JP2007255321A

JP2007255321A - 圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2007255321A
Application number: JP2006081025A
Authority: JP
Inventors: Kohei Yoshida; 耕平吉田; Kotaro Hayashi; 孝太郎林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-03-23
Filing date: 2006-03-23
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2026-03-23
Also published as: JP4432923B2; EP2003299A4; US20090031709A1; US7891175B2; WO2007111373A1; CN101405488B; EP2003299B1; EP2003299A1; CN101405488A

Abstract

【課題】ＮＯ_x吸蔵触媒の高いＮＯ_x吸蔵能力を維持する。
【解決手段】ＮＯ_x吸蔵触媒１２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１１を配置する。ＳＯ_xトラップ触媒１１は、ＳＯ_xトラップ触媒の温度が通常運転時における温度範囲、即ちほぼ１５０℃からほぼ４００℃のときにＳＯ_xトラップ触媒１１によるＮＯ_x浄化率が常時ＮＯ_x吸蔵触媒１２によるＮＯ_x浄化率のほぼ１０パーセント以下になる程度までＮＯ_x吸蔵触媒１２に比べて塩基性が強められている。ＮＯ_x吸蔵触媒１２からＮＯ_xを放出すべきときにはＳＯ_xトラップ触媒１１に流入する排気ガスの空燃比がリーンからリッチに一時的に切換えられる。
【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。

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吸蔵触媒を機関排気通路内に配置した内燃機関が公知である。この内燃機関ではリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときに発生するＮＯ_xがＮＯ_x吸蔵触媒に吸蔵される。一方、ＮＯ_x吸蔵触媒のＮＯ_x吸蔵能力が飽和に近づくと排気ガスの空燃比が一時的にリッチにされ、それによってＮＯ_x吸蔵触媒からＮＯ_xが放出され還元される。

ところで燃料および潤滑油内にはイオウが含まれており、従って排気ガス中にはＳＯ_xが含まれている。このＳＯ_xはＮＯ_xと共にＮＯ_x吸蔵触媒に吸蔵される。ところがこのＳＯ_xは排気ガスの空燃比を単にリッチにしただけではＮＯ_x吸蔵触媒から放出されず、従ってＮＯ_x吸蔵触媒に吸蔵されているＳＯ_xの量が次第に増大していく。その結果吸蔵しうるＮＯ_x量が次第に減少してしまう。

そこでＮＯ_x吸蔵触媒にＳＯ_xが送り込まれるのを阻止するためにＮＯ_x吸蔵触媒上流の機関排気通路内にＳＯ_xトラップ剤を配置した内燃機関が公知である（特許文献１参照）。この内燃機関では排気ガス中に含まれるＳＯ_xがＳＯ_xトラップ剤に捕獲され、斯くしてＮＯ_x吸蔵触媒にＳＯ_xが流入するのが阻止される。その結果、ＳＯ_xの吸蔵によりＮＯ_xの吸蔵能力が低下するのを阻止することができる。

ところでこの内燃機関ではＳＯ_xトラップ剤のＳＯ_xトラップ能力が飽和する前にＳＯ_xトラップ剤からＳＯ_xが放出される。この場合、ＳＯ_xトラップ剤から良好にＳＯ_xを放出させるにはＳＯ_xトラップ剤の温度がＳＯ_x放出温度のときに排気ガスの空燃比をリッチにする必要があり、従ってこの内燃機関ではＳＯ_xトラップ剤からＳＯ_xを放出させるためにＳＯ_xトラップ剤の温度がＳＯ_x放出温度のときに排気ガスの空燃比をリッチにするようにしている。

また、この内燃機関はＳＯ_xトラップ剤から放出されたＳＯ_xがＮＯ_x吸蔵触媒に流入しないようにするためにＮＯ_x吸蔵触媒を迂回するバイパス排気通路を具備しており、ＳＯ_xトラップ剤からＳＯ_xが放出されたときにはＳＯ_xトラップ剤から流出した排気ガスをバイパス排気通路内に導びくようにしている。

一方、この内燃機関ではＳＯ_xトラップ剤のＳＯ_xトラップ量が一定量以上になるとＮＯ_x吸蔵触媒からのＮＯ_x放出のために排気ガスの空燃比がリッチにされたときにたとえＳＯ_xトラップ剤の温度がＳＯ_x放出温度以下であったとしてもＳＯ_xトラップ剤からＳＯ_xが放出されてしまい、斯くしてＳＯ_xがＮＯ_x吸蔵触媒に吸蔵されてしまう。そこでこの内燃機関ではＳＯ_xトラップ剤のＳＯ_xトラップ量が一定量以上になったときには排気ガスの空燃比をリッチにするのを禁止するようにしている。
特開２００４−９２５２４号公報

ところでこの場合、ＮＯ_x吸蔵触媒からＮＯ_xを放出すべく排気ガスの空燃比がリッチにされたときにＳＯ_xが放出しないようなＳＯ_xトラップ剤を用いればＳＯ_xがＮＯ_x吸蔵触媒に吸蔵されることもなくなり、またＮＯ_x吸蔵触媒からＮＯ_xを放出すべきときには常に排気ガスの空燃比をリッチにすることができる。しかしながらこの内燃機関におけるようにＳＯ_xトラップ剤にＳＯ_xを放出する機能を持たせている限り、排気ガスの空燃比がリッチになったときにＳＯ_xが放出しないようにすることは困難である。

本発明は、ＳＯ_xトラップ触媒にＳＯ_xを放出する機能を持たせず、ＳＯ_xを吸蔵する機能のみを持たせることによってＮＯ_x吸蔵触媒からＮＯ_xを放出すべく排気ガスの空燃比がリッチにされてもＳＯ_xトラップ触媒からＳＯ_xが放出されることのない圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

本発明によれば、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、ＳＯ_xトラップ触媒下流の排気通路内に、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吸蔵触媒を配置した圧縮着火式内燃機関において、ＳＯ_xトラップ触媒は、ＳＯ_xトラップ触媒の温度がほぼ１５０℃からほぼ４００℃のときにＳＯ_xトラップ触媒によるＮＯ_x浄化率が常時ＮＯ_x吸蔵触媒によるＮＯ_x浄化率のほぼ１０パーセント以下になる程度までＮＯ_x吸蔵触媒に比べて塩基性が強められていると共に酸化性が弱められており、ＮＯ_x吸蔵触媒からＮＯ_xを放出すべきときには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からリッチに一時的に切換えられる。

ＳＯ_xトラップ触媒からＳＯ_xを放出させることなくＮＯ_x吸蔵触媒からＮＯ_xを放出させることができる。

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１１の入口に連結される。また、ＳＯ_xトラップ触媒１１の出口は排気管１３を介してＮＯ_x吸蔵触媒１２に連結される。図１に示されるように排気マニホルド５の例えば１番気筒のマニホルド枝管５ａ内には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１４が設けられている。

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。ＳＯ_xトラップ触媒１１にはＳＯ_xトラップ触媒１１の温度を検出するための温度センサ２１が取付けられ、ＮＯ_x吸蔵触媒１２にはＮＯ_x吸蔵触媒１２の温度を検出するための温度センサ２２が取付けられる。これら温度センサ２１，２２の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、ＮＯ_x吸蔵触媒１２にはＮＯ_x吸蔵触媒１２の前後差圧を検出するための差圧センサ２３が取付けられており、この差圧センサ２３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９駆動用ステップモータ、還元剤供給弁１４、ＥＧＲ制御弁１６および燃料ポンプ２０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１３内にＳＯ_xトラップ触媒１１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２４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１２について説明すると、これらＮＯ_x吸蔵触媒１２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。このようにＮＯ_x吸蔵触媒１２は種々の担体上に担持させることができるが、以下ＮＯ_x吸蔵触媒１２をパティキュレートフィルタ上に担持した場合について説明する。

図３（Ａ）および（Ｂ）はＮＯ_x吸蔵触媒１２を担持したパティキュレートフィルタ１２ａの構造を示している。なお、図３（Ａ）はパティキュレートフィルタ１２ａの正面図を示しており、図３（Ｂ）はパティキュレートフィルタ１２ａの側面断面図を示している。図３（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１２ａ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６０，６１を具備する。これら排気流通路は下流端が栓６２により閉塞された排気ガス流入通路６０と、上流端が栓６３により閉塞された排気ガス流出通路６１とにより構成される。なお、図３（Ａ）においてハッチングを付した部分は栓６３を示している。従って排気ガス流入通路６０および排気ガス流出通路６１は薄肉の隔壁６４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６０および排気ガス流出通路６１は各排気ガス流入通路６０が４つの排気ガス流出通路６１によって包囲され、各排気ガス流出通路６１が４つの排気ガス流入通路６０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１２ａ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６０内に流入した排気ガスは図３（Ｂ）において矢印で示されるように周囲の隔壁６４内を通って隣接する排気ガス流出通路６１内に流出する。
このようにＮＯ_x吸蔵触媒１２をパティキュレートフィルタ１２ａ上に担持させた場合には、各排気ガス流入通路６０および各排気ガス流出通路６１の周壁面、即ち各隔壁６４の両側表面上および隔壁６４内の細孔内壁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４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４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１２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４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１４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１４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。

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１２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、硫酸塩ＢａＳＯ₄を生成する。この硫酸塩ＢａＳＯ₄が増大するとＮＯ_xの吸収量が減少し、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。

そこで本発明ではＮＯ_x吸蔵触媒１２の上流にＳＯ_xトラップ触媒１１を配置してこのＳＯ_xトラップ触媒１１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１２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１１について説明する。

このＳＯ_xトラップ触媒１１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１１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１１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５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５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１１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５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５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５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５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１１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６にＳＯ_xトラップ率の時間的変化を示す。図６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７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１１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１１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１１の昇温制御が完了すると図７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１１の昇温制御を行ったときにＳＯ_xトラップ触媒１１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１１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１１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１１の温度を６００℃程度まで昇温させることが好ましい。

さて、前述したように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１４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。従ってこのときＳＯ_xトラップ触媒１１に流入する排気ガスの空燃比が一時的にリッチになる。ところがこのときＳＯ_xトラップ触媒１１からＳＯ_xが放出されてしまうとこのＳＯ_xはＮＯ_x吸蔵触媒１２内に吸収されることになる。そこで本発明ではこのときＳＯ_xトラップ触媒１１からＳＯ_xが放出されないようにＳＯ_xトラップ触媒１１を形成するようにしている。

即ち、ＳＯ_xトラップ触媒１１の塩基性を強くすると捕獲されたＮＯ_xは放出されずらくなり、従ってＳＯ_xが放出しないようにするためにはＳＯ_xトラップ触媒１１の塩基性を強くすることが好ましいことになる。また、ＳＯ_x放出という現象は酸化され吸収されたＳＯ_xを還元し放出する現象であり、従ってＳＯ_xが放出しないようにするにはＳＯ_xが還元されないようにすることが必要である。この場合、ＳＯ_xの還元作用は還元剤供給弁１４から供給される還元剤、即ちＨＣによって行われるのでＳＯ_xが放出しないようにするにはＨＣによりＮＯ_xを還元する機能、即ちＮＯ_xによるＨＣの酸化機能を弱めることが必要となる。

ところでＳＯ_xの捕獲作用はコート層５１によって行われ、従ってＳＯ_xが放出しないようにするにはコート層５１の塩基性を強くすることが必要である。また、ＳＯ_xの還元作用は貴金属触媒４６によって行われ、従ってＳＯ_xが放出しないようにするには貴金属触媒４６によるＳＯ_xの還元作用、即ちＨＣの酸化作用を弱めることが必要である。この場合、コート層５１の塩基性を強くすると貴金属触媒４６によるＨＣの酸化作用、即ち酸化性が弱まる。

そこで本発明ではＳＯ_xが放出しないようにコート層５１の塩基性、即ちＳＯ_xトラップ触媒１１の塩基性を強めると共に酸化性を弱めるようにしている。この場合、ＳＯ_xトラップ触媒１１の塩基性をどの程度強め、酸化性をどの程度弱めるかを定量的に表すのは難かしいが、どの程度塩基性を強め、どの程度酸化性を弱めるかはＮＯ_x吸蔵触媒１２と比較したＮＯ_x浄化率やＨＣ酸化率を用いて表すことができる。次にこのことについて図８を参照しつつ説明する。

図８（Ａ）は本発明において用いられているＳＯ_xトラップ触媒１１とＮＯ_x吸蔵触媒１２のＮＯ_x浄化率とＳＯ_x放出率との関係を示しており、図８（Ｂ）は本発明において用いられているＳＯ_xトラップ触媒１１とＮＯ_x吸蔵触媒１２のＨＣ酸化率とＳＯ_x放出率との関係を示している。なお、図８（Ａ）および図８（Ｂ）に示す関係はＳＯ_xトラップ触媒１１の温度が通常運転時における温度範囲、即ちほぼ１５０℃からほぼ４００℃の間にあるときのものである。ＮＯ_x吸蔵触媒１２はＮＯ_xの吸蔵放出を繰返すことによってＮＯ_xを浄化することを目的としているので図８（Ａ）および図８（Ｂ）に示されるように当然のことながらＮＯ_x浄化率およびＨＣ酸化率が高い。

ところが図８（Ａ），（Ｂ）に示されるようにＮＯ_x吸蔵触媒１２からはかなりの量のＳＯ_xが放出される。無論このＳＯ_xの放出作用は排気ガスの空燃比がリッチにされたときに行われたものである。これに対し、本発明ではＳＯ_xトラップ触媒の温度が通常運転時における温度範囲、即ちほぼ１５０℃からほぼ４００℃のときにＳＯ_x放出量が零となるまでＮＯ_x吸蔵触媒１２に比べてＳＯ_xトラップ触媒１１の塩基性が強められ、酸化性が弱められている。このようにＮＯ_x吸蔵触媒１２に比べてＳＯ_xトラップ触媒１１の塩基性が強められ、酸化性が弱められるとＳＯ_xトラップ触媒１１ではＮＯ_xは吸収するが吸収したＮＯ_xをほとんど放出しえなくなるので図８（Ａ）に示されるようにＳＯ_xトラップ触媒１１のＮＯ_x浄化率はかなり低くなる。

この場合、ＳＯ_xトラップ触媒の温度が通常運転時における温度範囲、即ちほぼ１５０℃からほぼ４００℃のときにＳＯ_x放出率が零になるまでＳＯ_xトラップ触媒１１の塩基性を強くし、酸化性を弱めるとＳＯ_xトラップ触媒１１を用いたときのＮＯ_x浄化率はＮＯ_x吸蔵触媒１２を用いたときのＮＯ_x浄化率のほぼ１０パーセント以下となる。従ってＳＯ_xトラップ触媒１１は、ＳＯ_xトラップ触媒の温度が通常運転時における温度範囲、即ちほぼ１５０℃からほぼ４００℃のときにＳＯ_xトラップ触媒１１によるＮＯ_x浄化率がＮＯ_x吸蔵触媒１２によるＮＯ_x浄化率のほぼ１０パーセント以下になる程度までＮＯ_x吸蔵触媒１２に比べて塩基性が強められていると共に酸化性が弱められていると言うことができる。

一方、図８（Ｂ）からわかるようにＳＯ_xトラップ触媒の温度が通常運転時における温度範囲、即ちほぼ１５０℃からほぼ４００℃のときにＳＯ_x放出率が零になるまでＳＯ_xトラップ触媒１１の塩基性を強くし、酸化性を弱めるとＳＯ_xトラップ触媒１１を用いたときのＨＣ酸化率はＮＯ_x吸蔵触媒１２を用いたときのＨＣ酸化率のほぼ１０パーセント以下となる。従ってＳＯ_xトラップ触媒１１は、ＳＯ_xトラップ触媒の温度が通常運転時における温度範囲、即ちほぼ１５０℃からほぼ４００℃のときにＳＯ_xトラップ触媒１１によるＨＣ酸化率が常時ＮＯ_x吸蔵触媒１２によるＨＣ酸化率のほぼ１０パーセント以下になる程度までＮＯ_x吸蔵触媒１２に比べて塩基性が強められていると共に酸化性が弱められていると言うこともできる。

なお、貴金属触媒の量が少ないほどＨＣの酸化作用は弱まるので本発明による実施例ではＳＯ_xトラップ触媒１１に担持されている貴金属触媒５２の量はＮＯ_x吸蔵触媒１２に担持されている貴金属触媒４６の量よりも少ない。

さて、前述したように本発明による実施例では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１１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。この場合、本発明による実施例では還元剤供給弁１４から還元剤を供給し、この還元剤の酸化反応熱によってＳＯ_xトラップ触媒１１の温度を上昇させるようにしている。

なお、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１１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１１の容量を或る程度大きくすればＳＯ_xトラップ触媒１１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１１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。

次に図９から図１１を参照しつつＳＯ_xトラップ触媒１１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１１に捕獲されたＳＯ_x量を推定し、ＳＯ_xトラップ触媒１１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１１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１１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１１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１１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９（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１１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１１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９（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１１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９（Ｃ）に示されるようにＳＯ_x量ΣＳＯＸと、ＳＯ_xトラップ触媒１１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１１の昇温処理が行われる。なお、図９（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９（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１０のタイムチャートに示されるようにＳＯ_xトラップ触媒１１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１０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１０においてＳＯ_x濃度はＳＯ_xトラップ触媒１１の表面近傍におけるＳＯ_x濃度を示している。図１０からわかるようにＳＯ_xトラップ触媒１１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１１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１１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１０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１１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１１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１１を参照するとまず初めにステップ１００において図９（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９（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１２および図１３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１１の下流にＳＯ_xセンサ２４が配置されており、このＳＯ_xセンサ２４によってＳＯ_xトラップ触媒１１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１３に示されるようにＳＯ_xセンサ２４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１１の温度Ｔを上昇せしめる昇温制御が行われる。

図１２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１２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２４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２４の電力電圧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１４を参照しつつＮＯ_x吸蔵触媒１２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１２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１５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１２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１４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１２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１２からＮＯ_xが放出される。

一方、排気ガス中に含まれる粒子状物質はＮＯ_x吸蔵触媒１２を担持しているパティキュレートフィルタ１２ａ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１２ａ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１２ａ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１２ａ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１２ａ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２３により検出されたパティキュレートフィルタ１２ａの前後差圧ΔＰが図１４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、このときパティキュレートフィルタ１２ａ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１２ａの温度Ｔを上昇させる昇温制御が行われる。なお、パティキュレートフィルタ１２ａの温度Ｔが高くなるとＮＯ_x吸蔵触媒１２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１６はＮＯ_x吸蔵触媒１２に対する処理ルーチンを示している。
図１６を参照するとまず初めにステップ１２０において図１５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１２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１４から供給された還元剤によってＮＯ_x吸蔵触媒１２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２３によりパティキュレートフィルタ１２ａ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１２ａの昇温制御が行われる。この昇温制御はパティキュレートフィルタ１２ａに流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつ還元剤供給弁１４から還元剤を供給することによって行われる。

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。パティキュレートフィルタの構造を示す図である。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。ＮＯ_x浄化率とＳＯ_x放出量との関係等を示す図である。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。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
１１ＳＯ_xトラップ触媒
１２ＮＯ_x吸蔵触媒
１４還元剤供給弁

Claims

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、ＳＯ_xトラップ触媒下流の排気通路内に、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吸蔵触媒を配置した圧縮着火式内燃機関において、上記ＳＯ_xトラップ触媒は、ＳＯ_xトラップ触媒の温度がほぼ１５０℃からほぼ４００℃のときにＳＯ_xトラップ触媒によるＮＯ_x浄化率が上記ＮＯ_x吸蔵触媒によるＮＯ_x浄化率のほぼ１０パーセント以下になる程度まで該ＮＯ_x吸蔵触媒に比べて塩基性が強められていると共に酸化性が弱められており、ＮＯ_x吸蔵触媒からＮＯ_xを放出すべきときには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からリッチに一時的に切換えられる圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
上記ＳＯ_xトラップ触媒は、ＳＯ_xトラップ触媒の温度がほぼ１５０℃からほぼ４００℃のときにＳＯ_xトラップ触媒によるＨＣ酸化率も常時ＮＯ_x吸蔵触媒によるＨＣ酸化率のほぼ１０パーセント以下になる程度まで該ＮＯ_x吸蔵触媒に比べて塩基性が強められていると共に酸化性が弱められている請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
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ると共に該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おり、上記ＮＯ_x吸蔵触媒は触媒担体上にアルカリ金属、アルカリ土類又は希土類から選ばれたＮＯ_x吸収剤と貴金属触媒とが担持されている請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
上記ＳＯ_xトラップ触媒に担持されている貴金属触媒量は上記ＮＯ_x吸蔵触媒に担持されている貴金属触媒量よりも少ない請求項３に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
ＳＯ_xトラップ触媒上流の排気通路内に還元剤供給装置を配置し、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装置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請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
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し、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１に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
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６に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
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７に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
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６に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
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９に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
ＮＯ_x吸蔵触媒が排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕獲して酸化させるための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に記載の圧縮着火式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た請求項１１に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。