JP2008057446A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯ_x放出のための添加燃料のすり抜け防止と消費量の低減を図る。
【解決手段】内燃機関の排気通路内に下流側に向けて順に電気加熱式ＨＣ吸着触媒１２と、燃料添加弁１５と、ＮＯ_x吸蔵触媒１４とを配置する。ＮＯ_x吸蔵触媒１４からＮＯ_xを放出すべきときにはＨＣ吸着触媒１２を電気加熱してＨＣ吸着触媒１２に吸着されているＨＣを蒸発させると共に、不足分を燃料添加弁１５から添加する。
【選択図】図９

Description

本発明は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、このＮＯ_x吸蔵触媒からＮＯ_xを放出させるために微粒子状の燃料を排気ガス中に添加する燃料添加弁をＮＯ_x吸蔵触媒上流の機関排気通路内に配置し、燃料添加弁とＮＯ_x吸蔵触媒との間にＨＣ吸着酸化触媒を配置した内燃機関が公知である（特許文献１を参照）。この内燃機関ではＮＯ_x吸蔵触媒からＮＯ_xを放出すべきときに燃料添加弁から添加された燃料を一旦ＨＣ吸着酸化触媒に吸着させ、次いでＨＣ吸着酸化触媒に吸着した燃料を徐々に蒸発させてＮＯ_x吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比を長時間に亘り理論空燃比又はリッチに維持するようにしている。
国際公開ＷＯ２００５／０５４６３７ Ａ１

しかしながらこの内燃機関ではＨＣ吸着酸化触媒の温度が低いときには吸着した燃料が十分に蒸発しないために排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチにならず、一方このとき排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチにすべく燃料添加弁からの燃料添加量を増大すると今度は一部の添加燃料がＮＯ_x吸蔵触媒をすり抜けて大気中に排出され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本発明によれば、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、ＮＯ_x吸蔵触媒からＮＯ_xを放出させるために微粒子状の燃料を排気ガス中に添加する燃料添加弁をＮＯ_x吸蔵触媒上流の機関排気通路内に配置した内燃機関の排気浄化装置において、燃料添加弁上流の機関排気通路内に電気加熱式ＨＣ吸着触媒を配置し、ＮＯ_x吸蔵触媒からＮＯ_xを放出すべきときにはＨＣ吸着触媒を電気加熱してＨＣ吸着触媒に吸着されているＨＣを蒸発させると共に、不足分を燃料添加弁から添加するようにしている。

ＮＯ_x吸蔵触媒からＮＯ_xを放出すべきときにＮＯ_x吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比を確実に理論空燃比又はリッチにすることができると共に、燃料添加弁から添加すべき燃料量を低減することができる。

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の入口は吸入空気量を検出するためのエアーフローメータ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の出口は電気加熱式ＨＣ吸着触媒１２の入口に連結される。またこの電気加熱式ＨＣ吸着触媒１２の出口は排気管１３を介してＮＯ_x吸蔵触媒１４に連結され、この排気管１３内にはミスト状の、即ち微粒子状の燃料を排気ガス中に添加するための燃料添加弁１５が取付けられる。本発明による実施例ではこの燃料は軽油からなる。

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１６を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１６内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１７が配置される。また、ＥＧＲ通路１６周りにはＥＧＲ通路１６内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１８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１８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１９を介してコモンレール２０に連結される。このコモンレール２０内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２１から燃料が供給され、コモンレール２０内に供給された燃料は各燃料供給管１９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。電気加熱式ＨＣ吸着触媒１２にはＨＣ吸着触媒１２の温度の検出するための温度センサ２２が配置されこの温度センサ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、ＮＯ_x吸蔵触媒１４にはＮＯ_x吸蔵触媒１４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１０駆動用ステップモータ、電気加熱式ＨＣ吸着触媒１２、燃料添加弁１５、ＥＧＲ制御弁１７および燃料ポンプ２１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。この実施例では電気加熱式ＨＣ吸着触媒１２に供給されるＨＣの量を増量するために排気マニホルド５内にＨＣ供給弁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１４について説明すると、これら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。このようにＮＯ_x吸蔵触媒１４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１４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１４を担持したパティキュレートフィルタ１４ａ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１４ａ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１４ａ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１４ａ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１４ａ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１４をパティキュレートフィルタ１４ａ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（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４（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（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、排気ガスの空燃比がリッチ或いは理論空燃比にされ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４（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ＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する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が含まれており、ＮＯ_x吸収剤４７にはＮＯ_xばかりでなくＳＯ_xも吸収される。このＮＯ_x吸収剤４７へのＳＯ_xの吸収メカニズムはＮＯ_xの吸収メカニズムと同じであると考えられる。
即ち、ＮＯ_xの吸収メカニズムを説明したときと同様に担体上に白金ＰｔおよびバリウムＢａを担持させた場合を例にとって説明すると、前述したように流入排気ガスの空燃比がリーンのときには酸素Ｏ₂がＯ₂ ^-又はＯ^2-の形で白金Ｐｔの表面に付着しており、流入排気ガス中のＳＯ₂は白金Ｐｔの表面でＯ₂ ^-又はＯ^2-と反応してＳＯ₃となる。次いで生成されたＳＯ₃の一部は白金Ｐｔ上で更に酸化されつつ吸収剤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-の形で吸収剤内に拡散し、安定した硫酸塩ＢａＳＯ₄を生成する。

しかしながらこの硫酸塩ＢａＳＯ₄は安定していて分解しづらく、単に流入排気ガスの空燃比を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。ところがＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度を６００℃まで上昇させた状態でＮＯ_x吸蔵触媒１４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。従って本発明による実施例ではＮＯ_x吸収剤４７からＳＯ_xを放出すべきときにはＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度をほぼ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１４に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするようにしている。

さて、本発明ではＮＯ_x吸収剤４７からＮＯ_x或いはＳＯ_xを放出すべきときには燃料添加弁１５からミスト状、即ち微粒子状の燃料が添加される。ところがこのように添加された燃料が微粒子状をなしていると添加された一部の燃料がＮＯ_x吸蔵触媒１４をすり抜けてしまい、このようにＮＯ_x吸蔵触媒１４をすり抜ける燃料量は添加される燃料量が増大するほど多くなる。この場合、ＮＯ_x吸蔵触媒１４をすり抜ける燃料量が多くなると燃費が悪化するのでＮＯ_x吸蔵触媒１４をすり抜ける燃料量には限界値が存在する。そこで本発明では燃料添加弁１５からの燃料添加量を、ＮＯ_x吸蔵触媒１４をすり抜ける燃料量が限界値以下となる最大許容燃料添加量を越えないように制御している。

ところがこのように燃料添加弁１５からの燃料添加量が最大許容燃料添加量を越えないように制御されるとＮＯ_xを放出すべきときにＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしえない場合が発生する。そこで本発明ではこのように燃料添加弁１５からの燃料添加量が最大許容燃料添加量を越えないように制御されている場合でも、ＮＯ_xを放出すべきときにＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしうるように燃料添加弁１５の上流に電気加熱式ＨＣ吸着触媒１２が設けられている。次にこの電気加熱式ＨＣ吸着触媒１２の一例について説明する。

図５（Ａ）は電気加熱式ＨＣ吸着触媒１２の断面図を示しており、図５（Ｂ）は電気加熱式ＨＣ吸着触媒１２の側面断面図を示している。図５（Ａ）および（Ｂ）を参照すると電気加熱式ＨＣ吸着触媒１２は中心電極７０と、外筒７１と、波形薄板と平板とを同心円状に交互に巻設することにより形成されたヒータ７２からなる。この電気加熱式ＨＣ吸着触媒１２では中心電極７０と外筒７１間に電圧が印加されると波形薄板と平板との接触部が発熱する、即ちヒータ７２が発熱する。

波形薄板および平板上には例えばゼオライトのような細孔構造をもつ比表面積の大きな材料からなるＨＣ吸着剤が担持されており、機関から排出された排気ガス中に含まれる未燃ＨＣはこのＨＣ吸着剤に吸着される。図６に示されるようにこのＨＣ吸着剤に吸着されうる、即ち電気加熱式ＨＣ吸着触媒１２に吸着されうる最大ＨＣ吸着量Ｗｍａｘは電気加熱式ＨＣ吸着触媒１２の温度ＴＣが高くなるにつれて減少する。

図７にＮＯ_xおよびＳＯ_xの放出制御のタイムチャートを示す。図７を参照すると本発明による実施例ではＮＯ_x吸蔵触媒１４に吸蔵されているＮＯ_x量ΣＮＯＸが許容値ＮＸに達する毎にＮＯ_x吸蔵触媒１４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１４からＮＯ_xが放出される。更に、本発明による実施例では図７に示されるようにＮＯ_x吸蔵触媒１４に吸蔵されているＳＯ_x量ΣＳＯＸが許容値ＳＸに達したときにはＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度ＴがＳＯ_x放出温度ＴＸまで上昇せしめられ、ＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比がリッチとされる。なお、図７には示していないが本発明による実施例ではパティキュレートフィルタ１４ａ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、即ち差圧センサ２３により検出されたパティキュレートフィルタ１４ａの前後差圧が許容値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１４ａ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。

次に図８から図１０を参照しつつ本発明によるＮＯ_xおよびＳＯ_xの放出制御について説明する。
図８（Ａ）はＮＯ_x吸蔵触媒１４からＮＯ_xを放出すべくＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするのに単位時間当り必要なＨＣ量、即ち燃料量Ｑｏを示している。図８（Ａ）からわかるようにこの燃料量Ｑｏは燃焼室内における燃焼混合気の平均空燃比（Ａ／Ｆ）ｍが大きくなるほど増大する。なお、この燃料量Ｑｏは排気ガス量、即ち吸入空気量の関数でもある。この燃料量Ｑｏは平均空燃比（Ａ／Ｆ）ｍおよび吸入空気量の関数の形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

図８（Ｂ）はＮＯ_x吸蔵触媒１４をすり抜ける添加燃料量が限界値以下となる最大許容燃料添加量Ｑｍを示しており、前述したように燃料添加弁１５からの添加燃料量はこの最大許容燃料添加量Ｑｍを越えないように制御される。図８（Ｂ）に示されるようにこの最大許容燃料添加量Ｑｍは排気ガス量、即ち吸入空気量Ｇａが増大するにつれて減少する。この最大許容燃料添加量Ｑｍも予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

図８（Ｃ）は縦軸にＨＣ量或いは燃料量Ｑをとり、横軸に吸入空気量Ｇａをとって、図８（Ａ）に示される燃料量Ｑｏと図８（Ｂ）に示される最大許容燃料添加量Ｑｍとの関係を示している。なお、図８（Ｃ）における燃料量Ｑｏは燃焼室内における燃焼混合気の平均空燃比（Ａ／Ｆ）ｍが図８（Ａ）においてＸで示される空燃比であるときの値を示している。

さて図８（Ｃ）において吸入空気量ＧａがＹで示される量であるときを考えると、このとき燃料添加弁１５から最大許容燃料添加量Ｑｍを添加したとしてもＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするためにはＨＣ量又は燃料量がＷｐだけ不足することになる。そこで本発明では不足しているＨＣ量Ｗｐを電気加熱式ＨＣ吸着触媒１２から蒸発させたＨＣによって補うようにしている。逆の言い方をすると、ＮＯ_x吸蔵触媒１４からＮＯ_xを放出すべきときにはＨＣ吸着触媒１２を電気加熱してＨＣ吸着触媒１２に吸着されているＨＣを蒸発させ、ＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするのに不足している不足燃料分を燃料添加弁１５から添加するようにしている。なお、このとき燃料添加弁１５から添加される不足燃料分は最大許容燃料添加量Ｑｍを越えないように制御される。

図９はＮＯ_x吸蔵触媒１４からＮＯ_xを放出すべき指令が発せられたときのＮＯ_x放出処理のタイムチャートを示している。
図９に示されるようにＮＯ_x放出処理指令が発せられたときにＨＣ吸着触媒１２に吸着されているＨＣ吸着量Ｗが目標ＨＣ吸着量Ｗｘよりも低いときにはＨＣ吸着触媒１２に供給されるＨＣ量が増大せしめられる。この目標ＨＣ吸着量Ｗｘは図６に示される最大ＨＣ吸着量Ｗｍａｘとすることもできるし、不足しているＨＣ量Ｗｐから推定される要求ＨＣ吸着量とすることもできる。ＨＣ吸着触媒１２に供給されるＨＣの増大作用は、図１に示される実施例では膨張行程末期又は排気行程中に燃料噴射弁３から噴射される追加の燃料によって、図２に示される実施例ではＨＣ供給弁２４から供給されるＨＣ、即ち燃料によって行われる。このようなＨＣの増大作用が行われると図９に示されるようにＨＣ吸着触媒１２のＨＣ吸着量Ｗは急速に増大する。

ＨＣ吸着量Ｗが目標ＨＣ吸着量Ｗｘに達するとＨＣ吸着触媒１２のヒータ７２がオンとされ、斯くして図９に示されるようにＨＣ吸着触媒１２の温度ＴＣが上昇を開始する。次いでＨＣ吸着触媒１２の温度ＴＣがＨＣ蒸発開始温度ＴＶを越えるとＨＣ吸着触媒１２からのＨＣの蒸発作用が開始され、斯くして図９に示されるように時間を経過するにつれて単位時間当りのＨＣ蒸発量Ｗｐが徐々に増大する。

即ち、本発明では、ＮＯ_x吸蔵触媒１４からＮＯ_xを放出すべきときにＨＣ吸着触媒１２のＨＣ吸着量が目標ＨＣ吸着量Ｗｘに達していないときにはＨＣ吸着触媒１２へのＨＣ供給量を増大し、ＨＣ吸着触媒１２のＨＣ吸着量が目標ＨＣ吸着量Ｗｘに達した後に電気加熱作用によるＨＣ吸着触媒１２からのＨＣ蒸発作用を開始させるようにしている。

一方、図９にはＱｏと（Ｗｐ＋Ｑｍ）との関係が示されている。単位時間当りのＨＣ蒸発量Ｗｐと単位時間当りの最大許容燃料添加量Ｑｍとの和（Ｗｐ＋Ｑｍ）がＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするのに単位時間当り必要な燃料量Ｑｏを越えれば燃料添加弁１５から燃料を添加することによってＮＯ_x吸蔵触媒１４をすり抜ける添加燃料量を限界値以下に維持しつつＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることができる。従って本発明では図９に示されるように単位時間当りのＨＣ蒸発量Ｗｐと単位時間当りの最大許容燃料添加量Ｑｍとの和（Ｗｐ＋Ｑｍ）がＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするのに単位時間当り必要な燃料量Ｑｏを越えた後に燃料添加弁１５から燃料をパルス状に添加するようにしている。

即ち、別の言い方をすると、本発明ではＮＯ_x吸蔵触媒１４からＮＯ_xを放出すべきときには、ＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比をリッチとするのに必要な燃料添加弁１５からの燃料添加量が最大許容燃料添加量Ｑｍ以下となるまでＨＣ吸着触媒１２からのＨＣ蒸発量が増大するのを待ち、ＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比をリッチとするのに必要な燃料添加弁１５からの燃料添加量が最大許容燃料添加量Ｑｍ以下となった後に燃料添加弁１５から燃料を添加するようにしている。

なお、図９に示されるようにＨＣ吸着触媒１２は燃料添加弁１５から燃料が添加されるまで電気加熱され、燃料添加弁１５からの燃料の添加が完了すると電気加熱作用が停止される。

図１０はＮＯ_x吸蔵触媒１４からＳＯ_xを放出すべき指令が発せられたときのＳＯ_x放出処理のタイムチャートを示している。
図１０に示されるようにＳＯ_x放出処理指令が発せられたときにＨＣ吸着触媒１２に吸着されているＨＣ吸着量Ｗが目標ＨＣ吸着量Ｗｘよりも低いときにはＨＣ吸着触媒１２に供給されるＨＣ量が増大せしめられる。このＨＣの増大作用が行われると図１０に示されるようにＨＣ吸着触媒のＨＣ吸着量Ｗは急速に増大する。

ＨＣ吸着量Ｗが目標ＨＣ吸着量Ｗｘに達するとＨＣ吸着触媒１２のヒータ７２がオンとされ、斯くして図１０に示されるようにＨＣ吸着触媒１２の温度ＴＣが上昇を開始する。次いでＨＣ吸着触媒１２の温度ＴＣがＨＣ蒸発開始温度ＴＶを越えるとＨＣ吸着触媒１２からのＨＣの蒸発作用が開始され、斯くして図１０に示されるように時間を経過するにつれて単位時間当りのＨＣ蒸発量Ｗｐが徐々に増大する。

即ち、本発明では、ＮＯ_x吸蔵触媒１４からＳＯ_xを放出すべきときにＨＣ吸着触媒１２のＨＣ吸着量が目標ＨＣ吸着量Ｗｘに達していないときにもＨＣ吸着触媒１２へのＨＣ供給量を増大し、ＨＣ吸着触媒１２のＨＣ吸着量が目標ＨＣ吸着量Ｗｘに達した後に電気加熱作用によるＨＣ吸着触媒１２からのＨＣ蒸発作用を開始させるようにしている。

一方、図１０にもＱｏと（Ｗｐ＋Ｑｍ）との関係が示されている。図９を参照しつつ説明したように単位時間当りのＨＣ蒸発量Ｗｐと単位時間当りの最大許容燃料添加量Ｑｍとの和（Ｗｐ＋Ｑｍ）がＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするのに単位時間当り必要な燃料量Ｑｏを越えれば燃料添加弁１５から燃料を添加することによってＮＯ_x吸蔵触媒１４をすり抜ける添加燃料量を限界値以下に維持しつつＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることができる。

従って、ＮＯ_x吸蔵触媒１４からＳＯ_xを放出させる場合にも図１０に示されるように単位時間当りのＨＣ蒸発量Ｗｐと単位時間当りの最大許容燃料添加量Ｑｍとの和（Ｗｐ＋Ｑｍ）がＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするのに単位時間当り必要な燃料量Ｑｏを越えた後に燃料添加弁１５からの燃料の添加作用を開始させるようにしている。

また、ＮＯ_x吸蔵触媒１４からＳＯ_xを放出させるのに要する時間はＮＯ_x吸蔵触媒１４からＮＯ_xを放出させるのに要する時間に比べてかなり長く、ＳＯ_x放出時には長時間に亘ってＮＯ_x吸蔵触媒１４をすり抜ける添加燃料量を限界値以下に維持しつつＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比をリッチに維持する必要がある。そこで本発明ではＳＯ_x放出時に長時間に亘ってＮＯ_x吸蔵触媒１４をすり抜ける添加燃料量を限界値以下に維持しつつＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比をリッチに維持するためにヒータ７２のオン・オフ作用を繰返すことによりＨＣ蒸発量Ｗｐを制御するようにしている。

即ち、ＳＯ_x放出時にはＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比をリッチとするのに必要な燃料添加弁１５からの燃料添加量が最大許容燃料添加量Ｑｍ以下となった後、ＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比をリッチとするのに必要な燃料添加弁１５からの燃料添加量が最大許容燃料添加量Ｑｍ以下に維持されるようにＨＣ吸着触媒１２の温度ＴＣを電気加熱により制御するようにしている。

なお、図１０に示されるＳＯ_x放出処理方法はＮＯ_x放出処理に対しても用いることができる。

図１１はＨＣ吸着触媒１２に吸着されるＨＣ吸着量の算出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ＮＯ_x吸着触媒１２に単位時間当り吸着されるＨＣ吸着量ΔＷが算出される。このＨＣ吸着量ΔＷは要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図１２（Ａ）に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。次いでステップ１０１ではＮＯ_x吸着触媒１２から単位時間当り蒸発するＨＣ蒸発量Ｗｐが算出される。このＨＣ蒸発量Ｗｐは吸入空気量ＧａおよびＨＣ吸着触媒１２の温度ＴＣの関数として図１２（Ｂ）に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

次いでステップ１０２では次式に基づいて現在ＨＣ吸着触媒１２に吸着しているＨＣ吸着量Ｗが算出される。
Ｗ←Ｗ＋ΔＷ−Ｗｐ
次いでステップ１０３ではＨＣ吸着量Ｗが目標ＨＣ吸着量Ｗｘを越えたか否かが判別され、Ｗ＞Ｗｍａｘのときにはステップ１０４に進んでＨＣ吸着量Ｗが目標ＨＣ吸着量Ｗｘとされる。

図１３はＮＯ_x放出処理およびＳＯ_x放出処理の指令を発するためのルーチンを示している。
図１３を参照するとまず初めにステップ２００においてＮＯ_x吸蔵触媒１４に単位時間当り吸蔵されるＮＯ_x量ＮＯＸＡが算出される。このＮＯ_x量ＮＯＸＡは要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図１４（Ａ）に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。次いでステップ２０１ではこのＮＯＸＡがＮＯ_x吸蔵触媒１４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２０２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２０３に進んでＮＯ_x放出処理をすべき指令が発せられる。この指令が発せられると図１５に示すＮＯ_x放出処理が実行される。

次いでステップ２０４ではＮＯ_x吸蔵触媒１４に単位時間当り吸蔵されるＳＯ_x量ＳＯＸＺが算出される。このＳＯ_x量ＳＯＸＺは要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図１４（Ｂ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。次いでステップ２０５ではこのＳＯＸＺがＮＯ_x吸蔵触媒１４に吸蔵されているＳＯ_x量ΣＳＯＸに加算される。次いでステップ２０６では吸蔵ＳＯ_x量ΣＳＯＸが許容値ＳＸを越えたか否かが判別され、ΣＳＯＸ＞ＳＸとなったときにはステップ２０７に進んでＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比がリーンのもとでＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度ＴＣをＳＯ_x放出温度ＴＸまで上昇させる昇温制御が行われる。次いでステップ２０８では昇温制御が完了したか否かが判別され、昇温制御が完了したときにはステップ２０９に進んでＳＯ_x放出処理をすべき指令が発せられる。この指令が発せられると図１６および図１７に示すＳＯ_x放出処理が実行される。

次に図１５に示すＮＯ_x放出処理について説明する。
図１５を参照するとまず初めにステップ３００においてＨＣ吸着量Ｗが目標ＨＣ吸着量Ｗｘよりも微少量αだけ小さい基準値（Ｗｘ−α）よりも大きいか否かが判別される。Ｗ≦Ｗｘ−αのときにはステップ３０１に進んでＨＣ吸着触媒１２へのＨＣの供給量が増大せしめられる。次いでステップ３０２ではＨＣ吸着量ＷにＨＣ増量による吸着量増大分Ｗａｄが加算され、ステップ３００に戻る。

一方、ステップ３００においてＷ＞Ｗｘ−αであると判別されたときにはステップ３０３に進んでＨＣ吸着触媒１２のヒータ７２がオンとされる。次いでステップ３０４ではＨＣ吸着触媒１２の温度ＴＣがＨＣ蒸発開始温度ＴＶを越えるまで待つ。ＴＣ＞ＴＶになるとステップ３０５に進んで図１２（Ｂ）に示すマップから単位時間当りのＨＣ蒸発量Ｗｐが算出される。次いでステップ３０６ではＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするために単位時間当り必要な燃料量Ｑｏが算出され、次いでステップ３０７では単位時間当りの最大許容燃料添加量Ｑｍが算出される。

次いでステップ３０８ではＨＣ蒸発量Ｗｐと最大許容燃料添加量Ｑｍとの和（Ｗｐ＋Ｑｍ）が燃料量Ｑｏを越えたか否かが判別される。Ｗｐ＋Ｑｍ≦Ｑｏのときにはステップ３０５に戻る。一方、Ｗｐ＋Ｑｍ＞Ｑｏになるとステップ３０９に進んで図９に示されるように燃料添加弁１５から燃料がパルス状に供給される。次いでステップ３１０ではヒータ７２がオフとされ、ΣＮＯＸがクリアされる。

次に図１６および図１７に示すＳＯ_x放出処理について説明する。
図１６および図１７を参照するとまず初めにステップ４００においてＨＣ吸着量Ｗが目標ＨＣ吸着量Ｗｘよりも微少量αだけ小さい基準値（Ｗｘ−α）よりも大きいか否かが判別される。Ｗ≦Ｗｘ−αのときにはステップ４０１に進んでＨＣ吸着触媒１２へのＨＣの供給量が増大せしめられる。次いでステップ４０２ではＨＣ吸着量ＷにＨＣ増量による吸着量増大分Ｗａｄが加算され、ステップ４００に戻る。

一方、ステップ４００においてＷ＞Ｗｘ−αであると判別されたときにはステップ４０３に進んでＨＣ吸着触媒１２のヒータ７２がオンとされる。次いでステップ４０４ではＨＣ吸着触媒１２の温度ＴＣがＨＣ蒸発開始温度ＴＶを越えるまで待つ。ＴＣ＞ＴＶになるとステップ４０５に進んで図１２（Ｂ）に示すマップから単位時間当りのＨＣ蒸発量Ｗｐが算出される。次いでステップ４０６ではＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするために単位時間当り必要な燃料量Ｑｏが算出され、次いでステップ４０７では単位時間当りの最大許容燃料添加量Ｑｍが算出される。

次いでステップ４０８では燃料添加を実行すべきであることを示す実行フラグがセットされているか否かが判別される。実行フラグがセットされていないときにはステップ４０９に進んでＨＣ蒸発量Ｗｐと最大許容燃料添加量Ｑｍとの和（Ｗｐ＋Ｑｍ）が燃料量Ｑｏを越えたか否かが判別される。Ｗｐ＋Ｑｍ≦Ｑｏのときにはステップ４０５に戻る。一方、Ｗｐ＋Ｑｍ＞Ｑｏになるとステップ４１０に進んで実行フラグがセットされ、次いでステップ４１１に進む。実行フラグがセットされると次の処理サイクルからはステップ４０８からステップ４１１にジャンプする。

ステップ４１１からステップ４１４では燃料量Ｑｏに小さな値α１を加算した下限値（Ｑｏ＋α１）と燃料量Ｑｏに小さな値α２（＞α１）を加算した上限値（Ｑｏ＋α２）との間に（Ｗｐ＋Ｑｍ）を維持するようにヒータ７２がオン・オフ制御される。即ち、ステップ４１１においてＷｐ＋Ｑｍ＞Ｑｏ＋α２であると判断されるとステップ４１２に進んでヒータ７２がオフとされ、次いでステップ４１５に進む。一方、ステップ４１１においてＷｐ＋Ｑｍ≦Ｑｏ＋α２であると判断されたときにはステップ４１３に進み、ステップ４１３においてＷｐ＋Ｑｍ＜Ｑｏ＋α１であると判別されたときにはステップ４１４に進んでヒータ７２がオンとされる。次いでステップ４１５に進む。

ステップ４１５では図１０に示されるように燃料添加弁１５から燃料が連続パルスの形で供給される。このときの各パルス状の燃料量は最大許容燃料添加量Ｑｍを越えないように制御される。次いでステップ４１６ではＳＯ_x放出が完了したか否かが判別され、ＳＯ_x放出が完了していないときにはステップ４０５に戻る。これに対し、ＳＯ_x放出が完了したときにはステップ４１７に進んで実行フラグがリセットされ、ΣＳＯＸおよびΣＮＯＸがクリアされる。

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。 電気加熱式ＨＣ吸着触媒の構造を示す図である。 最大ＮＯ_x吸着量Ｗｍａｘを示す図である。 ＮＯ_xおよびＳＯ_xの放出処理を示すタイムチャートである。 ＮＯ_x吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするのに単位時間当り必要とされる燃料量Ｑｏと最大許容燃料添加量Ｑｍとを示す図である。 ＮＯ_x放出処理を示すタイムチャートである。 ＳＯ_x放出処理を示すタイムチャートである。 ＨＣ吸着量Ｗを算出するためのフローチャートである。 ＨＣ吸着量ΔＷおよびＨＣ蒸発量Ｗｐのマップを示す図である。 ＮＯ_x放出処理およびＳＯ_x放出処理の指令を発するためのフローチャートである。 吸蔵ＮＯ_x量ＮＯＸＡおよび吸蔵ＳＯ_x量ＳＯＸＺのマップを示す図である。 ＮＯ_x放出処理を実行するためのフローチャートである。 ＳＯ_x放出処理を実行するためのフローチャートである。 ＳＯ_x放出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 電気加熱式ＨＣ吸着触媒
１４ ＮＯ_x吸蔵触媒
１５ 燃料添加弁

Claims (7)

1. 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、該ＮＯ_x吸蔵触媒からＮＯ_xを放出させるために微粒子状の燃料を排気ガス中に添加する燃料添加弁を該ＮＯ_x吸蔵触媒上流の機関排気通路内に配置した内燃機関の排気浄化装置において、上記燃料添加弁上流の機関排気通路内に電気加熱式ＨＣ吸着触媒を配置し、上記ＮＯ_x吸蔵触媒からＮＯ_xを放出すべきときには該ＨＣ吸着触媒を電気加熱してＨＣ吸着触媒に吸着されているＨＣを蒸発させると共に、不足分を上記燃料添加弁から添加するようにした内燃機関の排気浄化装置。
2. 上記燃料添加弁から燃料が添加されたときに上記ＮＯ_x吸蔵触媒をすり抜ける燃料量が限界値以下となる最大許容燃料添加量が予め求められており、燃料添加弁から添加される不足分は該最大許容燃料添加量を越えないように制御される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 上記ＮＯ_x吸蔵触媒からＮＯ_xを放出すべきときには、ＮＯ_x吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチとするのに必要な燃料添加弁からの燃料添加量が上記最大許容燃料添加量以下となるまで上記ＨＣ吸着触媒からのＨＣ蒸発量が増大するのを待ち、ＮＯ_x吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチとするのに必要な燃料添加弁からの燃料添加量が該最大許容燃料添加量以下となった後に燃料添加弁から燃料を添加するようにした請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 上記ＨＣ吸着触媒は燃料添加弁から燃料が添加されるまで電気加熱され、燃料添加弁からの燃料の添加が完了すると電気加熱作用が停止される請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. ＮＯ_x吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチとするのに必要な燃料添加弁からの燃料添加量が上記最大許容燃料添加量以下となった後、ＮＯ_x吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチとするのに必要な燃料添加弁からの燃料添加量が上記最大許容燃料添加量以下に維持されるようにＨＣ吸着触媒の温度を電気加熱により制御す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。
6. 上記ＨＣ吸着触媒の温度の電気加熱制御はＮＯ_x吸蔵触媒からＳＯ_xを放出すべきときに行われる請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. ＮＯ_x吸蔵触媒からＮＯ_x又はＳＯ_xを放出すべきときにＨＣ吸着触媒のＨＣ吸着量が目標ＨＣ吸着量に達していないときにはＨＣ吸着触媒へのＨＣ供給量を増大し、ＨＣ吸着触媒のＨＣ吸着量が目標ＨＣ吸着量に達した後に電気加熱作用によるＨＣ吸着触媒からのＨＣ蒸発作用を開始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。

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