JP2007231918A - 圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】再循環排気ガス中にＮＯ_x放出用還元剤が混入しないようにする。
【解決手段】機関排気通路内にＳＯ_xトラップ触媒１２とパティキュレートフィルタ１３とを配置し、パティキュレートフィルタ１３下流の機関排気通路に再循環排気ガス取出口１７を形成する。再循環排気ガス取出口１７下流の機関排気通路内に、ＮＯ_x吸蔵触媒１５と還元剤供給弁２１とを配置し、ＮＯ_x吸蔵触媒１５からＮＯ_xを放出すべきときには還元剤供給弁２１から排気通路内に還元剤を供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置に関する。

機関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下流の機関排気通路に再循環排気ガス取出口を形成し、再循環排気ガス取出口から取出した排気ガスを機関吸気通路内に再循環するようにした圧縮着火式内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。この圧縮着火式内燃機関ではパティキュレートの除去された排気ガスが機関吸気通路内に再循環されるのでパティキュレートの堆積に起因する種々の問題が生ずるのを回避することができる。

一方、機関吸気通路内にＮＯ_x吸蔵触媒を担持した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流の機関排気通路内に還元剤供給弁を配置し、ＮＯ_x吸蔵触媒のＮＯ_x吸蔵能力が飽和に近づくと還元剤供給弁から還元剤を供給して排気ガスの空燃比をリッチにし、それによってＮＯ_x吸蔵触媒からＮＯ_xを放出させるようにした内燃機関が公知である。
特開２００４−１５０３１９号公報

ところでこのような内燃機関において再循環排気ガス中にパティキュレートが混入しないようにするために再循環排気ガス取入口をパティキュレートフィルタ下流の排気通路に形成すると、還元剤供給弁から還元剤が供給されたときにパティキュレートフィルタを素通りした還元剤、即ち燃料が再循環排気ガス中に混入して燃焼室内に供給され、その結果燃焼が悪化するという問題を生ずる。

上記問題を解決するために本発明によれば、機関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下流の機関排気通路に再循環排気ガス取出口を形成し、再循環排気ガス取出口から取出した排気ガスを機関吸気通路内に再循環するようにした圧縮着火式内燃機関において、再循環排気ガス取出口下流の機関排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯ_xを吸蔵し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吸蔵触媒と還元剤供給弁とを配置し、ＮＯ_x吸蔵触媒からＮＯ_xを放出すべきときには還元剤供給弁から排気通路内に還元剤を供給してＮＯ_x吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチにするようにしている。

還元剤供給弁から供給された還元剤が再循環排気ガス内に混入することがないので燃焼が悪化するのを阻止することができる。

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の入口は吸気ダクト８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁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ＳＯ_xトラップ触媒１２の入口に連結される。ＳＯ_xトラップ触媒１２の出口はパティキュレートフィルタ１３の入口に連結され、パティキュレートフィルタ１３の出口は排気管１４を介してＮＯ_x吸蔵触媒１５の入口に連結される。排気管１４には排気ガス再循環装置１６の再循環排気ガス取出口（以下、ＥＧＲガス取出口と称す）１７が形成される。図１からわかるようにこのＥＧＲガス取出口１７はＳＯ_xトラップ触媒１２およびパティキュレートフィルタ１３の下流であってＮＯ_x吸蔵触媒１５の上流に位置する。

ＥＧＲガス取出口１７は排気ガス再循環通路（以下、ＥＧＲ通路と称す）１８を介して吸気ダクト８に連結され、ＥＧＲ通路１８内には排気ガス再循環制御弁１９が配置される。ＥＧＲ通路１８周りにはＥＧＲ通路１８内を流れる再循環排気ガス（以下、ＥＧＲガスと称す）を冷却するための冷却装置２０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２０内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。機関運転時にはＥＧＲガス取出口１７から取出されたＥＧＲガスはＥＧＲ通路１８を介して吸気ダクト８内に供給され、次いで吸気マニホルド４を介して燃焼室２内に供給される。

また、図１に示されるようにＥＧＲガス取出口１７の下流であってＮＯ_x吸蔵触媒１５上流の排気管１４内には排気管１４内を流れる排気ガス中に例えば炭化水素からなる還元剤を供給するための還元剤供給弁２１が配置される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管２２を介してコモンレール２３に連結される。このコモンレール２３内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２４から燃料が供給され、コモンレール２３内に供給された燃料は各燃料供給管２２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。パティキュレートフィルタ１３にはパティキュレートフィルタ１３の前後差圧を検出するための差圧センサ２５が取付けられており、この差圧センサ２５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。

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１０駆動用ステップモータ、ＥＧＲ制御弁１９、還元剤供給弁２１および燃料ポンプ２４に接続される。

図２に圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す。この実施例では排気管１７内にＳＯ_xトラップ触媒１２から流出した排気ガス中のＳＯ_x濃度を検出するためのＳＯ_xセンサ２６が配置されている。

まず初めに図１および図２に示されるＮＯ_x吸蔵触媒１５について説明すると、これらＮＯ_x吸蔵触媒１５は三次元網目構造のモノリス状或いはペレット状をなしており、これらモノリス状又はペレット状の基体上に例えばアルミナからなる触媒担体が担持されている。図３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３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ＮＯ_x吸蔵触媒１５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、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。

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排気ガス中に含まれるＮＯは図３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、還元剤供給弁２１から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還元剤供給弁２１から還元剤を供給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ＮＯ_x吸収剤４７からＮＯ_xを放出させるようにしている。

このように還元剤供給弁２１からは還元剤が供給されるが還元剤供給弁２１はＥＧＲガス取出口１７の下流に配置されており、従って還元剤がＥＧＲガス取出口１７内に流入することはない。従ってＥＧＲガス内への還元剤の混入による燃焼の悪化を阻止することができる。

ところで排気ガス中にはＳＯ_x、即ちＳＯ₂が含まれており、このＳＯ₂がＮＯ_x吸蔵触媒１５に流入するとこのＳＯ₂は白金Ｐｔ４６において酸化されてＳＯ₃となる。次いでこのＳＯ₃は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、硫酸イオンＳＯ₄ ^2-の形でＮＯ_x吸収剤４７内に拡散し、安定した硫酸塩ＢａＳＯ₄を生成する。しかしながらＮＯ_x吸収剤４７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ＮＯ_x吸収剤４７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ＮＯ_x吸収剤４７が吸収しうるＮＯ_x量が低下することになる。

ところでこの場合、ＮＯ_x吸蔵触媒１５の温度を６００℃以上のＳＯ_x放出温度まで上昇させた状態でＮＯ_x吸蔵触媒１５に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするとＮＯ_x吸収剤４７からＳＯ_xが放出される。ただし、この場合ＮＯ_x吸収剤４７からは少しずつしかＳＯ_xが放出されない。従ってＮＯ_x吸収剤４７から全ての吸収ＳＯ_xを放出させるには長時間に亘って空燃比をリッチにしなければならず、斯くして多量の燃料或いは還元剤が必要になるという問題がある。また、ＮＯ_x吸収剤４７から放出されたＳＯ_xは大気中に排出されることになり、このことも好ましいことではない。

そこで本発明ではＮＯ_x吸蔵触媒１５の上流にＳＯ_xトラップ触媒１２を配置してこのＳＯ_xトラップ触媒１２により排気ガス中に含まれるＳＯ_xを捕獲し、それによってＮＯ_x吸蔵触媒１５にＳＯ_xが流入しないようにしている。次にこのＳＯ_xトラップ触媒１２について説明する。

このＳＯ_xトラップ触媒１２は例えばハニカム構造のモノリス触媒からなり、ＳＯ_xトラップ触媒１２の軸線方向にまっすぐに延びる多数の排気ガス流通孔を有する。このようにＳＯ_xトラップ触媒１２をハニカム構造のモノリス触媒から形成した場合には、各排気ガス流通孔の内周壁面上に例えばアルミナからなる触媒担体が担持されており、図４はこの触媒担体５０の表面部分の断面を図解的に示している。図４に示されるように触媒担体５０の表面上にはコート層５１が形成されており、このコート層５１の表面上には貴金属触媒５２が分散して担持されている。

本発明による実施例では貴金属触媒５２として白金が用いられており、コート層５１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。即ち、ＳＯ_xトラップ触媒１２のコート層５１は強塩基性を呈している。

さて、排気ガス中に含まれるＳＯ_x、即ちＳＯ₂は図４に示されるように白金Ｐｔ５２において酸化され、次いでコート層５１内に捕獲される。即ち、ＳＯ₂は硫酸イオンＳＯ₄ ^2-の形でコート層５１内に拡散し、硫酸塩を形成する。なお、上述したようにコート層５１は強塩基性を呈しており、従って図４に示されるように排気ガス中に含まれるＳＯ₂の一部は直接コート層５１内に捕獲される。

図４においてコート層５１内における濃淡は捕獲されたＳＯ_xの濃度を示している。図４からわかるようにコート層５１内におけるＳＯ_x濃度はコート層５１の表面近傍が最も高く、奥部に行くに従って次第に低くなっていく。コート層５１の表面近傍におけるＳＯ_x濃度が高くなるとコート層５１の表面の塩基性が弱まり、ＳＯ_xの捕獲能力が弱まる。ここで排気ガス中に含まれるＳＯ_xのうちでＳＯ_xトラップ触媒１２に捕獲されるＳＯ_xの割合をＳＯ_xトラップ率と称すると、コート層５１の表面の塩基性が弱まればそれに伴なってＳＯ_xトラップ率が低下することになる。

図５にＳＯ_xトラップ率の時間的変化を示す。図５に示されるようにＳＯ_xトラップ率は初めは１００パーセントに近いが時間が経過するとＳＯ_xトラップ率は急速に低下する。そこで本発明では図６に示されるようにＳＯ_xトラップ率が予め定められた率よりも低下したときには排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_xトラップ触媒１２の温度を上昇させる昇温制御を行い、それによってＳＯ_xトラップ率を回復させるようにしている。

即ち、排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_xトラップ触媒１２の温度を上昇させるとコート層５１内の表面近傍に集中的に存在するＳＯ_xはコート層５１内におけるＳＯ_x濃度が均一となるようにコート層５１の奥部に向けて拡散していく。即ち、コート層５１内に生成されている硝酸塩はコート層５１の表面近傍に集中している不安定な状態からコート層５１内の全体に亘って均一に分散した安定した状態に変化する。コート層５１内の表面近傍に存在するＳＯ_xがコート層５１の奥部に向けて拡散するとコート層５１の表面近傍のＳＯ_x濃度が低下し、斯くしてＳＯ_xトラップ触媒１２の昇温制御が完了すると図６に示されるようにＳＯ_xトラップ率が回復する。

ＳＯ_xトラップ触媒１２の昇温制御を行ったときにＳＯ_xトラップ触媒１２の温度をほぼ４５０℃程度にすればコート層５１の表面近傍に存在するＳＯ_xをコート層５１内に拡散させることができ、ＳＯ_xトラップ触媒１２の温度を６００℃程度まで上昇させるとコート層５１内のＳＯ_x濃度をかなり均一化することができる。従ってＳＯ_xトラップ触媒１２の昇温制御時には排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_xトラップ触媒１２の温度を６００℃程度まで昇温させることが好ましい。

なお、このようにＳＯ_xトラップ触媒１２を昇温したときに排気ガスの空燃比をリッチにするとＳＯ_xトラップ触媒１２からＳＯ_xが放出されてしまう。従ってＳＯ_xトラップ触媒１２を昇温したときには排気ガスの空燃比をリッチにしてはならない。また、コート層５１の表面近傍のＳＯ_x濃度が高くなるとＳＯ_xトラップ触媒１２を昇温しなくても排気ガスの空燃比をリッチにするとＳＯ_xトラップ触媒１２からＳＯ_xが放出されてしまう。従って本発明ではＳＯ_xトラップ触媒１２の温度がＳＯ_x放出温度以上であるときにはＳＯ_xトラップ触媒１２に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしないようにしている。

本発明では基本的には車両を購入してから廃車するまでＳＯ_xトラップ触媒１２を交換することなくそのまま使用することを考えている。近年では特に燃料内に含まれるイオウの量が減少せしめられており、従ってＳＯ_xトラップ触媒１２の容量を或る程度大きくすればＳＯ_xトラップ触媒１２を交換することなく廃車するまでそのまま使用することができる。例えば車両の耐用走行距離を５０万kmとするとＳＯ_xトラップ触媒１２の容量は、走行距離が２５万km程度まで昇温制御することなく高いＳＯ_xトラップ率でもってＳＯ_xを捕獲し続けることのできる容量とされる。この場合、最初の昇温制御は走行距離が２５万km程度で行われる。

次にＳＯ_xトラップ触媒１２の温度を上昇させる方法について図７を参照しつつ説明する。
ＳＯ_xトラップ触媒１２の温度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降まで遅角させる方法である。即ち、通常主燃料Ｑ_mは図７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７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ＳＯ_xトラップ触媒１２の温度が上昇する。

また、ＳＯ_xトラップ触媒１２の温度を上昇させるために図７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ＳＯ_xトラップ触媒１２の温度が上昇する。
一方、このように吸気上死点付近において補助燃料Ｑ_vを噴射すると圧縮行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７の（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ＳＯ_xトラップ触媒１２の温度をすみやかに上昇させることができる。

また、ＳＯ_xトラップ触媒１２の温度を上昇させるために図７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ＳＯ_xトラップ触媒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ＳＯ_xトラップ触媒１２の温度が上昇せしめられる。なお、いずれの方法により昇温した場合でもＳＯ_xトラップ触媒１２に流入する排気ガスの空燃比はリッチにされることなくリーンに維持される。

次に図８から図１０を参照しつつＳＯ_xトラップ触媒１２におけるＳＯ_x安定化処理の第１実施例について説明する。
この第１実施例では、ＳＯ_xトラップ触媒１２に捕獲されたＳＯ_x量を推定し、ＳＯ_xトラップ触媒１２に捕獲されたＳＯ_x量が予め定められた量を越えたときにＳＯ_xトラップ率が予め定められた率よりも低下したと判断され、このときＳＯ_xトラップ率を回復するために排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_xトラップ触媒１２の温度を上昇させる昇温制御を行うようにしている。

即ち、燃料中には或る割合でイオウが含まれており、従って排気ガス中に含まれるＳＯ_x量、即ちＳＯ_xトラップ触媒１２に捕獲されるＳＯ_x量は燃料噴射量に比例する。燃料噴射量は要求トルクおよび機関回転数の関数であり、従ってＳＯ_xトラップ触媒１２に捕獲されるＳＯ_x量も要求トルクおよび機関回転数の関数となる。本発明による実施例ではＳＯ_xトラップ触媒１２に単位時間当り捕獲されるＳＯ_x量ＳＯＸＡが要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図８（Ａ）に示されるようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

また、潤滑油内にも或る割合でイオウが含まれており、燃焼室２内で燃焼せしめられる潤滑油量、即ち排気ガス中に含まれていてＳＯ_xトラップ触媒１２に捕獲されるＳＯ_x量も要求トルクおよび機関回転数の関数となる。本発明による実施例では潤滑油に含まれていてＳＯ_xトラップ触媒１２に単位時間当り捕獲されるＳＯ_xの量ＳＯＸＢが要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図８（Ｂ）に示されるようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、ＳＯ_x量ＳＯＸＡおよびＳＯ_x量ＳＯＸＢの和を積算することによってＳＯ_xトラップ触媒１２に捕獲されているＳＯ_x量ΣＳＯＸが算出される。

また、本発明による実施例では図８（Ｃ）に示されるようにＳＯ_x量ΣＳＯＸと、ＳＯ_xトラップ触媒１２を昇温処理すべきときの予め定められたＳＯ_x量ＳＯ（ｎ）との関係が予め記憶されており、ＳＯ_x量ΣＳＯＸが予め定められたＳＯ（ｎ）（ｎ＝１，２，３，…）を越えたときにＳＯ_xトラップ触媒１２の昇温処理が行われる。なお、図８（Ｃ）においてはｎは何回目の昇温処理であるかを示している。図８（Ｃ）からわかるようにＳＯ_xトラップ率を回復するための昇温処理回数ｎが増大するにつれて予め定められた量ＳＯ（ｎ）が増大せしめられ、この予め定められた量ＳＯ（ｎ）の増大割合は処理回数ｎが増大するほど減少する。即ち、ＳＯ（２）に対するＳＯ（３）の増大割合はＳＯ（１）に対するＳＯ（２）の増大割合よりも減少する。

即ち、図９のタイムチャートに示されるようにＳＯ_xトラップ触媒１２に捕獲されたＳＯ_x量ΣＳＯＸは許容値ＭＡＸまで時間の経過と共に増大し続ける。なお、図９においてΣＳＯＸ＝ＭＡＸになったときが走行距離にして５０万km程度のときである。

一方、図９においてＳＯ_x濃度はＳＯ_xトラップ触媒１２の表面近傍におけるＳＯ_x濃度を示している。図９からわかるようにＳＯ_xトラップ触媒１２の表面近傍におけるＳＯ_x濃度が許容値ＳＯＺを越えると排気ガスの空燃比Ａ／ＦがリーンのもとでＳＯ_xトラップ触媒１２の温度Ｔを上昇させる昇温制御が行われる。昇温制御が行われるとＳＯ_xトラップ触媒１２の表面近傍におけるＳＯ_x濃度は減少するがこのＳＯ_x濃度の減少量は昇温制御が行われる毎に小さくなり、従って昇温制御が行われてから次に昇温制御が行われるまでの期間は昇温制御が行われる毎に短かくなる。

なお、図１２に示されるように捕獲されたＳＯ_x量ΣＳＯＸがＳＯ（１），ＳＯ（２），…に達するということはＳＯ_xトラップ触媒１２の表面近傍におけるＳＯ_x濃度が許容値ＳＯＺに達したことを意味している。

図１０はＳＯ_x安定化処理の第１実施例を実行するためのルーチンを示している。
図１０を参照するとまず初めにステップ１００において図８（Ａ），（Ｂ）から夫々単位時間当り捕獲されるＳＯ_x量ＳＯＸＡおよびＳＯＸＢが読み込まれる。次いでステップ１０１ではこれらＳＯＸＡおよびＳＯＸＢの和がＳＯ_x量ΣＳＯＸに加算される。次いでステップ１０２ではＳＯ_x量ΣＳＯＸが図８（Ｃ）に示される予め定められた量ＳＯ（ｎ）（ｎ＝１，２，３，…）に達したか否かが判別される。ＳＯ_x量ΣＳＯＸが予め定められた量ＳＯ（ｎ）に達したときにはステップ１０３に進んで昇温制御が行われる。

図１１および図１２にＳＯ_x安定化処理の第２実施例を示す。この実施例では図２に示されるようにＳＯ_xトラップ触媒１２の下流にＳＯ_xセンサ２６が配置されており、このＳＯ_xセンサ２６によってＳＯ_xトラップ触媒１２から流出した排気ガス中のＳＯ_x濃度が検出される。即ち、この第２実施例では図１２に示されるようにＳＯ_xセンサ２６により検出された排気ガス中のＳＯ_x濃度が予め定められた濃度ＳＯＹを越えたときにＳＯ_xトラップ率が予め定められた率よりも低下したと判断され、このときＳＯ_xトラップ率を回復するために排気ガスの空燃比Ａ／ＦがリーンのもとでＳＯ_xトラップ触媒１２の温度Ｔを上昇せしめる昇温制御が行われる。

図１１はこの第２実施例を実行するためのルーチンを示している。
図１１を参照するとまず初めにステップ１１０においてＳＯ_xセンサ２６の出力信号、例えば出力電圧Ｖが読込まれる。次いでステップ１１１ではＳＯ_xセンサ２６の出力電圧Ｖが設定値ＶＸを越えたか否か、即ち排気ガス中のＳＯ_x濃度が予め定められた濃度ＳＯＹを越えたか否かが判別される。Ｖ＞ＶＸになると、即ち排気ガス中のＳＯ_x濃度が予め定められた濃度ＳＯＹを越えるとステップ１１２に進んで昇温制御が行われる。

次に図１３を参照しつつＮＯ_x吸蔵触媒１５に対する処理について説明する。
本発明による実施例ではＮＯ_x吸蔵触媒１５に単位時間当り吸蔵されるＮＯ_x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１４に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、このＮＯ_x量ＮＯＸＡを積算することによってＮＯ_x吸蔵触媒１５に吸蔵されたＮＯ_x量ΣＮＯＸが算出される。本発明による実施例では図１３に示されるようにこのＮＯ_x量ΣＮＯＸが許容値ＮＸに達する毎にＮＯ_x吸蔵触媒１５に流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆが一時的にリッチにされ、それによってＮＯ_x吸蔵触媒１５からＮＯ_xが放出される。

なお、ＮＯ_x吸蔵触媒１５に流入する排気ガスの空燃比Ａ／ＦをリッチにするときにＳＯ_xトラップ触媒１２に流入する排気ガスの空燃比はリーンに維持しておかなければならない。従って本発明による実施例ではＳＯ_xトラップ触媒１２とＮＯ_x吸蔵触媒１５のとの間の排気通路内に還元剤供給弁２１が配置されており、ＮＯ_x吸蔵触媒１５からＮＯ_xを放出すべきときにはこの還元剤供給弁２１から排気通路内に還元剤を供給することによりＮＯ_x吸蔵触媒１５に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチにするようにしている。

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１３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１３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１３の温度を６００℃程度まで上昇させると堆積した粒子状物質が酸化され、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１３上に堆積した粒子状物質の量が許容量を越えたときには排気ガスの空燃比がリーンのもとでパティキュレートフィルタ１３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。具体的に言うと本発明による実施例では差圧センサ２５により検出されたパティキュレートフィルタ１３の前後差圧ΔＰが図１３に示されるように許容値ＰＸを越えたときに堆積粒子状物質の量が許容量を越えたと判断され、このとき図７の（II），（III）又は（IV）に示すような噴射制御を行ってパティキュレートフィルタ１３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１３の温度Ｔが上昇せしめられる。なお、パティキュレートフィルタ１３の温度Ｔが高くなるとＮＯ_x吸蔵触媒１５からＮＯ_xが放出されるために捕獲されているＮＯ_x量ΣＮＯＸは減少する。

図１５はパティキュレートフィルタ１３およびＮＯ_x吸蔵触媒１５に対する処理ルーチンを示している。
図１５を参照するとまず初めにステップ１２０において図１４に示すマップから単位時間当り吸蔵されるＮＯ_x量ＮＯＸＡが算出される。次いでステップ１２１ではこのＮＯＸＡがＮＯ_x吸蔵触媒１５に吸蔵されているＮＯ_x量ΣＮＯＸに加算される。次いでステップ１２２では吸蔵ＮＯ_x量ΣＮＯＸが許容値ＮＸを越えたか否かが判別され、ΣＮＯＸ＞ＮＸとなったときにはステップ１２３に進んで還元剤供給弁２１から供給された還元剤によってＮＯ_x吸蔵触媒１５に流入する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リッチ処理が行われ、ΣＮＯＸがクリアされる。

次いでステップ１２４では差圧センサ２５によりパティキュレートフィルタ１３の前後差圧ΔＰが検出される。次いでステップ１２５では差圧ΔＰが許容値ＰＸを越えたか否かが判別され、ΔＰ＞ＰＸとなったときにはステップ１２６に進んでパティキュレートフィルタ１３の昇温制御が行われる。

圧縮着火式内燃機関の全体図である。 圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す全体図である。 ＮＯ_x吸蔵触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。 ＳＯ_xトラップ触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。 ＳＯ_xトラップ率を示す図である。 昇温制御を説明するための図である。 噴射時期を示す図である。 吸蔵ＳＯ_x量ΣＳＯＸと、昇温制御を行うべき吸蔵ＳＯ_x量ＳＯ（ｎ）との関係等を示す図である。 吸蔵ＳＯ_x量ΣＳＯＸ等の変化を示すタイムチャートである。 ＳＯ_x安定化処理の第１実施例を実行するためのフローチャートである。 ＳＯ_x安定化処理の第２実施例を実行するためのフローチャートである。 ＳＯ_x安定化処理を示すタイムチャートである。 パティキュレートフィルタの昇温制御を示すタイムチャートである。 吸蔵ＮＯ_x量ＮＯＸＡのマップを示す図である。 パティキュレートフィルタおよびＮＯ_x吸蔵触媒に対する処理を実行するためのフローチャートである。

符号の説明

４ 吸気マニホルド
５ 排気マニホルド
７ 排気ターボチャージャ
１２ ＳＯ_xトラップ触媒
１３ パティキュレートフィルタ
１５ ＮＯ_x吸蔵触媒
１７ ＥＧＲガス取出口
２１ 還元剤供給弁

Claims (8)

1. 機関排気通路内にパティキュレートフィルタを配置し、該パティキュレートフィルタ下流の機関排気通路に再循環排気ガス取出口を形成し、該再循環排気ガス取出口から取出した排気ガスを機関吸気通路内に再循環するようにした圧縮着火式内燃機関において、上記再循環排気ガス取出口下流の機関排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯ_xを吸蔵し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吸蔵触媒と還元剤供給弁とを配置し、ＮＯ_x吸蔵触媒からＮＯ_xを放出すべきときには該還元剤供給弁から排気通路内に還元剤を供給してＮＯ_x吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチにするようにした圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
2. 上記再循環排気ガス取出口上流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＳＯ_xを捕獲しうるＳＯ_xトラップ触媒を配置した請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
3. 上記ＳＯ_xトラップ触媒は触媒担体上に形成されたコート層と、コート層上に維持された貴金属触媒からなり、コート層内にはアルカリ金属、アルカリ土類金属又は希土類金属が分散して含有されている請求項２に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
4. 上記ＳＯ_xトラップ触媒は、ＳＯ_xトラップ触媒に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に含まれるＳＯ_xを捕獲し、排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_xトラップ触媒の温度が上昇すると捕獲したＳＯ_xが次第にＮＯ_xトラップ触媒の内部に拡散していく性質を有すると共にＳＯ_xトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチになるとＳＯ_xトラップ触媒の温度がＳＯ_x放出温度以上であれば捕獲したＳＯ_xを放出する性質を有し、機関運転中ＳＯ_xトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにさせることなくリーンに維持し続ける空燃比制御手段と、排気ガス中に含まれるＳＯ_xのうちでＳＯ_xトラップ触媒に捕獲されるＳＯ_xの割合を示すＳＯ_xトラップ率を推定する推定手段とを具備し、ＳＯ_xトラップ率が予め定められた率よりも低下したときには排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_xトラップ触媒の温度を上昇させ、それによってＳＯ_xトラップ率を回復させるようにした請求項２に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
5. 上記ＳＯ_xトラップ触媒に捕獲されたＳＯ_x量を推定し、ＳＯ_xトラップ触媒に捕獲されたＳＯ_x量が予め定められた量を越えたときにＳＯ_xトラップ率が予め定められた率よりも低下したと判断され、このときＳＯ_xトラップ率を回復するために排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_xトラップ触媒の温度が上昇せしめられる請求項４に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
6. ＳＯ_xトラップ率を回復するための処理回数が増大するにつれて上記予め定められた量が増大せしめられ、この予め定められた量の増大割合は該処理回数が増大するほど減少する請求項５に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
7. ＳＯ_xトラップ触媒下流の排気通路内に排気ガス中のＳＯ_x濃度を検出しうるＳＯ_xセンサを配置し、該ＳＯ_xセンサの出力信号からＳＯ_xトラップ率を算出する請求項４に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
8. ＳＯ_xセンサにより検出された排気ガス中のＳＯ_x濃度が予め定められた濃度を越えたときにＳＯ_xトラップ率が予め定められた率よりも低下したと判断され、このときＳＯ_xトラップ率を回復するために排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_xトラップ触媒の温度が上昇せしめられる請求項７に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。

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