上述した第１実施例と同様であるので、説明を省略する。
【０１１５】
これまで述べてきた本発明による各実施例では、ＮＯ_Ｘ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、ＮＯ_Ｘ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、ＮＯ_Ｘ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、ＮＯ_Ｘ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。
【０１１６】
【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】追加の燃料を説明するための図である。
【図３】ＳＯ_Ｘ処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図４】微粒子酸化作用を説明するための図である。
【図５】本発明による第１実施例を説明するための図である。
【図６】目標リッチ空燃比ＡＦＮＳ及び目標時間ｔＮＳを示す線図である。
【図７】目標温度ＴＰＭ及び目標時間ｔＰＭを示す線図である。
【図８】温度変化の違いを説明するための図である。
【図９】排気浄化制御ルーチンを実行するためのフローチャートである。
【図１０】微粒子酸化作用ルーチンを実行するためのフローチャートである。
【図１１】リッチ処理ルーチンを実行するためのフローチャートである。
【図１２】目標温度ＴＰＭの変化を示す線図である。
【図１３】本発明による第２実施例の微粒子酸化作用ルーチンを実行するためのフローチャートである。
【図１４】目標リーン空燃比ＡＦＬを示す線図である。
【図１５】本発明による第３実施例の微粒子酸化作用ルーチンを実行するためのフローチャートである。
【図１６】本発明による第４実施例のＳＯ_Ｘ処理ルーチンを実行するためのフローチャートである。
【図１７】設定負荷Ｘ（Ｎ）を示す線図である。
【図１８】しきい値ＰＡを示す線図である。
【図１９】時間間隔ＩＮＴを説明するための図である。
【図２０】本発明による第４実施例の排気浄化制御ルーチンを実行するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１…機関本体
２０ａ，２０ｂ…排気管
２２…ＮＯ_Ｘ触媒
２２ａ…パティキュレートフィルタ

Claims

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と、流入する排気ガスの空燃比がリーンのとき又はその温度が低いときに、流入する排気ガス中のイオウを、硫酸塩を形成することなく蓄え、流入する排気ガスの空燃比がリッチになるか又はその温度が高くなると硫酸塩を形成することなく蓄えているイオウの量が減少するイオウ蓄積剤とを配置し、パティキュレートフィルタ上に捕集されている微粒子を酸化除去するために、パティキュレートフィルタ内に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しながら、パティキュレートフィルタの温度を目標温度まで上昇させ該目標温度に目標時間だけ保持する微粒子酸化作用を行うようにした内燃機関の排気浄化装置において、イオウ蓄積剤内に流入する排気ガスの空燃比がパティキュレートフィルタ内に流入する排気ガスの空燃比と一致するように、かつパティキュレートフィルタの温度が上昇するとイオウ蓄積剤の温度も上昇しパティキュレートフィルタの温度が低下するとイオウ蓄積剤の温度も低下するように、パティキュレートフィルタ及びイオウ蓄積剤が配置されており、硫酸塩を形成することなくイオウ蓄積剤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イオウ蓄積剤内に蓄えられているイオウの量に基づいて微粒子酸化作用を制御するようにした内燃機関の排気浄化装置。
前記硫酸塩を形成することなくイオウ蓄積剤内に蓄えられているイオウの量に基づいて前記微粒子酸化作用の目標温度を設定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。
前記硫酸塩を形成することなくイオウ蓄積剤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低くなるように前記微粒子酸化作用の目標温度を設定する請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記微粒子酸化作用の目標温度が低いときには高いときに比べて長くなるように前記微粒子酸化作用の目標時間を設定する請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記微粒子酸化作用が開始されてからの経過時間が長くなると該経過時間が短いときに比べて高くなるように前記微粒子酸化作用の目標温度を設定する請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記硫酸塩を形成することなくイオウ蓄積剤内に蓄えられているイオウの量に基づき、前記微粒子酸化作用時にイオウ蓄積剤内に流入する排気ガス中の酸素濃度を制御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。
前記硫酸塩を形成することなくイオウ蓄積剤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低くなるように前記酸素濃度を制御する請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
パティキュレートフィルタ上に捕集されている微粒子の量が求められ、該パティキュレートフィルタ上に捕集されている微粒子の量が予め定められた第１のしきい量を越えたときに前記微粒子酸化作用が行われるようになっており、前記硫酸塩を形成することなくイオウ蓄積剤内に蓄えられているイオウの量が予め定められた許容量よりも多いときには、該パティキュレートフィルタ上に捕集されている微粒子の量に関わらず、前記微粒子酸化作用を禁止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。
前記パティキュレートフィルタ上に捕集されている微粒子の量が、第１のしきい量よりも多く設定された第２のしきい量を越えたときには、前記硫酸塩を形成することなくイオウ蓄積剤内に蓄えられているイオウの量に関わらず、前記微粒子酸化作用を行うようにした請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記パティキュレートフィルタ上に捕集されている微粒子の量が第１のしきい量を越えたときに前記硫酸塩を形成することなくイオウ蓄積剤内に蓄えられているイオウの量が前記許容量よりも多いときには、硫酸塩を形成することなくイオウ蓄積剤内に蓄えられているイオウの量を減少させた後に、前記微粒子酸化作用を行うようにした請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記硫酸塩を形成することなくイオウ蓄積剤内に蓄えられているイオウの量が予め定められた限界量を越えたときには、イオウ蓄積剤の温度を上昇させて前記硫酸塩を形成することなくイオウ蓄積剤内に蓄えられているイオウの量を減少させ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。
イオウ蓄積剤の温度を上昇させるために前記微粒子酸化作用を行うようにした請求項１１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記イオウ蓄積剤を、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触媒から形成した請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記イオウ蓄積剤が前記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に記載の内燃機関の排気浄化装置。