JP2005113803A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＮＯ_x吸蔵触媒を効率的に活性化温度まで昇温させる。
【解決手段】 排気ターボチャージャ７の上流に酸化触媒１２を配置し、排気ターボチャージャ７の下流に空燃比がリーンのときＮＯ_xを吸蔵し空燃比がリッチになると吸蔵したＮＯ_xを放出するＮＯ_x吸蔵触媒１４を配置する。ＮＯ_x吸蔵触媒１４からＮＯ_xを放出すべきときにＮＯ_x吸蔵触媒１４を昇温する必要があるときには排気ガス量を増量することによってＮＯ_x吸蔵触媒１４を昇温させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

排気マニホルド集合部から排気ターボチャージャの排気タービンに至る排気通路内に三元触媒を配置し、排気タービン下流の排気通路内に三元触媒よりも容量の大きいＮＯ_x触媒を配置した内燃機関が公知である（例えば特許文献１参照）。この内燃機関では排気マニホルド集合部から排気タービンに至る排気通路内の排気ガス温は機関始動後ただちに上昇するのでこの排気通路内に配置されている三元触媒は容量が小さいこともあって機関始動後すみやかに活性化する。

これに対してＮＯ_x触媒は排気タービン下流の排気通路内に配置されており、このＮＯ_x触媒の温度を高めるには排気ターボチャージャ等ＮＯ_x触媒に至るまでの熱容量体を先に暖める必要がある。従って特に排気ガス温の低いディーゼル機関ではＮＯ_x触媒が活性化するまでにかなり時間を要することになる。
特開平９−２０９７４２号公報

ところでＮＯ_x触媒を早期に活性化するためには通常排気ガス温が上昇せしめられる。しかしながら単に排気ガス温を上昇させると三元触媒が過熱してしまうという問題を生ずる。

上記問題点を解決するために１番目の発明では、排気マニホルド集合部から排気ターボチャージャの排気タービンに至る排気通路内に酸化機能を有する第１の触媒を配置し、排気タービン下流の排気通路内に第１の触媒よりも容量の大きい第２の触媒を配置した内燃機関の排気浄化装置において、機関から排出される排気ガス量を増量させるための排気ガス量増量手段を具備し、第１の触媒は活性化しているが第２の触媒が活性化していないときに第２の触媒を活性化すべきときには排気ガス量増量手段により機関から排出される排気ガス量を増量して第１の触媒の温度上昇を抑制しつつ第２の触媒の温度を急速に上昇させるようにしている。
２番目の発明では１番目の発明において、排気タービン下流の排気通路内にパティキュレートフィルタを配置し、第２の触媒がパティキュレートフィルタ上に担持されている。
３番目の発明では１番目の発明において、第２の触媒は、第２の触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中に含まれるＮＯ_xを吸蔵し第２の触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯ_xを放出するＮＯ_x吸蔵触媒からなる。
４番目の発明では３番目の発明において、ＮＯ_x吸蔵触媒は、高いＮＯ_x浄化率を呈する高浄化率触媒温度領域と、この高浄化率触媒温度領域の低温側であって排気ガス中に含まれるＮＯ_xがＮＯの形であると容易に収蔵しないがＮＯ₂の形であれば容易に吸蔵しうる低温側触媒温度領域とを有し、ＮＯ_x吸蔵触媒の温度が低温側触媒温度領域にあるときには第１の触媒の温度を第１の触媒においてＮＯからＮＯ₂への酸化反応が進行しやすい温度に維持するために排気ガス温を上昇させるようにしている。
５番目の発明では３番目の発明において、ＮＯ_x吸蔵触媒では、排気ガスの空燃比がリッチにされたときにＮＯ_x吸蔵触媒の温度が還元活性温度以上であればＮＯ_x吸蔵触媒から放出されたＮＯ_xが還元せしめられ、ＮＯ_x吸蔵触媒からＮＯ_xを放出すべきときに第１の触媒は活性化しているがＮＯ_x吸蔵触媒の温度が還元活性温度よりも低いときには、排気ガス量増量手段により機関から排出される排気ガス量を増量して第１の触媒の温度上昇を抑制しつつＮＯ_x吸蔵触媒の温度を急速に上昇させ、ＮＯ_x吸蔵触媒の温度が還元活性温度を越えた後に排気ガスの空燃比を一時的にリーンからリッチに切換えるようにしている。

第１の触媒を過熱させずに活性化した状態に維持しつつ第２の触媒を早期に活性化することができる。

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。
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の入口はエアクリーナ８に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁９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１０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１０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の集合部５ａは排気通路１１を介して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、この排気通路１１内に酸化機能を有する第１の触媒１２が配置される。この第１の触媒１２は例えば金属薄板からなる担体上に白金Ｐｔのような貴金属触媒を担持した酸化触媒からなる。また、排気タービン７ｂ下流の排気通路１３内には第１の触媒１２よりも容量の大きい第２の触媒１４が配置されている。

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１５を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１５内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１６が配置される。また、ＥＧＲ通路１５周りにはＥＧＲ通路１５内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１７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１７内に導びかれ、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１８を介してコモンレール１９に連結される。このコモンレール１９内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２０から燃料が供給され、コモンレール１９内に供給された燃料は各燃料供給管１８を介して燃料噴射弁３に供給される。

電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。第１の触媒１２には第１の触媒１２の温度を検出するための温度センサ２１が取付けられ、この温度センサ２１の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、第２の触媒１４には第２の触媒１４の温度を検出するための温度センサ２２が取付けられ、この温度センサ２２の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０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４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５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４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁駆動用ステップモータ９、ＥＧＲ制御弁１６、および燃料ポンプ２０に接続される。

図１に示す実施例では第２の触媒１４がＮＯ_x吸蔵触媒からなる。このＮＯ_x吸蔵触媒１４は三次元網目構造のモノリス担体或いはペレット状担体上に担持されているか、又はハニカム構造をなすパティキュレートフィルタ上に担持されている。

モノリス担体、ペレット状担体、或いはパティキュレートフィルタ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２（Ａ）および（Ｂ）はこの触媒担体４５の表面部分の断面を図解的に示している。図２（Ａ）および（Ｂ）に示されるように触媒担体４５の表面上には貴金属触媒４６が分散して担持されており、更に触媒担体４５の表面上にはＮＯ_x吸収剤４７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４６として白金Ｐｔが用いられており、ＮＯ_x吸収剤４７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ＮＯ_x吸蔵触媒１４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ＮＯ_x吸収剤４７は排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯ_xを吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯ_xを放出するＮＯ_xの吸放出作用を行う。なお、ＮＯ_x吸蔵触媒１４上流の排気通路内に燃料（炭化水素）或いは空気が供給されない場合には排気ガスの空燃比は燃焼室２内における空燃比に一致し、従ってこの場合にはＮＯ_x吸収剤４７は燃焼室２内における空燃比がリーンのときにはＮＯ_xを吸収し、燃焼室２内における酸素濃度が低下すると吸収したＮＯ_xを放出することになる。

即ち、ＮＯ_x吸収剤４７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ＮＯ_x吸蔵触媒１４が活性化していれば排気ガス中に含まれるＮＯは図２（Ａ）に示されるように白金Ｐｔ４６上において酸化されてＮＯ₂となり、次いでＮＯ_x吸収剤４７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ＮＯ_x吸収剤４７内に拡散する。このようにしてＮＯ_xがＮＯ_x吸収剤４７内に吸収される。排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔ４６の表面でＮＯ₂が生成され、ＮＯ_x吸収剤４７のＮＯ_x吸収能力が飽和しない限りＮＯ₂がＮＯ_x吸収剤４７内に吸収されて硝酸イオンＮＯ₃ ^-が生成される。

これに対し、燃焼室２内における空燃比をリッチ或いは理論空燃比にすることによって、又は排気通路１１内に還元剤を供給することによって排気ガスの空燃比をリッチ或いは理論空燃比にすると排気ガス中の酸素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２（Ｂ）に示されるようにＮＯ_x吸収剤４７内の硝酸イオンＮＯ₃ ^-がＮＯ₂の形でＮＯ_x吸収剤４７から放出される。次いで放出されたＮＯ_x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ＮＯ_xがＮＯ_x吸収剤４７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ＮＯ_x吸収剤４７のＮＯ_x吸収能力が飽和してしまい、斯くしてＮＯ_x吸収剤４７によりＮＯ_x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ＮＯ_x吸収剤４７の吸収能力が飽和する前に排気ガスの空燃比を一時的にリッチにし、それによってＮＯ_x吸収剤４７からＮＯ_xを放出させるようにしている。

図３はＮＯ_x吸蔵触媒１４によるＮＯ_x浄化率とＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度ＴＣとの関係を示している。図３に示されるようにＮＯ_x吸蔵触媒１４は、高いＮＯ_x浄化率を呈する高浄化率触媒温度領域Ｘと、この高浄化率触媒温度領域Ｘの低温側であって触媒温度ＴＣが上昇するにつれてＮＯ_x浄化率が上昇する低温側触媒温度領域Ｙとを有する。図３に示す例ではこの低温側触媒温度領域Ｙはほぼ１５０℃からほぼ２５０℃の触媒温度範囲にあり、高浄化率触媒温度領域Ｘはほぼ２５０℃以上の触媒温度範囲にある。

排気ガス中に含まれているＮＯ_xの大部分はＮＯであり、このＮＯはＮＯ_x吸蔵触媒１４が活性化すると、即ち触媒温度ＴＣが高浄化率触媒温度領域Ｘ内にあると白金４６により酸化されてＮＯ₂となり、次いでＮＯ_x吸収剤４７内に吸収される。これに対し、ＮＯ_x吸蔵触媒１４が活性化していないとき、即ち触媒温度ＴＣが低温側触媒温度領域ＹにあるときにはＮＯ_x浄化触媒１４上においてＮＯからＮＯ₂への酸化反応が十分に行われず、斯くしてＮＯ_xの吸蔵作用が十分に行われないためにＮＯ_x浄化率が低下してしまう。

しかしながら触媒温度ＴＣが低温側触媒温度領域Ｙにあるときに排気ガス中に含まれるＮＯ_xがＮＯ₂の形であればＮＯ_xはＮＯ_x吸蔵触媒１４のＮＯ_x吸収剤４７に容易に吸収される。即ち、低温側触媒温度領域Ｙは排気ガス中に含まれるＮＯ_xがＮＯの形であると容易に収蔵しないがＮＯ₂の形であれば容易に吸蔵しうる触媒温度領域を表している。

さて、次に機関始動後の運転制御方法について図５を参照しつつ説明する。図５は機関が始動されてからの触媒温度ＴＣ、ＮＯ_x吸蔵触媒１４に吸蔵されているＮＯ_x量ΣＮＯＸ、排気ガスの空燃比Ａ／Ｆの変化を模式的に表している。

図５に示されるように機関が始動されると第１の触媒１２およびＮＯ_x吸蔵触媒１４は次第に温度上昇する。この場合、排気通路１１内の排気ガス温は高くしかも第１の触媒１２の容積が小さいために第１の触媒１２の温度ＴＣは急速に上昇する。一方、排気ガス熱は第１の触媒１２を加熱するために使用され、その後熱容量の大きな排気ターボチャージャ７を加熱するために使用されるので排気ガスがＮＯ_x吸蔵触媒１４内に流入する頃には排気ガスの温度はかなり低くなっている。しかもＮＯ_x吸蔵触媒１４の容積が大きいためにＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度ＴＣは上昇しずらく、従って図５に示されるようにＮＯ_x吸蔵触媒１４は第１の触媒１２に比べてかなりゆっくりとしか温度上昇しない。

ところがこのようにＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度上昇が遅いと触媒温度ＴＣが高浄化率触媒温度領域Ｘに達するまでに時間を要し、長い時間に亘ってＮＯ_xを浄化しえなくなってしまう。ところで、第１の触媒１２が活性化すると、即ち第１の触媒１２の温度ＴＣがほぼ２５０℃程度になると排気ガス中に含まれるＮＯは第１の触媒１２において酸化され、ＮＯ₂となる。次いでこのＮＯ₂はＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する。従ってこのようにするとＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度ＴＣが低温側触媒温度領域Ｙ内にあれば排気ガス中のＮＯ_xはＮＯ_x吸蔵触媒１４に吸蔵されることになり、斯くして機関始動後早期にＮＯ_xの浄化作用を行えるようになる。

第１の触媒１２におけるＮＯからＮＯ₂への酸化反応は第１の触媒１２の温度ＴＣがほぼ２５０℃程度からほぼ４５０℃の間で行われる。第１の触媒１２は容量が小さくしかも第１の触媒１２に流入する排気ガスは第１の触媒１２に流入する前にさほど熱量を奪われないので排気ガス温を少し高くしてやれば第１の触媒１２の温度ＴＣをＮＯからＮＯ₂への酸化反応の進行する温度に維持することができる。

そこで本発明による実施例では図５に示されるように第１の触媒１２の温度ＴＣが設定温度、例えば２００℃付近を越えたら第１の触媒１２を昇温させるための昇温制御Ｉを行うようにしている。この昇温制御Ｉは第１の触媒１２の温度ＴＣがＮＯからＮＯ₂への酸化反応の進行する温度を越えるまで行われる。第１の触媒１２においてＮＯからＮＯ₂への酸化反応が開始されるとこのＮＯ₂はＮＯ_x吸蔵触媒１４に吸蔵されるので図５に示されるようにＮＯ_x吸蔵触媒１４に吸蔵されるＮＯ_x量ΣＮＯＸは次第に増大する。

昇温制御Ｉでは排気ガス温を上昇させることによって第１の触媒１２の温度ＴＣを上昇させるようにしている。ここで、排気ガス温を上昇させる方法について図６を参照しつつ簡単に説明しておく。

排気ガス温を上昇させるのに有効な方法の一つは燃料噴射時期を圧縮上死点以後まで遅角させる方法である。即ち、通常主燃料Ｑ_mは図６において（Ｉ）に示されるように圧縮上死点付近で噴射される。この場合、図６の（II）に示されるように主燃料Ｑ_mの噴射時期が遅角されると後燃え期間が長くなり、斯くして排気ガス温が上昇する。排気ガス温が高くなるとそれに伴って第１の触媒１２の温度ＴＣが上昇する。

また、排気ガス温を上昇させるために図６の（III）に示されるように主燃料Ｑ_mに加え、吸気上死点付近において補助燃料Ｑ_vを噴射することもできる。このように補助燃料Ｑ_vを追加的に噴射すると補助燃料Ｑ_v分だけ燃焼せしめられる燃料が増えるために排気ガス温が上昇し、斯くして第１の触媒１２の温度ＴＣが上昇する。
一方、このように吸気上死点付近において補助燃料Ｑ_vを噴射すると圧縮工程中に圧縮熱によってこの補助燃料Ｑ_vからアルデヒド、ケトン、パーオキサイド、一酸化炭素等の中間生成物が生成され、これら中間生成物によって主燃料Ｑ_mの反応が加速される。従ってこの場合には図６（III）に示されるように主燃料Ｑ_mの噴射時期を大巾に遅らせても失火を生ずることなく良好な燃焼が得られる。即ち、このように主燃料Ｑ_mの噴射時期を大巾に遅らせることができるので排気ガス温はかなり高くなり、斯くして第１の触媒１２の温度ＴＣをすみやかに上昇させることができる。

また、図６の（IV）に示されるように主燃料Ｑ_mに加え、膨張行程中又は排気行程中に補助燃料Ｑ_pを噴射することもできる。即ち、この場合、大部分の補助燃料Ｑ_pは燃焼することなく未燃ＨＣの形で排気通路内に排出される。この未燃ＨＣは第１の触媒１２上において過剰酸素により酸化され、このとき発生する酸化反応熱によって第１の触媒１２の温度ＴＣが上昇せしめられる。

また、スロットル弁９の開度を小さくすると燃料粒子周りの空気量が減少するために後燃え期間が長くなり、斯くして排気ガス温が上昇する。即ち、スロットル弁９の開度を小さくすることによっても排気ガス温を上昇させることができる。なお、この場合も燃焼室２から排出される未燃ＨＣの量が増大するのでこの未燃ＨＣの酸化反応熱によっても第１の触媒１２の温度ＴＣが上昇する。また、スロットル弁９の開度を小さくした場合、或いは図６の（III）および（IV）におけるように補助燃料Ｑ_v，Ｑ_pを噴射した場合には図５に示されるように排気ガスの空燃比Ａ／Ｆは小さくなる。

昇温制御Ｉが行われた後は第１の触媒１２においてＮＯがＮＯ₂に酸化され続けるのでＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度ＴＣが低くても排気ガス中のＮＯ_xはＮＯ_x吸蔵触媒１４に吸蔵され続け、斯くして図５に示されるように吸蔵ＮＯ_x量ΣＮＯＸは次第に増大する。次いで吸蔵ＮＯ_x量ΣＮＯＸが許容値ＭＡＸＮに達するとＮＯ_x吸蔵触媒１４からＮＯ_xを放出すべきであると判断される。この場合、前述したように排気ガスの空燃比をリッチにするとＮＯ_x吸蔵触媒１４からＮＯ_xが放出される。

ところが、ＮＯ_x吸蔵触媒１４では、排気ガスの空燃比がリッチにされたときにＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度ＴＣが還元活性温度以下のときにはＮＯ_x吸蔵触媒１４から放出されたＮＯ_xは還元されずにそのまま大気中に排出され、このときＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度ＴＣが還元活性温度以上であればＮＯ_x吸蔵触媒１４から放出されたＮＯ_xは還元せしめられる。従ってＮＯ_x吸蔵触媒１４からＮＯ_xを放出させるときにはＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度ＴＣを還元活性温度以上にする必要がある。

本発明による実施例ではこの還元活性温度はほぼ２００℃である。従って本発明による実施例では図５に示されるように吸蔵ＮＯ_x量ΣＮＯＸが許容値ＭＡＸＮを越えたときにＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度ＴＣが還元活性温度よりも低いときにはＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度ＴＣを上昇するための昇温制御IIが行われる。この昇温制御IIはＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度ＴＣが還元活性温度を越えるまで続行され、図５に示されるようにＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度ＴＣが還元活性温度を越えた後に排気ガスの空燃比が一時的にリーンからリッチに切換えられてＮＯ_x吸蔵触媒１４からのＮＯ_xの放出作用が行われる。

ところで昇温制御IIを行うに当って昇温制御Ｉと同様に排気ガス温を上昇させると第１の触媒１２が過熱され、その結果第１の触媒１２においてＮＯ₂を生成しえなくなるばかりでなく第１の触媒１２が劣化してしまう。そこで本発明による実施例では第１の触媒１２における空間速度ＳＶとＮＯ_x吸蔵触媒１４における空間速度ＳＶとの差異に着目して昇温制御IIにおいては排気ガス量を増量することによりＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度ＴＣを上昇させるようにしている。

即ち、図１に示す実施例ではＮＯ_x吸蔵触媒１４の容積、正確に言うとＮＯ_x吸蔵触媒１４を担持しているモノリス担体又はパティキュレートフィルタの容積が２０００mm³程度であるのに対して第１の触媒１２の容積は２５mm³程度であり、従って第１の触媒１２における空間速度ＳＶ（＝単位時間当りの流通排気ガス容積／触媒容積）はＮＯ_x吸蔵触媒１４における空間速度ＳＶのほぼ８０倍となる。

一般的に言って触媒上における反応は空間速度ＳＶがある程度小さくないと生じない。図４はこのことを示している。なお、図４において横軸は単位時間当り流通する排気ガス量ＧＱを表しており、縦軸は反応率を示している。図４に示されるように第１の触媒１２では排気ガス量ＧＱが増大すると空間速度ＳＶはかなり大きくなるので排気ガス量ＧＱが少し増大すると反応率は急速に低下する。これに対し、ＮＯ_x吸蔵触媒１４では排気ガス量ＧＱが増大しても空間速度ＳＶはそれほど大きくならないので排気ガス量ＧＱが増大しても反応率はさほど低下しない。

昇温制御IIでは主に未燃ＨＣの酸化反応熱によってＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度ＴＣを上昇させるようにしている。図４においてＧＱ１は昇温制御IIが行われる前の排気ガス量を示している。排気ガス量がＧＱ１のときには第１の触媒１２およびＮＯ_x吸蔵触媒１４のいずれにおける反応率も高くなっている。このときには大部分の未燃ＨＣは第１の触媒１２において酸化される。従ってこのときＮＯ_x吸蔵触媒１４では未燃ＨＣの酸化作用はほとんど行われない。

一方、昇温制御IIにおいては排気ガス量が図４においてＧＱ１からＧＱ２まで増大せしめられる。排気ガス量がＧＱ２になるとＮＯ_x吸蔵触媒１４における反応率は高いが第１の触媒１２における反応率は極めて低くなる。従って排気ガス中の未燃ＨＣは第１の触媒１２においてほとんど酸化されず、大部分の未燃ＨＣはＮＯ_x吸蔵触媒１４において酸化される。従ってＮＯ_x吸蔵触媒１４は未燃ＨＣの酸化反応熱によって急速に昇温せしめられることになる。

一方、このように排気ガス量がＧＱ２のときには第１の触媒１２において未燃ＨＣの酸化反応はほとんど行われないので昇温制御IIが行われている間、第１の触媒１２の温度上昇は抑制される。従ってこのとき第１の触媒１２が過熱されることはない。また、第１の触媒１２の温度ＴＣはＮＯ₂を生成する温度に維持されているのでＮＯ_x吸蔵触媒１４へのＮＯ_x吸蔵作用は良好に行われる。

昇温制御IIについては本発明による実施例では吸入空気量を増大することによって排気ガス量ＧＱが増大せしめられる。従って昇温制御IIが行われると図５に示されるように排気ガスの空燃比はよりリーンとなる。この場合、本発明による実施例では例えはスロットル弁９の開度を大きくすることによって吸入空気量が増大せしめられる。また、吸入空気量を増大するためにＥＧＲ量を減少させるか、或いはＥＧＲガスの再循環を停止することもできる。また、排気ターボチャージャ７による過給圧を高くすることによっても吸入空気量を増大することができる。

本発明による実施例では単位時間当りのＮＯ_x吸収量Ａが要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図７に示すようなマップの形で予め求められており、この単位時間当りのＮＯ_x吸収量Ａを積算することによってＮＯ_x吸蔵触媒１４に吸蔵されているＮＯ_x量ΣＮＯＸが推定される。

図８はＮＯ_x吸蔵触媒１４からＮＯ_xを放出すべきことを示すＮＯ_x放出フラグの処理ルーチンを示している。
図８を参照するとまず初めにステップ５０において温度センサ２１，２２の出力信号に基づきＮＯ_x吸蔵触媒１４がＮＯ_xの吸蔵作用を行っている状態にあるか否かが判別される。ＮＯ_x吸蔵触媒１４がＮＯ_xの吸蔵作用を行っている状態にあるときにはステップ５１に進んで図７に示すマップから単位時間当りのＮＯ_x吸収量Ａが算出される。次いでステップ５２ではＮＯ_x吸収量ΣＮＯＸにＡが加算される。次いでステップ５３ではＮＯ_x吸収量ΣＮＯＸが許容値ＭＡＸＮを越えたか否かが判別される。ΣＮＯＸ＞ＭＡＸＮになるとステップ５４に進み、ＮＯ_xを放出すべきことを示すＮＯ_x放出フラグがセットされる。

図９は機関の運転を制御するためのルーチンを示している。
図９を参照するとまず初めにステップ６０において昇温制御Ｉを実行すべきか否かが判別される。昇温制御Ｉを実行すべきときにはステップ６１に進んで昇温制御Ｉが実行される。次いでステップ６２ではＮＯ_x放出フラグがセットされているか否かが判別され、ＮＯ_x放出フラグがセットされているときにはステップ６３に進んで昇温制御IIが実行される。昇温制御IIが完了するとステップ６４に進んで空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比に一時的に切換えるリッチ処理が行われる。このリッチ処理が行われるとＮＯ_x吸蔵触媒１４からＮＯ_xが放出される。リッチ処理が完了するとステップ６５に進んでΣＮＯＸがクリアされ、次いでステップ６６においてＮＯ_x放出フラグがリセットされる。

圧縮着火式内燃機関の全体図である。 ＮＯ_xの吸放出作用を説明するための図である。 ＮＯ_x浄化率を示す図である。 反応率を示す図である。 触媒温度ＴＣの変化等を示すタイムチャートである。 噴射制御を示す図である。 ＮＯ_x吸収量のマップを示す図である。 ＮＯ_x放出フラグを処理するためのフローチャートである。 機関の運転を制御するためのフローチャートである。

符号の説明

５…排気マニホルド
７…排気ターボチャージャ
１２…第１の触媒
１４…第２の触媒

Claims (5)

1. 排気マニホルド集合部から排気ターボチャージャの排気タービンに至る排気通路内に酸化機能を有する第１の触媒を配置し、排気タービン下流の排気通路内に該第１の触媒よりも容量の大きい第２の触媒を配置した内燃機関の排気浄化装置において、機関から排出される排気ガス量を増量させるための排気ガス量増量手段を具備し、該第１の触媒は活性化しているが該第２の触媒が活性化していないときに該第２の触媒を活性化すべきときには排気ガス量増量手段により機関から排出される排気ガス量を増量して第１の触媒の温度上昇を抑制しつつ第２の触媒の温度を急速に上昇させるようにした内燃機関の排気浄化装置。
2. 排気タービン下流の排気通路内にパティキュレートフィルタを配置し、上記第２の触媒が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。
3. 上記第２の触媒は、該第２の触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中に含まれるＮＯ_xを吸蔵し該第２の触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯ_xを放出するＮＯ_x吸蔵触媒からなる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 上記ＮＯ_x吸蔵触媒は、高いＮＯ_x浄化率を呈する高浄化率触媒温度領域と、この高浄化率触媒温度領域の低温側であって排気ガス中に含まれるＮＯ_xがＮＯの形であると容易に収蔵しないがＮＯ₂の形であれば容易に吸蔵しうる低温側触媒温度領域とを有し、ＮＯ_x吸蔵触媒の温度が該低温側触媒温度領域にあるときには第１の触媒の温度を第１の触媒においてＮＯからＮＯ₂への酸化反応が進行しやすい温度に維持するために排気ガス温を上昇させるようにした請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 上記ＮＯ_x吸蔵触媒では、排気ガスの空燃比がリッチにされたときにＮＯ_x吸蔵触媒の温度が還元活性温度以上であればＮＯ_x吸蔵触媒から放出されたＮＯ_xが還元せしめられ、ＮＯ_x吸蔵触媒からＮＯ_xを放出すべきときに第１の触媒は活性化しているがＮＯ_x吸蔵触媒の温度が該還元活性温度よりも低いときには、排気ガス量増量手段により機関から排出される排気ガス量を増量して第１の触媒の温度上昇を抑制しつつＮＯ_x吸蔵触媒の温度を急速に上昇させ、ＮＯ_x吸蔵触媒の温度が該還元活性温度を越えた後に排気ガスの空燃比を一時的にリーンからリッチに切換えるようにした請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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