JP2009062850A

JP2009062850A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2009062850A
Application number: JP2007230539A
Authority: JP
Inventors: Kohei Yoshida; 耕平吉田; Takamitsu Asanuma; 孝充浅沼; Hiromasa Nishioka; 寛真西岡; Hiroshi Otsuki; 寛大月
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-09-05
Filing date: 2007-09-05
Publication date: 2009-03-26
Anticipated expiration: 2027-09-05
Also published as: JP4983491B2; EP2199555A1; US20100071347A1; WO2009031483A1; EP2199555B1; US8209954B2; EP2199555A4

Abstract

【課題】空燃比のリッチ時に発生するアンモニアの排出を阻止する。
【解決手段】機関排気通路内にＮＯ_X吸蔵触媒１２を配置し、ＮＯ_X吸蔵触媒１２の下流にＮＯ_X選択還元触媒１４を配置する。ＮＯ_X吸蔵触媒１２からＮＯ_Xを放出すべくＮＯ_X吸蔵触媒１２に流入する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る直前に、ＮＯ_X選択還元触媒１４に吸着されているアンモニアを除去するのに必要な量のＮＯ_Xを排気ガスの空燃比がリーンのもとでＮＯ_X選択還元触媒１４に供給する。
【選択図】図３

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

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の含まれる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、ＮＯ_X吸蔵触媒の下流に、吸着したアンモニアによって排気ガス中のＮＯ_Xを選択的に還元しうるＮＯ_X選択還元触媒を配置し、ＮＯ_X吸蔵触媒の上流に三元触媒を配置し、ＮＯ_X吸蔵触媒からＮＯ_Xを放出すべきには三元触媒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ように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一時的にリーンからリッチに切換えられたときに三元触媒において比較的多量のアンモニアが発生せしめられ、このときＮＯ_X吸蔵触媒においてＮＯ_Xの還元のために使用されなかったアンモニアがＮＯ_X吸蔵触媒から流出する場合がある。この場合にはＮＯ_X吸蔵触媒から流出したアンモニアはＮＯ_X選択還元触媒に吸着される。

一方、この内燃機関では排気ガスの空燃比がリーンに維持されている通常運転時にはＮＯ_X吸蔵触媒に吸蔵されなかった僅かな量のＮＯ_XがＮＯ_X吸蔵触媒から流出する場合がある。しかしながらこの内燃機関ではこのようにＮＯ_X吸蔵触媒からＮＯ_Xが流出した場合、このＮＯ_XはＮＯ_X選択還元触媒に吸着しているアンモニアによって還元される。別の角度からみるとこのときＮＯ_X選択還元触媒に吸着しているアンモニアはＮＯ_Xを還元するために消費され、ＮＯ_X選択還元触媒から除去される。
特開平１１−３０１１７号公報

しかしながらこの内燃機関ではＮＯ_X吸蔵触媒からのＮＯ_Xの流出はなりゆきで行われており、従ってＮＯ_X吸蔵触媒からＮＯ_Xが流出しない状態が継続するとＮＯ_X選択還元触媒に吸着しているアンモニアはＮＯ_Xと反応して除去されることなくＮＯ_X選択還元触媒に吸着し続ける。その結果、ＮＯ_X選択還元触媒への吸着アンモニア量が飽和し、斯くして排気ガスの空燃比がリッチにされる毎にそのとき発生するアンモニアがＮＯ_X選択還元触媒をすり抜けて大気中に排出され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、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、ＮＯ_X吸蔵触媒下流の機関排気通路内に、吸着したアンモニアによって排気ガス中のＮＯ_Xを選択的に還元しうるＮＯ_X選択還元触媒を配置し、ＮＯ_X吸蔵触媒からＮＯ_Xを放出すべきには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ーンからリッチに切換えるようにした内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯ_X吸蔵触媒からＮＯ_Xを放出すべくＮＯ_X吸蔵触媒に流入する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る直前に、ＮＯ_X選択還元触媒に吸着されているアンモニアを除去するためのアンモニア除去制御を実行するようにしている。

ＮＯ_X選択還元触媒に吸着されているアンモニアをなりゆきで除去するのではなく、予め定められた時期にアンモニア除去制御を実行することによってＮＯ_X選択還元触媒を常時アンモニアが吸着しうる状態に維持することができる。

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検出器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ＮＯ_X吸蔵触媒１２の入口に連結される。一方、ＮＯ_X吸蔵触媒１２の出口は排気管１３を介して、排気ガスの空燃比がリーンのときにアンモニアによって排気ガス中のＮＯ_Xを選択的に還元しうるＮＯ_X選択還元触媒１４に連結される。このＮＯ_X選択還元触媒１４はアンモニア吸着タイプの例えばＦｅゼオライトから形成される。

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、このコモンレール１９は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２０を介して燃料タンク２１に連結される。燃料タンク２１内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ２０によってコモンレール１９内に供給され、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。ＮＯ_X選択還元触媒１４にはＮＯ_X選択還元触媒１４の床温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および吸入空気量検出器８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、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の駆動用ステップモータ、ＥＧＲ制御弁１６および燃料ポンプ２０に接続される。

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），（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），（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内に吸収されて炭酸バリウムＢａＣＯ₃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。

一方、燃焼室２内における混合気の空燃比をリッチ或いは理論空燃比にすると、又は排気行程中に燃焼室２内に追加の燃料を噴射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、例えば放出されたＮＯ_XがＣＯによって還元された場合には図２（Ｂ）に示されるようにＮ₂とＣＯ₂になる。

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。

ところでＮＯ_X吸収剤４７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ると図２（Ｂ）に示されるように一部のＣＯは排気ガス中に含まれる水Ｈ₂Ｏと反応してＨ₂を生成する。次いでこのＨ₂はＮＯ_X吸収剤４７からの放出ＮＯ₂から生成されるＮ₂と反応してアンモニアＮＨ₃を生成する。即ち、ＮＯ_X吸収剤４７からＮＯ_Xを放出すべく排気ガスがリッチにされるとＮＯ_X吸蔵触媒１２においてアンモニアＮＨ₃が生成される。このアンモニアＮＨ₃はＮＯ_X吸蔵触媒１２から流出してＮＯ_X選択還元触媒１４に吸着される。

この状態を放置しておくとＮＯ_X選択還元触媒１４の吸着アンモニア量が飽和状態となり、排気ガスの空燃比がリッチにされる毎に発生するアンモニアがＮＯ_X選択還元触媒１４をすり抜けてしまうという問題を生ずる。そこで本発明ではこのような問題が発生するのを阻止するために、ＮＯ_X吸蔵触媒１２からＮＯ_Xを放出すべくＮＯ_X吸蔵触媒１２に流入する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る直前に、ＮＯ_X選択還元触媒１４に吸着されているアンモニアを除去するためのアンモニア除去制御を実行するようにしている。

もう少し具体的に言うと、本発明による実施例では排気ガスの空燃比がリッチになる直前にＮＯ_X吸蔵触媒１２からＮＯ_Xが流出せしめられ、このＮＯ_XによってＮＯ_X選択還元触媒１４に吸着されているアンモニアが除去される。即ち、本発明による実施例では上述アンモニア除去制御は、ＮＯ_X選択還元触媒１４に吸着されているアンモニアを除去するのに必要な量のＮＯ_Xを排気ガスの空燃比がリーンのもとでＮＯ_X選択還元触媒１４に供給するアンモニア除去用ＮＯ_X供給制御からなる。

図３はこのアンモニア除去用ＮＯ_X供給制御のタイムチャートを示している。なお、図３においてＡ／Ｆは排気ガスの空燃比を示しており、ＮＤはＮＯ_X吸蔵触媒１２から流出するＮＯ_X量、即ちＮＯ_X選択還元触媒１４に流入する流入ＮＯ_X量を示しており、ＮＨはＮＯ_X吸蔵触媒１２から流出するアンモニア量、即ちＮＯ_X選択還元触媒１４に流入する流入アンモニア量を示しており、ＮＳはＮＯ_X吸蔵触媒１２に吸蔵されている吸蔵ＮＯ_X量を示しており、ＨＳはＮＯ_X選択還元触媒１４に吸着されている吸着アンモニア量を示している。

図３に示されるように排気ガスの空燃比Ａ／Ｆがリーンからリッチに切換えられるとＮＯ_X吸蔵触媒１２からＮＯ_Xが放出され、従って吸蔵ＮＯ_X量ＮＳが急速に低下する。一方、このときＮＯ_X吸蔵触媒１２においてアンモニアが生成されるのでＮＯ_X選択還元触媒１４に流入する流入アンモニア量ＮＨが一時的に増大し、その結果、ＮＯ_X選択還元触媒１４への吸着アンモニア量ＨＳが増大する。なお、図３においてＮＳＸは排気ガスの空燃比Ａ／Ｆがリッチに切換えられるときの吸蔵ＮＯ_X量ＮＳを表している。

次いで排気ガスの空燃比Ａ／Ｆがリッチから再びリーンに戻されるとその後暫らくの間は流入ＮＯ_X量はほぼ零になる。即ち、排気ガス中に含まれるほとんど全てのＮＯ_XはＮＯ_X吸蔵触媒１２に吸蔵される。また、この間はＮＯ_X吸蔵触媒１２においてアンモニアが発生せず、従って流入アンモニア量ＮＨは零となる。

次いでＮＯ_X吸蔵触媒１２のＮＯ_X吸蔵能力が飽和に近ずくと排気ガス中に含まれる全てのＮＯ_XをＮＯ_X吸蔵触媒１２が吸蔵しえなくなり、排気ガス中に含まれる一部のＮＯ_XがＮＯ_X吸蔵触媒１２をすり抜けるようになる。このＮＯ_Xのすり抜け量は時間の経過と共に増大し、その結果時間の経過と共にＮＯ_X選択還元触媒１４への流入ＮＯ_X量ＮＤが増大する。ＮＯ_X選択還元触媒１４に吸着されているアンモニアはこの流入ＮＯ_Xを還元するために消費され、斯くして時間の経過と共に吸着アンモニア量ＨＳが減少する。

図３に示されるように本発明による実施例ではＮＯ_X吸蔵触媒１２におけるＮＯ_Xのすり抜けは吸着アンモニア量ＨＳが零になるまで行われ、吸着アンモニア量ＨＳが零になると排気ガスの空燃比Ａ／Ｆがリーンからリッチに切換えられてＮＯ_Xのすり抜けが停止される。即ち、本発明による実施例では排気ガスの空燃比がリーンのもとでＮＯ_X吸蔵触媒１２をすり抜けるＮＯ_Xの量がＮＯ_X選択還元触媒１４に吸着されているアンモニアを除去するのに必要な量になったときに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。

次に図４から８を参照しつつ本発明による第１実施例について説明する。
この第１実施例ではＮＯ_X選択還元触媒１４に吸着されているアンモニア量ＨＳを推定する吸着アンモニア量推定手段が設けられており、この吸着アンモニア量推定手段により推定された吸着アンモニア量の全部又は一部を除去するのに必要なＮＯ_Xを排気ガスの空燃比がリーンのもとでＮＯ_X選択還元触媒１４に供給するようにしている。

この場合、この第１実施例では上述の吸着アンモニア量推定手段は、ＮＯ_X吸蔵触媒１２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のリッチ度合およびリッチ時間に基づいて吸着アンモニア量を推定する。

この第１実施例では機関から単位時間当り排出されるＮＯ_X量と、ＮＯ_X吸蔵触媒１２が単位時間当り吸蔵しうるＮＯ_X量、即ちＮＯ_X吸蔵速度からＮＯ_X吸蔵触媒１２におけるＮＯ_Xのすり抜け量が算出される。即ち、この第１実施例では機関から単位時間当り排出されるＮＯ_X量ＮＯＸＡが機関の要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図４（Ａ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

一方、ＮＯ_X吸蔵触媒１２のＮＯ_X吸蔵触媒ΔＮＳはＮＯ_X吸蔵触媒１２の吸蔵ＮＯ_X量ＮＳの関数であり、図４（Ｂ）に示されるようにＮＯ_X吸蔵触媒ΔＮＳは吸蔵ＮＯ_X量ＮＳが増大するにつれて低下する。なお、図４（Ｂ）においてａ，ｂ，ｃ，ｄはＮＯ_X吸蔵触媒１２の劣化度合が異なる場合を示しており、これら劣化度合についてはｄ＞ｃ＞ｂ＞ａなる関係がある。即ち、劣化度合が高くなるほど、ＮＯ_X吸蔵速度ΔＮＳは低下する。図４（Ｂ）に示される関係は予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

機関からの排出ＮＯ_X量ＮＯＸＡに比べてＮＯ_X吸蔵速度ΔＮＳが高い場合には機関から排出されたＮＯ_Xは全てＮＯ_X吸蔵触媒１２に吸蔵される。これに対し、機関からの排出ＮＯ_X量ＮＯＸＡに比べてＮＯ_X吸蔵速度ΔＮＳが低い場合には機関から排出されたＮＯ_XのうちのＮＯ_X吸蔵速度ΔＮＳに相当する量のＮＯ_XのみがＮＯ_X吸蔵触媒１２に吸蔵され、残りのＮＯ_X（＝ＮＯＸＡ−ΔＮＳ）はＮＯ_X吸蔵触媒１２をすり抜けることになる。このように機関からの排出ＮＯ_X量ＮＯＸＡとＮＯ_X吸蔵速度ΔＮＳからＮＯ_Xのすり抜け量を算出することができる。

一方、追加燃料が供給されて排気ガスの空燃比がリッチにされる場合、この追加燃料の一部は排気ガス中の酸素を喰って空燃比をリーンから理論空燃比まで低下させるために使用され、残りの追加燃料はその極く一部がアンモニアの生成に使用されるがその大部分、即ち図５（Ａ）においてハッチングで示される部分はＮＯ_X吸蔵触媒１２から放出されたＮＯ_Xを還元するための還元剤として使用される。従って図５（Ａ）においてハッチングで示される還元剤の量Ｑは排気ガスの空燃比がリッチにされたときの吸蔵ＮＯ_X量ＮＳＸ（図３）から定まり、図５（Ｂ）に示されるようにこの還元剤の量Ｑは吸蔵ＮＯ_X量ＮＳＸに比例することになる。

還元剤の量Ｑを変化させるには図５（Ａ）に示されるリッチ度合およびリッチ時間のいずれか一方又は双方を変化させる必要があるが第１実施例ではリッチ度合を一定に維持した状態でリッチ時間を変化させることによって還元剤の量Ｑを変化させるようにしている。従って第１実施例では図５（Ｃ）に示されるようにリッチ時間が還元剤の量Ｑに比例して変化せしめられる。

図６（Ａ），（Ｂ）はＮＯ_X吸蔵触媒１２において生成され、ＮＯ_X選択還元触媒１４に流入する流入アンモニア量ＮＨと、図５（Ａ）に示されるリッチ度合、リッチ時間との関係を示している。図６（Ａ）に示されるように流入アンモニア量ＮＨはリッチ度合が高くなると指数関数的に増大する。一方、図６（Ｂ）に示されるように流入アンモニア量ＮＨはリッチ時間に比例する。従ってリッチ度合およびリッチ時間から流入アンモニア量ＮＨ、即ちＮＯ_X選択還元触媒１４に吸着されるアンモニア量を推定できることになる。

図７に第１実施例を実行するための排気浄化処理ルーチンを示す。このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。この第１実施例ではＮＯ_X選択還元触媒１４へのアンモニア吸着量が推定され、この吸着アンモニアを除去するのに必要なＮＯ_X量の目標値Ｘ₀が算出され、この目標値Ｘ₀に応じた量のＮＯ_XがＮＯ_X選択還元触媒１４に供給される。

図７を参照するとまず初めにステップ５０において図４（Ａ）に示すマップから機関からの単位時間当りの排出ＮＯ_X量ＮＯＸＡが算出される。次いでステップ５１では図４（Ｂ）に示す関係から吸蔵ＮＯ_X量ＮＳに応じたＮＯ_X吸蔵速度ΔＮＳが算出される。次いでステップ５２では排出ＮＯ_X量ＮＯＸＡがＮＯ_X吸蔵速度ΔＮＳよりも大きいか否かが判別される。ＮＯＸＡ＞ΔＮＳのときには排出ＮＯ_X量ＮＯＸＡのうちＮＯ_X吸蔵速度ΔＮＳに相当する分だけがＮＯ_X吸蔵触媒１２に吸蔵され、残りのＮＯ_X（ＮＯＸＡ−ΔＮＳ）はＮＯ_X吸蔵触媒１２をすり抜ける。

従ってステップ５２においてＮＯＸＡ＞ΔＮＳであると判別されたときにはステップ５４に進んでＮＯ_X吸蔵触媒１２に吸蔵されている吸蔵ＮＯ_X量ＮＳにＮＯ_X吸蔵速度ΔＮＳが加算され、次いでステップ５５ではＮＯ_X吸蔵触媒１２をすり抜けてＮＯ_X吸蔵触媒１２から流出する流出ＮＯ_X量の合計値ΣＮＯＸに（ＮＯＸＡ−ΔＮＳ）が加算される。次いでステップ５６に進む。一方、ステップ５２においてＮＯＸＡ≦ΔＮＳであると判別されたときにはステップ５３に進んで吸蔵ＮＯ_X量ＮＳに排出ＮＯ_X量ＮＯＸＡが加算され、次いでステップ５６に進む。

ステップ５６では流出ＮＯ_X量の合計値ΣＮＯＸが吸着アンモニアを除去するのに必要な目標値Ｘ₀を越えたか否かが判別される。流出ＮＯ_X量の合計値ΣＮＯＸが目標値Ｘ₀を越えたときにはステップ５７に進んでそのときの吸蔵ＮＯ_X量ＮＳ、即ちＮＳＸに基づいてリッチ時間が算出され、次いでステップ５８では排気ガスの空燃比をリッチにするリッチ処理が行われる。次いでステップ５９ではＮＳおよびΣＮＯＸがクリアされる。次いでステップ６０ではリッチ時間に基づいて流入アンモニア量ＮＨ、即ちＮＯ_X選択還元触媒１４に吸着されるアンモニア量が算出される。次いでステップ６１ではこの吸着アンモニアを除去するのに必要な流出ＮＯ_X量の目標値Ｘ₀が算出される。

図８（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は種々の吸着アンモニアの除去方法を示している。図８（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）において左側のＮＯ_X選択還元触媒１４は排気ガスの空燃比をリッチにするリッチ制御直前の吸着アンモニアの様子を示しており、右側のＮＯ_X選択還元触媒１４はリッチ制御完了後の吸着アンモニアの様子を示している。図８（Ａ）に示す例ではリッチ制御が行われると吸着アンモニアが飽和状態となり、この吸着アンモニアの全てがＮＯ_Xの供給によりリッチ制御の直前では除去されている。

一方、図８（Ｂ）に示す例ではリッチ制御が行われるとアンモニアがＮＯ_X選択還元触媒１４の吸着領域のうちの一部の領域に吸着され、この吸着アンモニアの全てがＮＯ_Xの供給によりリッチ制御の直前では除去されている。図８（Ｃ）に示す例ではリッチ制御ＩおよびIIの前ではアンモニア除去のためのＮＯ_Xの供給が行われず、吸着アンモニアが飽和状態となった後に吸着アンモニアの全てがＮＯ_Xの供給によりリッチ制御IIIの前に除去される。

図９から図１１はＮＯ_X選択還元触媒１４への吸着アンモニア量がアンモニアの飽和吸着量を越えないようにした第２実施例を示している。即ち、図９（Ａ）において実線ＭＡＸはＮＯ_X選択還元触媒１４のアンモニアの飽和吸着量を示しており、この飽和吸着量ＭＡＸはＮＯ_X選択還元触媒１４の温度ＴＣが高くなるにつれて低下する。

この第２実施例ではＮＯ_X選択還元触媒１４に吸着すべき目標アンモニア量ＮＨＯが予め設定されており、図９（Ａ）に示される例ではこの目標アンモニア量ＮＨＯはＮＯ_X選択還元触媒１４のアンモニア飽和吸着量ＭＡＸよりも一定量Ｚだけ低い量に設定されている。従ってこの目標アンモニア量ＮＨＯは触媒温度ＴＣの関数であり、図９（Ａ）に示されるように触媒温度がＴＣ₁のときには目標アンモニア量はＮＨＯ₁となる。

この第２実施例ではリッチ処理時に発生するアンモニア量が目標アンモニア量ＮＨＯとなるように制御され、従ってこの第２実施例では吸着されるアンモニア量が飽和吸着量ＭＡＸを越えることがない。ところがこのように吸着アンモニア量に対して目標値が設定されると放出されたＮＯ_Xを還元するための還元剤の量Ｑと発生するアンモニアの量の双方を要求されている量に制御しなければならないことになる。

ところで図５（Ａ）からわかるように還元剤の量Ｑはリッチ度合とリッチ時間の積に比例し、一方図６（Ａ），（Ｂ）からわかるように還元剤量Ｑが同一であってもリッチ度合とリッチ時間を変化させると発生するアンモニア量が変化する。図９（Ｂ）は種々の還元剤量Ｑ₁〜Ｑ₅と、発生するアンモニア量、即ちＮＯ_X選択還元触媒１４に流入する流入アンモニア量ＮＨと、リッチ度合との関係を示している。なお、還元剤の量はＱ₁，Ｑ₂，Ｑ₃，Ｑ₄，Ｑ₅の順に次第に増大していく。

図９（Ｂ）からわかるように同一の還元剤の量に対して流入アンモニア量ＮＨを増大するにはリッチ度合を高くする必要があり、この場合リッチ度合が高くされるとリッチ時間は短かくなる。即ち、この第２実施例ではＮＯ_X吸蔵触媒１２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るときのリッチ度合およびリッチ時間が、ＮＯ_X吸蔵触媒１２からのＮＯ_Xの放出作用を完了できかつＮＯ_X選択還元触媒１４への吸着アンモニア量を目標アンモニア量ＮＨＯにすることができるリッチ度合およびリッチ時間に制御される。

図１０および図１１に第２実施例を実行するための排気浄化処理ルーチンを示す。このルーチンも一定時間毎の割込みによって実行される。

図１０および図１１を参照するとまず初めにステップ７０において図４（Ａ）に示すマップから機関からの単位時間当りの排出ＮＯ_X量ＮＯＸＡが算出される。次いでステップ７１では図４（Ｂ）に示す関係から吸蔵ＮＯ_X量ＮＳに応じたＮＯ_X吸蔵速度ΔＮＳが算出される。次いでステップ７２では排出ＮＯ_X量ＮＯＸＡがＮＯ_X吸蔵速度ΔＮＳよりも大きいか否かが判別される。

ステップ７２においてＮＯＸＡ＞ΔＮＳであると判別されたときにはステップ７４に進んでＮＯ_X吸蔵触媒１２に吸蔵されている吸蔵ＮＯ_X量ＮＳにＮＯ_X吸蔵速度ΔＮＳが加算され、次いでステップ７５においてＮＯ_X吸蔵触媒１２をすり抜けてＮＯ_X吸蔵触媒１２から流出する流出ＮＯ_X量の合計値ΣＮＯＸに（ＮＯＸＡ−ΔＮＳ）が加算される。次いでステップ７６に進む。一方、ステップ７２においてＮＯＸＡ≦ΔＮＳであると判別されたときにはステップ７３に進んで吸蔵ＮＯ_X量ＮＳに排出ＮＯ_X量ＮＯＸＡが加算され、次いでステップ７６に進む。

ステップ７６では流出ＮＯ_X量の合計値ΣＮＯＸが目標量ＮＨＯの吸着アンモニアを除去するのに必要な目標値Ｘ₀を越えたか否かが判別される。流出ＮＯ_X量の合計値ΣＮＯＸが目標値Ｘ₀を越えたときにはステップ７７に進んでそのときの吸蔵ＮＯ_X量ＮＳ、即ちＮＳＸに基づいてＮＯ_Xの還元のために必要な還元剤の量Ｑが算出される。次いでステップ７８では温度センサ２２により検出された触媒温度ＴＣが読込まれ、次いでステップ７９では触媒温度ＴＳに応じた目標アンモニア量ＮＨＯが算出される。

次いでステップ８０では還元剤の量Ｑおよび目標アンモニア量ＮＨＯを用いて図９（Ｂ）に示す関係からリッチ度合、即ちリッチ空燃比が算出され、次いでステップ８１では還元剤量Ｑとリッチ度合からリッチ時間が算出される。次いでステップ８２では排気ガスの空燃比をリッチにするリッチ処理が行われる。次いでステップ８３ではＮＳおよびΣＮＯＸがクリアされる。次いでステップ８４では目標量ＮＨＯの吸着アンモニアを除去するのに必要な流出ＮＯ_X量の目標値Ｘ₀が算出される。

図１２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ＮＯ_X選択還元触媒１４の上流および下流に夫々ＮＯ_X選択還元触媒１４に流入するＮＯ_Xの濃度を検出するためのＮＯ_Xセンサ２３と、ＮＯ_X選択還元触媒１４から流出するＮＯ_Xの濃度を検出するためのＮＯ_Xセンサ２４とが設けられている。ＮＯ_X選択還元触媒１４にアンモニアが吸着していればＮＯ_X選択還元触媒１４に流入したＮＯ_Xは吸着アンモニアによって還元されるのでＮＯ_X選択還元触媒１４から流出するＮＯ_X量はＮＯ_X選択還元触媒１４に流入するＮＯ_X量に比べて吸着アンモニアを除去するのに使用された分だけ減少する。

従ってＮＯ_Xセンサ２３，２４により検出されたＮＯ選択還元触媒１４前後におけるＮＯ_X濃度の差から吸着アンモニア量を推定できることになる。従ってリッチ処理時におけるリッチ度合およびリッチ時間から吸着アンモニア量を推定する代りにこれら一対のＮＯ_Xセンサ２３，２４の出力値から吸着アンモニアを推定することもできる。

図１３および図１４は、一対のＮＯ_Xセンサ２３，２４により検出されたＮＯ選択還元触媒１４前後におけるＮＯ_X濃度の差からＮＯ_X選択還元触媒１４のアンモニア飽和吸着量ＭＡＸを検出し、このアンモニア飽和吸着量ＭＡＸに基づいて目標アンモニア量ＮＨＯを補正するようにした実施例を示している。

即ち、図１３（Ａ）においてＮＤｉはＮＯ_Xセンサ２３の出力値から算出された流入ＮＯ_X量を示しており、ＮＤ₀はＮＯ_Xセンサ２４の出力値から算出された流出ＮＯ_X量を示している。図１３（Ａ）において、通常は破線ＲＳで示されるタイミングで行われるリッチ処理を中止すると流入ＮＯ_X量ＮＤｉは上昇し続け、流出ＮＯ_X量ＮＤ₀は吸着アンモニアが存在しなくなると流入ＮＯ_X量ＮＤｉまで急速に上昇する。

この場合、図１３（Ａ）においてハッチングで示される面積がアンモニア吸着量を表しており、従って一対にＮＯ_Xセンサ２３，２４の出力値からアンモニア吸着量を推定できることになる。ところでこの実施例ではアンモニア飽和吸着量ＭＡＸを検出するためにアンモニア飽和吸着量ＭＡＸの検出前にＮＯ_X選択還元触媒１４へのアンモニア吸着量を飽和させるためにＮＯ_X吸蔵触媒１２からＮＯ_Xを放出させるのに必要な量以上の還元剤をＮＯ_X吸蔵触媒１２に供給するようにしている。図１３（Ａ）に示される例ではＲＦで示されるように排気ガスの空燃比Ａ／Ｆが続けて複数回リッチにされる。

このように多量の還元剤が供給されると図１３（Ａ）においてハッチングで示される面積はアンモニア飽和吸着量ＭＡＸを表すことになる。これまで用いられていた飽和吸着量曲線が図１３（Ｂ）において鎖線で示される曲線であり、触媒温度ＴＣがＴＣ₁のときに検出されたアンモニア飽和吸着量がＭＡＸ₁であったとすると飽和吸着量曲線は実線で示される飽和吸着量曲線に補正される。このように飽和吸着量曲線が補正される。このように飽和吸着量曲線が補正されるとこの飽和吸着量曲線よりも例えば一定値Ｚだけ低くなるように目標アンモニア量ＮＨＯが補正される。

図１４にアンモニアの飽和吸着量のチェック制御ルーチンを示す。このチェック制御ルーチンは例えば車両の運転が行われる毎に一回だけ実行される。
図１４を参照するとまず初めにステップ９０においてチェック用リッチ処理を実行すべき指令が出される。例えば図１３（Ａ）においてＲＦで示されるように排気ガスの空燃比Ａ／Ｆを２回リッチにし、破線ＲＳで示されるリッチ処理を禁止する指令が出される。

次いでステップ９１ではＮＯ_Xセンサ２３により検出されたＮＯ_X濃度に排気ガス量、即ち吸入空気量を乗算することによって流入ＮＯ_X量ＮＤｉが算出され、次いでステップ９２ではＮＯ_Xセンサ２４により検出されたＮＯ_X濃度に排気ガス量、即ち吸入空気量を乗算することによって流出ＮＯ_X量ＮＤ₀が算出される。次いでステップ９４では流入ＮＯ_X量ＮＤｉと流出ＮＯ_X量ＮＤ₀の差ΔＮＤ（＝ＮＤｉ−ＮＤ₀）が算出される。次いでステップ９４では差ΔＮＤが積算値ΣΔＮＤに加算される。

次いでステップ９５では差ΔＮＤが減少中であるか否かが判別される。この差ΔＮＤ（＝ＮＤｉ−ＮＤ₀）は図１３（Ａ）からわかるように最初は零であるが次第に増大し、次いで減少する。差ΔＮＤが減少中でないときにはステップ９７にジャンプする。ステップ９７では予め定められた単位時間が経過するまで待ち、ステップ９０に戻る。一方、ステップ９５においてΔＮＤが減少中であると判別されたときにはステップ９６に進んで差ΔＮＤが零になったか否か、即ち図１３（Ａ）のハッチングを付した面積に相当する消費ＮＯ_X量の算出が完了したか否かが判別される。差ΔＮＤが零でないときにはステップ９７に進む。

一方、ステップ９６において差ΔＮＤが零になったと判断されたとき、即ち図１３（Ａ）のハッチングを付した面積に相当する消費ＮＯ_X量の算出が完了したときにはステップ９８に進んで消費ＮＯ_X量からアンモニア飽和吸着量ＭＡＸが算出され、飽和吸着量曲線が補正される。次いでステップ９９では目標アンモニア量ＮＨＯが補正される。次いでステップ１００において予め定められた待ち時間だけ待った後にステップ１０１に進む。ステップ１０１では図１３（Ａ）においてＲＴで示されるＮＯ_X放出のためのリッチ処理が行われ、次いでチェック制御を完了する。

圧縮着火式内燃機関の全体図である。ＮＯ_X吸蔵触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。アンモニア除去用ＮＯ_X供給制御のタイムチャートである。吸蔵ＮＯ_X量ＮＯＸＡのマップ等を示す図である。リッチ処理時の還元剤の量等を示す図である。ＮＯ_X選択還元触媒への流入アンモニア量を示す図である。排気浄化処理を行うためのフローチャートである。吸着アンモニアの除去方法を説明するための図である。ＮＯ_X選択還元触媒へのアンモニア飽和吸着量等を示す図である。排気浄化処理を行うためのフローチャートである。排気浄化処理を行うためのフローチャートである。圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す全体図である。アンモニアの飽和吸着量をチェックするためのリッチ処理等を説明するための図である。アンモニアの飽和吸着量をチェックするチェック制御を行う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
１２ＮＯ_X吸蔵触媒
１４ＮＯ_X選択還元触媒

Claims

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、該ＮＯ_X吸蔵触媒下流の機関排気通路内に、吸着したアンモニアによって排気ガス中のＮＯ_Xを選択的に還元しうるＮＯ_X選択還元触媒を配置し、ＮＯ_X吸蔵触媒からＮＯ_Xを放出すべきには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ーンからリッチに切換えるようにした内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯ_X吸蔵触媒からＮＯ_Xを放出すべくＮＯ_X吸蔵触媒に流入する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る直前に、ＮＯ_X選択還元触媒に吸着されているアンモニアを除去するためのアンモニア除去制御を実行するようにした内燃機関の排気浄化装置。
上記アンモニア除去制御は、ＮＯ_X選択還元触媒に吸着されているアンモニアを除去するのに必要な量のＮＯ_Xを排気ガスの空燃比がリーンのもとでＮＯ_X選択還元触媒に供給するアンモニア除去用ＮＯ_X供給制御からなる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
排気ガスの空燃比がリーンのもとでＮＯ_X吸蔵触媒をすり抜けるＮＯ_Xの量がＮＯ_X選択還元触媒に吸着されているアンモニアを除去するのに必要な量になったときに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請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
ＮＯ_X選択還元触媒に吸着されているアンモニア量を推定する吸着アンモニア量推定手段を具備しており、該吸着アンモニア量推定手段により推定された吸着アンモニア量の全部又は一部を除去するのに必要なＮＯ_Xを排気ガスの空燃比がリーンのもとでＮＯ_X選択還元触媒に供給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。
上記吸着アンモニア量推定手段は、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のリッチ度合およびリッチ時間に基づいて吸着アンモニア量を推定する請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
ＮＯ_X選択還元触媒に流入するＮＯ_Xの濃度を検出するためのＮＯ_Xセンサと、ＮＯ_X選択還元触媒から流出するＮＯ_Xの濃度を検出するためのＮＯ_Xセンサとを具備しており、上記吸着アンモニア量推定手段は、これらＮＯ_Xセンサにより検出されたＮＯ選択還元触媒前後におけるＮＯ_X濃度の差から吸着アンモニア量を推定する請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
ＮＯ_X選択還元触媒に吸着すべき目標アンモニア量が予め設定されており、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るときのリッチ度合およびリッチ時間が、ＮＯ_X吸蔵触媒からのＮＯ_Xの放出作用を完了できかつＮＯ_X選択還元触媒への吸着アンモニア量を上記目標アンモニア量にすることができるリッチ度合およびリッチ時間に制御される請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記目標アンモニア量はＮＯ_X選択還元触媒のアンモニア飽和吸着量よりも低い量に設定されている請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
ＮＯ_X選択還元触媒に流入するＮＯ_Xの濃度を検出するためのＮＯ_Xセンサと、ＮＯ_X選択還元触媒から流出するＮＯ_Xの濃度を検出するためのＮＯ_Xセンサとを具備しており、これらＮＯ_Xセンサにより検出されたＮＯ選択還元触媒前後におけるＮＯ_X濃度の差からＮＯ_X選択還元触媒のアンモニア飽和吸着量が検出され、検出されたアンモニア飽和吸着量に基づき上記目標アンモニア量が補正される請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置。
アンモニア飽和吸着量の検出前にＮＯ_X選択還元触媒へのアンモニア吸着量を飽和させるためにＮＯ_X吸蔵触媒からＮＯ_Xを放出させるのに必要な量以上の還元剤をＮＯ_X吸蔵触媒に供給するようにした請求項９に記載の内燃機関の排気浄化装置。