JP2008208722A

JP2008208722A - Exhaust emission control device of internal combustion engine

Info

Publication number: JP2008208722A
Application number: JP2007043369A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Tsujimoto; 健一辻本; Akinori Morishima; 彰紀森島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-02-23
Filing date: 2007-02-23
Publication date: 2008-09-11

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an exhaust emission control device of an internal combustion engine which realizes an efficient temperature rise of a SO<SB>X</SB>trap catalyst. <P>SOLUTION: The exhaust emission control device keeps an NO<SB>X</SB>occlusion catalyst 12 in an exhaust passage and a particulate filter 11 in an engine exhaust passage in the upstream of the NO<SB>X</SB>occlusion catalyst 12, and carries a SO<SB>X</SB>trap catalyst 22 recovering SO<SB>X</SB>trap ability when the temperature rises only in a downstream end region of the particulate filter 11 in which the temperature becomes highest in a flowing direction of an exhaust gas. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。 The present invention relates to an exhaust emission control device for an internal combustion engine.

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。 The NO _X storing catalyst the engine air-fuel ratio of the exhaust gas when the lean that releases NO _X air-fuel ratio of the exhaust gas which is occluded becomes the stoichiometric air-fuel ratio or rich for occluding NO _X contained in the exhaust gas flowing into the inflowing An internal combustion engine arranged in an exhaust passage is known. In this internal combustion engine, NO _X generated when combustion is performed under a lean air-fuel ratio is stored in the NO _X storage catalyst. On the other hand, _the NO _X storage ability of the NO _X storage catalyst air-fuel ratio of the exhaust gas approaches the saturation is temporarily made rich, whereby NO _X from _the NO _X storage catalyst is released is reduced.

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。 By the way, sulfur is contained in the fuel and the lubricating oil, and therefore SO _x is contained in the exhaust gas. This SO _X is stored in the NO _X storing catalyst along with the NO _X. However, this SO _X is not released from the NO _X storage catalyst simply by making the air-fuel ratio of the exhaust gas rich, and therefore the amount of SO _X stored in the NO _X storage catalyst gradually increases. As a result, the amount of NO _x that can be stored gradually decreases.

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トラップ触媒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トラップ触媒に捕獲され、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。 Therefore _the NO _X storage catalyst SO _X is an internal combustion engine arranged to _the SO _X trap catalyst in the NO _X storage catalyst in the engine exhaust passage upstream of to prevent the fed is known (see Patent Document 1). In this internal combustion engine, SO _X contained in the exhaust gas is captured by the SO _X trap catalyst, and thus, SO _X is prevented from flowing into the NO _X storage catalyst. As a result, it is possible to prevent the NO _X storage capability from being reduced by SO _X storage.

ところでこのＳＯ_Xトラップ触媒は長時間に亘って使用しているとＳＯ_Xトラップ率が次第に低下してくる。ところがこのＳＯ_Xトラップ触媒は、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ってＳＯ_Xトラップ率が回復するという性質を有する。従って上述の内燃機関ではＳＯ_Xトラップ率が低下したときにはＳＯ_Xトラップ率を回復するためにＳＯ_Xトラップ触媒を昇温させるようにしている。
特開２００５−１３３６１０号公報 By the way, when this SO _X trap catalyst is used for a long time, the SO _X trap rate gradually decreases. However, in this SO _X trap catalyst, when the temperature of the SO _X trap catalyst rises while the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean, the trapped SO _X gradually diffuses into the NO _X trap catalyst and the SO _X trap rate is increased. Has the property of recovering. Therefore, in the above-described internal combustion engine, when the SO _X trap rate decreases, the temperature of the SO _X trap catalyst is raised in order to recover the SO _X trap rate.
JP 2005-133610 A

ところでこのようにＳＯ_Xトラップ率を回復するためにＳＯ_Xトラップ触媒を昇温する場合にはＳＯ_Xトラップ触媒を効率よく昇温させることが好ましい。
本発明はＳＯ_Xトラップ触媒を効率よく昇温することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。 By the way, in order to increase the temperature of the SO _X trap catalyst in order to recover the SO _X trap rate in this way, it is preferable to increase the temperature of the SO _X trap catalyst efficiently.
An object of the present invention is to provide an exhaust purification device for an internal combustion engine capable of efficiently raising the temperature of a SO _X trap catalyst.

即ち、本発明によれば、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吸蔵触媒を配置した内燃機関において、ＮＯ_X吸蔵触媒上流の機関排気通路内に排気ガスが内部を流通する排気浄化要素を配置し、排気ガスの流れ方向において最も温度が高くなる排気浄化要素部分のみに温度上昇するとＳＯ_Xトラップ能力が回復するＳＯ_Xトラップ触媒を担持させている。 That is, according to the present invention, in the engine exhaust passage, the air-fuel ratio is stoichiometric or rich exhaust gas air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas when the lean of occluding NO _X contained in the exhaust gas inflow in it becomes the occluded NO _X internal combustion engine arranged to the NO _X storing catalyst to release the, _the NO _X storage catalyst upstream of the engine exhaust passage in the exhaust gases is arranged an exhaust purification element flowing inside, in the flow direction of the exhaust gas Only the exhaust purification element portion having the highest temperature carries the SO _X trap catalyst that recovers the SO _X trap ability when the temperature rises.

ＳＯ_Xトラップ率を効率よく昇温することができる。 The SO _X trap rate can be raised efficiently.

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。 FIG. 1 shows an overall view of a compression ignition type internal combustion engine.
Referring to FIG. 1, 1 is an engine body, 2 is a combustion chamber of each cylinder, 3 is an electronically controlled fuel injection valve for injecting fuel into each combustion chamber 2, 4 is an intake manifold, and 5 is an exhaust manifold. Respectively. The intake manifold 4 is connected to the outlet of the compressor 7 a of the exhaust turbocharger 7 through the intake duct 6, and the inlet of the compressor 7 a is connected to the air cleaner 8. A throttle valve 9 driven by a step motor is arranged in the intake duct 6, and a cooling device 10 for cooling intake air flowing in the intake duct 6 is arranged around the intake duct 6. In the embodiment shown in FIG. 1, the engine cooling water is guided into the cooling device 10 and the intake air is cooled by the engine cooling water.

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の出口は排気ガスが内部を流通する排気浄化要素１１の入口に連結される。図１に示される実施例では排気浄化要素１１が排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕獲するためのパティキュレートフィルタからなる。この排気浄化要素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。排気マニホルド５には排気マニホルド５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１４が取付けられる。 On the other hand, the exhaust manifold 5 is connected to the inlet of the exhaust turbine 7b of the exhaust turbocharger 7, and the outlet of the exhaust turbine 7b is connected to the inlet of the exhaust purification element 11 through which the exhaust gas flows. In the embodiment shown in FIG. 1, the exhaust purification element 11 comprises a particulate filter for capturing particulates contained in exhaust gas. The outlet of the exhaust purification element 11 is connected to the NO _x storage catalyst 12 through the exhaust pipe 13. The exhaust manifold 5 is provided with a reducing agent supply valve 14 for supplying a reducing agent made of, for example, hydrocarbons into the exhaust gas flowing through the exhaust manifold 5.

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。 The exhaust manifold 5 and the intake manifold 4 are connected to each other via an exhaust gas recirculation (hereinafter referred to as EGR) passage 15, and an electronically controlled EGR control valve 16 is disposed in the EGR passage 15. A cooling device 17 for cooling the EGR gas flowing in the EGR passage 15 is disposed around the EGR passage 15. In the embodiment shown in FIG. 1, the engine cooling water is guided into the cooling device 17 and the EGR gas is cooled by the engine cooling water. On the other hand, each fuel injection valve 3 is connected to a common rail 19 through a fuel supply pipe 18. Fuel is supplied into the common rail 19 from an electronically controlled fuel pump 20 with variable discharge amount, and the fuel supplied into the common rail 19 is supplied to the fuel injection valve 3 via each fuel supply pipe 18.

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。排気浄化要素１１、即ちパティキュレートフィルタ１１にはパティキュレートフィルタ１１の前後差圧を検出するための差圧力センサ２１が取付けられており、この差圧センサ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、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。 The electronic control unit 30 is composed of a digital computer, and is connected to each other by a bidirectional bus 31. A ROM (read only memory) 32, a RAM (random access memory) 33, a CPU (microprocessor) 34, an input port 35 and an output port 36. It comprises. A differential pressure sensor 21 for detecting the differential pressure across the particulate filter 11 is attached to the exhaust purification element 11, that is, the particulate filter 11, and an output signal of the differential pressure sensor 21 is a corresponding AD converter 37. To the input port 35. A load sensor 41 that generates an output voltage proportional to the depression amount L of the accelerator pedal 40 is connected to the accelerator pedal 40, and the output voltage of the load sensor 41 is input to the input port 35 via the corresponding AD converter 37. Is done. Further, the input port 35 is connected to a crank angle sensor 42 that generates an output pulse every time the crankshaft rotates, for example, 15 °. On the other hand, the output port 36 is connected to the fuel injection valve 3, the step motor for driving the throttle valve 9, the reducing agent supply valve 14, the EGR control valve 16, and the fuel pump 20 through corresponding drive circuits 38.

さて、本発明では、排気ガスの流れ方向において最も温度が高くなる排気浄化要素１１部分のみに温度上昇するとＳＯ_Xトラップ能力が回復するＳＯ_Xトラップ触媒を担持させるようにしている。前述したように図１に示される実施例では排気浄化要素１１がパティキュレートフィルタからなり、この場合には図２（Ａ）に示されるようにパティキュレートフィルタ１１の再生時に最も温度が高くなるパティキュレートフィルタ１１の下流端領域のみにＳＯ_Xトラップ触媒２２を担持させるようにしている。 In the present invention, only the portion of the exhaust purification element 11 having the highest temperature in the exhaust gas flow direction is loaded with the SO _X trap catalyst that recovers the SO _X trap ability when the temperature rises. As described above, in the embodiment shown in FIG. 1, the exhaust purification element 11 is formed of a particulate filter. In this case, as shown in FIG. 2 (A), the particulate having the highest temperature when the particulate filter 11 is regenerated. The SO _X trap catalyst 22 is supported only on the downstream end region of the curate filter 11.

一方、図２（Ｂ）は排気浄化要素１１を酸化触媒から構成するようにした別の実施例を示しており、この場合にも酸化触媒１１上での酸化反応により最も温度が高くなる酸化触媒１１の下流端領域のみにＳＯ_Xトラップ触媒２２が担持される。 On the other hand, FIG. 2 (B) shows another embodiment in which the exhaust purification element 11 is composed of an oxidation catalyst. In this case as well, the oxidation catalyst having the highest temperature due to the oxidation reaction on the oxidation catalyst 11 is shown. 11, the SO _X trap catalyst 22 is supported only in the downstream end region.

まず初めに図１に示されるＮＯ_X吸蔵触媒１２について説明すると、このＮＯ_X吸蔵触媒１２は例えばアルミナからなる触媒担体を有しており、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。 First, the NO _X storage catalyst 12 shown in FIG. 1 will be described. This NO _X storage catalyst 12 has a catalyst carrier made of alumina, for example, and FIG. 3 illustrates a cross section of the surface portion of the catalyst carrier 45. Is shown. As shown in FIG. 3, a noble metal catalyst 46 is dispersed and supported on the surface of the catalyst carrier 45, and a layer of NO _x absorbent 47 is formed on the surface of the catalyst carrier 45.

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。 In the embodiment according to the present invention, platinum Pt is used as the noble metal catalyst 46, and the constituents of the NO _x absorbent 47 are, for example, alkali metals such as potassium K, sodium Na, cesium Cs, barium Ba, calcium Ca. At least one selected from alkaline earths such as these, lanthanum La, and rare earths such as yttrium Y is used.

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。 When the ratio of air and fuel (hydrocarbon) supplied into the engine intake passage, the combustion chamber 2 and the exhaust passage upstream of the NO _x storage catalyst 12 is referred to as the air-fuel ratio of the exhaust gas, the NO _x absorbent 47 air absorbs NO _X when the lean, the oxygen concentration in the exhaust gas performs the absorbing and releasing action of the NO _X that releases NO _X absorbed and reduced.

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。 That is, the case where barium Ba is used as a component constituting the NO _x absorbent 47 will be described as an example. When the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean, that is, when the oxygen concentration in the exhaust gas is high, it is contained in the exhaust gas. As shown in FIG. 3, NO is oxidized on platinum Pt 46 to become NO ₂ , and then absorbed into the NO _x absorbent 47 and combined with barium oxide BaO, and in the form of nitrate ions NO ₃ ⁻ , the NO _x absorbent. It diffuses into 47. In this way, NO _x is absorbed in the NO _x absorbent 47. Exhaust oxygen concentration in the gas is NO ₂ with high long as the surface of the platinum Pt46 are generated, _the NO _X absorbent 47 of the NO _X absorbing capacity so long as NO ₂ not to saturate is absorbed in the NO _X absorbent 47 nitrate ions NO ₃ ^- is generated.

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。 In contrast, the reaction is reverse to the oxygen concentration in the exhaust gas to the rich or the stoichiometric air-fuel ratio of the exhaust gas by supplying a reducing agent from the reducing agent feed valve 14 decreases (NO ₃ ^- → proceeds to NO _2), thus to _the NO _X absorbent in the 47 nitrate ions NO ₃ and ^- is released from _the NO _X absorbent 47 in the shape of NO _2. Next, the released NO _x is reduced by unburned HC and CO contained in the exhaust gas.

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。 Thus, when the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean, that is, when combustion is performed under the lean air-fuel ratio, NO _X in the exhaust gas is absorbed into the NO _X absorbent 47. However becomes saturated is NO _X absorbing capacity of the NO _X absorbent 47 during the combustion of the fuel under a lean air-fuel ratio is continued, no longer able to absorb NO _X by _the NO _X absorbent 47 and thus End up. Therefore, in the embodiment according to the present invention, the air-fuel ratio of the exhaust gas is temporarily made rich by supplying the reducing agent from the reducing agent supply valve 14 before the absorption capacity of the NO _x absorbent 47 is saturated, thereby absorbing the NO _x. NO _x is released from the agent 47.

具体的に言うと、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５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６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。 More specifically, in the embodiment according to the present invention, the NO _X amount NOXA stored in the NO _X storage catalyst 12 per unit time is previously stored in the ROM 32 as a function of the required torque TQ and the engine speed N in the form of a map shown in FIG. The NO _X amount ΣNOX stored in the NO _X storage catalyst 12 is calculated by accumulating the NO _X amount NOXA. In the embodiment according to the present invention, as shown in FIG. 6, the air-fuel ratio A / F of the exhaust gas flowing into the NO _X storage catalyst 12 is temporarily made rich every time the NO _X amount ΣNOX reaches the allowable value NX. As a result, NO _X is released from the NO _X storage catalyst 12.

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、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。 Meanwhile, the exhaust gas contains SO _X, namely SO _2, the SO ₂ When this SO ₂ flows into the NO _X storing catalyst 12 becomes oxidized SO ₃ in the platinum Pt 46. Next, this SO ₃ is absorbed into the NO _x absorbent 47 and bonded to the barium oxide BaO, while diffusing into the NO _x absorbent 47 in the form of sulfate ions SO ₄ ²⁻ to form a stable sulfate BaSO ₄ . To do. However, since the NO _x absorbent 47 has a strong basicity, this sulfate BaSO ₄ is stable and difficult to decompose. If the air-fuel ratio of the exhaust gas is simply made rich, the sulfate BaSO ₄ is not decomposed and remains as it is. Remain. Thus will be sulfates BaSO ₄ increases as time in the NO _X absorbent 47 has elapsed, that the amount of NO _X _the NO _X absorbent 47 can absorb as thus to time has elapsed is reduced Become.

そこで図１および図２（Ａ）に示される実施例ではＮＯ_X吸蔵触媒１２の上流に配置されたパティキュレートフィルタ１１上にＳＯ_Xトラップ触媒２２を担持させてこのＳＯ_Xトラップ触媒２２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２２について説明する。 Therefore, in the embodiment shown in FIG. 1 and FIG. 2 (A), the SO _X trap catalyst 22 is supported on the particulate filter 11 disposed upstream of the NO _X storage catalyst 12, and the exhaust gas is exhausted by this SO _X trap catalyst 22. The SO _x contained therein is captured so that the SO _x does not flow into the NO _x storage catalyst 12. Next, the SO _X trap catalyst 22 will be described.

このＳＯ_Xトラップ触媒２２はパティキュレートフィルタ１１を構成する基体上に担持されており、図４はこの基体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。 The SO _X trap catalyst 22 is carried on a substrate constituting the particulate filter 11, and FIG. 4 schematically shows a cross section of the surface portion of the substrate 50. As shown in FIG. 4, a coat layer 51 is formed on the surface of the catalyst carrier 50, and a noble metal catalyst 52 is dispersed and supported on the surface of the coat layer 51.

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２２のコート層５１は強塩基性を呈している。 In the embodiment according to the present invention, platinum is used as the noble metal catalyst 52, and the components constituting the coating layer 51 include alkali metals such as potassium K, sodium Na and cesium Cs, and alkalis such as barium Ba and calcium Ca. At least one selected from earth, lanthanum La, and rare earth such as yttrium Y is used. That is, the coat layer 51 of the SO _X trap catalyst 22 exhibits strong basicity.

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。 Now, SO _x contained in the exhaust gas, that is, SO ₂ is oxidized in platinum Pt 52 as shown in FIG. 4 and then trapped in the coat layer 51. That is, SO ₂ diffuses into the coat layer 51 in the form of sulfate ions SO ₄ ²⁻ to form sulfates. As described above, the coat layer 51 has a strong basicity. Therefore, as shown in FIG. 4, a part of SO ₂ contained in the exhaust gas is directly captured in the coat layer 51.

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２２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。 Shading shows the concentration of trapped SO _X in the coat layer 51 in FIG. 4. As can be seen from FIG. 4, the SO _x concentration in the coat layer 51 is highest near the surface of the coat layer 51 and gradually decreases toward the back. When the SO _X concentration in the vicinity of the surface of the coat layer 51 is increased, the basicity of the surface of the coat layer 51 is weakened and the SO _X capturing ability is weakened. Here, if the ratio of SO _X trapped in _the SO _X trap catalyst 22 within the SO _X contained in the exhaust gas is referred to as _the SO _X trap rate, it is accompanied thereto if weakens the basicity of the surface of the coating layer 51 As a result, the SO _X trap rate decreases.

ところがこのＳＯ_Xトラップ触媒２２は排気ガスの空燃比がリーンのもとで昇温するとＳＯ_Xトラップ率が回復する。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２２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２２の昇温作用が完了するとＳＯ_Xトラップ率が回復する。 However, the SO _X trap catalyst 22 recovers its SO _X trap rate when the temperature of the exhaust gas is raised while the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean. That, SO _X fuel ratio is present in a concentrated manner in the vicinity of the surface in under a lean SO _X when raising the temperature of the trap catalyst 22 coating layer 51 of the exhaust gas is uniform SO _X concentration in the coat layer 51 Then, it diffuses toward the back of the coat layer 51. That is, the nitrate generated in the coat layer 51 changes from an unstable state concentrated near the surface of the coat layer 51 to a stable state uniformly dispersed throughout the coat layer 51. When SO _x existing in the vicinity of the surface in the coat layer 51 diffuses toward the inner part of the coat layer 51, the SO _x concentration in the vicinity of the surface of the coat layer 51 decreases, and thus the temperature raising action of the SO _x trap catalyst 22 is reduced. Upon completion, the SO _X trap rate is restored.

ところでＳＯ_Xトラップ触媒２２の昇温制御を行ったときにＳＯ_Xトラップ触媒２２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２２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２２の昇温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２２の温度を６００℃程度まで昇温させることが好ましい。 By the way, when the temperature rise control of the SO _X trap catalyst 22 is performed, if the temperature of the SO _X trap catalyst 22 is about 450 ° C., SO _X existing in the vicinity of the surface of the coat layer 51 is diffused into the coat layer 51. If the temperature of the SO _X trap catalyst 22 is raised to about 600 ° C., the SO _X concentration in the coat layer 51 can be made fairly uniform. Accordingly, when the temperature of the SO _X trap catalyst 22 is raised, it is preferable to raise the temperature of the SO _X trap catalyst 22 to about 600 ° C. while the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean.

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１１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１１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１１の温度を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。 On the other hand, the particulate matter contained in the exhaust gas is collected on the particulate filter 11 and sequentially oxidized. However, when the amount of the collected particulate matter is larger than the amount of the particulate matter to be oxidized, the particulate matter gradually accumulates on the particulate filter 11. In this case, when the amount of the particulate matter deposited increases, the engine output is increased. Will be reduced. Therefore, when the amount of accumulated particulate matter increases, the deposited particulate matter must be removed. In this case, when the temperature of the particulate filter 11 is raised under excess air, the deposited particulate matter is oxidized and removed.

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１１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１１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力センサ２１により検出されたパティキュレートフィルタ１１の前後差圧ΔＰが図６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１１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１１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１１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。 Therefore, in the embodiment according to the present invention, when the amount of the particulate matter deposited on the particulate filter 11 exceeds the allowable amount, the temperature of the particulate filter 11 is raised under the lean air-fuel ratio of the exhaust gas, thereby The deposited particulate matter is removed by oxidation. Specifically, in the embodiment according to the present invention, when the differential pressure ΔP before and after the particulate filter 11 detected by the differential pressure sensor 21 exceeds the allowable value PX as shown in FIG. In this case, the temperature rise control is performed to increase the temperature T of the particulate filter 11 while keeping the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the particulate filter 11 lean. Incidentally, NO _X amount ΣNOX trapped in the order NO _X is released from the NO _X storing catalyst 12 when the temperature T of the particulate filter 11 becomes high is reduced.

ところでパティキュレートフィルタ１１上において堆積した粒子状物質が酸化せしめられているときには排気ガス流によって酸化反応熱が下流に伝達されるので図２（Ａ）に示されるようにパティキュレートフィルタ１１の床温ＴＣは下流にいくほど高くなり、ＳＯ_Xトラップ触媒２２が担持されているパティキュレートフィルタ１１の下流端領域における床温ＴＣはＳＯ_Xトラップ触媒２２のＳＯ_Xトラップ率を回復させるのに十分な温度まで上昇する。従ってパティキュレートフィルタ１１の再生作用が行われると図６に示されるようにＳＯ_Xトラップ触媒２２のコート層５１の表面付近のＳＯ_X濃度Ｓｄが次第に低下し、斯くしてＳＯ_Xトラップ率が回復せしめられることになる。 By the way, when the particulate matter deposited on the particulate filter 11 is oxidized, the heat of the oxidation reaction is transmitted downstream by the exhaust gas flow, so that the bed temperature of the particulate filter 11 is shown in FIG. TC becomes higher toward the downstream, a temperature sufficient to bed temperature TC at the downstream end region of the particulate filter 11 _the SO _X trap catalyst 22 is supported on restoring _the SO _X trap rate of _the SO _X trap catalyst 22 To rise. Therefore, when the regenerating action of the particulate filter 11 is performed, the SO _X concentration Sd near the surface of the coat layer 51 of the SO _X trap catalyst 22 gradually decreases as shown in FIG. 6, and thus the SO _X trap rate is recovered. You will be kidnapped.

このようにパティキュレートフィルタ１１の下流端領域にＳＯ_Xトラップ触媒２２を担持させるとパティキュレートフィルタ１１の再生作用が行われる毎にＳＯ_Xトラップ触媒２２のＳＯ_Xトラップ率が回復されるのでＳＯ_Xトラップ率を回復することだけを目的としてＳＯ_Xトラップ触媒２２を昇温させる必要がないという利点がある。また、パティキュレートフィルタ１１の下流端領域のみにＳＯ_Xトラップ触媒２２を担持させているのでパティキュレートフィルタ１１の圧損を低くすることができるという利点もある。 This _the SO _X trap rate of _the SO _X trap catalyst 22 at the downstream end region in each reproduction action of the supporting the _the SO _X trap catalyst 22 particulate filter 11 is made of the particulate filter 11 is recovered as SO _X There is an advantage that it is not necessary to raise the temperature of the SO _X trap catalyst 22 only for the purpose of recovering the trap rate. Further, since the SO _X trap catalyst 22 is supported only in the downstream end region of the particulate filter 11, there is an advantage that the pressure loss of the particulate filter 11 can be reduced.

次に図７を参照しつつ排気浄化制御ルーチンについて説明する。
図７を参照するとまず初めにステップ６０において図５に示すマップからＮＯ_X吸蔵触媒１２に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６１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６２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６３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。 Next, an exhaust purification control routine will be described with reference to FIG.
Referring to FIG. 7, first, at step 60, the NO _X amount NOXA stored in the NO _X storage catalyst 12 per unit time is calculated from the map shown in FIG. Next, at step 61, this NOXA is added to the NO _X amount ΣNOX stored in the NO _X storage catalyst 12. Next, at step 62, it is judged if the stored NO _X amount ΣNOX has exceeded the allowable value NX. When ΣNOX> NX, the routine proceeds to step 63, where the NO _X storage catalyst is supplied by the reducing agent supplied from the reducing agent supply valve 14. A rich process for temporarily switching the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the engine 12 from lean to rich is performed, and ΣNOX is cleared.

次いでステップ６４では差圧力センサ２１によりパティキュレートフィルタ１１の前後差圧ΔＰが検出される。次いでステップ６５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６６に進んでパティキュレートフィルタ１１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１１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。 Next, at step 64, the differential pressure sensor 21 detects the differential pressure ΔP across the particulate filter 11. Next, at step 65, it is judged if the differential pressure ΔP has exceeded the allowable value PX, and when ΔP> PX, the routine proceeds to step 66 where temperature rise control of the particulate filter 11 is performed. This temperature increase control is performed by supplying the reducing agent from the reducing agent supply valve 14 while maintaining the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the particulate filter 11 lean.

なお、図２（Ｂ）に示されるように排気浄化要素１１として酸化触媒が用いられているときでも排気ガス流によって酸化反応熱が下流に伝達されるので酸化触媒１１の床温ＴＣは下流にいくほど高くなる。従ってこの場合にもＳＯ_Xトラップ触媒２２は酸化触媒１１の下流端領域に担持される。 As shown in FIG. 2B, even when an oxidation catalyst is used as the exhaust purification element 11, the heat of oxidation reaction is transmitted downstream by the exhaust gas flow, so the bed temperature TC of the oxidation catalyst 11 is downstream. The higher it gets. Accordingly, in this case as well, the SO _X trap catalyst 22 is supported on the downstream end region of the oxidation catalyst 11.

圧縮着火式内燃機関の全体図である。1 is an overall view of a compression ignition type internal combustion engine. 図１に示される排気浄化要素の拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view of the exhaust purification element shown in FIG. 1. ＮＯ_X吸蔵触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。2 is a cross-sectional view of a surface portion of a catalyst carrier of an NO _X storage catalyst. ＳＯ_Xトラップ触媒の基体の表面部分の断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the surface portion of the base of the SO _X trap catalyst. 単位時間当りの吸蔵ＮＯ_X量ＮＯＸＡのマップを示す図である。It is a diagram showing a map of a storage amount of NO _X NOXA per unit time. 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。It is a time chart which shows temperature rising control of a particulate filter. 排気浄化制御を実行するためのフローチャートである。It is a flowchart for performing exhaust purification control.

Explanation of symbols

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
１１排気浄化要素
１２ＮＯ_X吸蔵触媒
１４還元剤供給弁
２２ＳＯ_Xトラップ触媒 4 Intake Manifold 5 Exhaust Manifold 7 Exhaust Turbocharger 11 Exhaust Purification Element 12 NO _X Storage Catalyst 14 Reductant Supply Valve 22 SO _X Trap Catalyst

Claims

When the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the engine exhaust passage is lean, the NO _x contained in the exhaust gas is occluded, and when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing in becomes the stoichiometric air-fuel ratio or rich, the occluded NO _x is released. In an internal combustion engine in which an NO _X storage catalyst is arranged, an exhaust purification element in which exhaust gas flows inside the engine exhaust passage upstream of the NO _X storage catalyst is arranged, and the exhaust purification in which the temperature is highest in the flow direction of the exhaust gas exhaust gas purification apparatus for component parts only on the temperature rising when _the SO _X trap ability is an internal combustion engine was supported _the SO _X trap catalyst to recover.

2. The exhaust gas of an internal combustion engine according to claim 1, wherein the exhaust purification element is a particulate filter, and the SO _X trap catalyst is supported only in the downstream end region of the particulate filter that has the highest temperature during regeneration of the particulate filter. Purification equipment.

The exhaust purification element is comprised of an oxidation catalyst, the exhaust gas of the internal combustion engine according to claim 1 which has been carrying the _the SO _X trap catalyst only the downstream end region of the most temperature increases the oxidation catalyst by oxidation reaction on the oxidation catalyst Purification equipment.

Said _the SO _X trap catalyst, _the SO _X trap when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas lean in the catalyst to trap SO _X contained in the exhaust gas, the air-fuel ratio under the lean _the SO _X trap catalyst in the exhaust gas an exhaust purification system of an internal combustion engine according to claim 1 in which the temperature went diffused into the SO _X gradually NO _X trap catalyst trapping and increase _the SO _X trap rate is restored to.

The SO _X trap catalyst comprises a coat layer formed on a substrate and a noble metal catalyst maintained on the coat layer. The coat layer contains dispersed alkali metal, alkaline earth metal or rare earth metal. The exhaust emission control device for an internal combustion engine according to claim 1.