JP2009156168A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気浄化触媒を急速に昇温させる。
【解決手段】機関排気通路内に酸化機能を有する排気浄化触媒１３を配置し、排気浄化触媒１３上流の機関排気通路内に小型酸化触媒１４と、小型酸化触媒１４に燃料を供給するための燃料供給弁１５とを配置する。排気浄化触媒１３を活性化させるときには燃料噴射弁１５からの供給燃料により小型酸化触媒１４を発熱させ、排気浄化触媒１３を更に昇温させるときには燃料供給弁１５からの供給燃料を増量して小型酸化触媒１４から改質燃料を排出させる。
【選択図】図２

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に含まれるＮＯ_xを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が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吸蔵触媒上流の機関排気通路内に排気通路の断面よりも小さな断面を有する小型の燃料改質触媒を配置して機関から排出された排気ガスの一部を燃料改質触媒内に流通させ、ＮＯ_x吸蔵触媒からＮＯ_xを放出すべきときには燃料改質触媒の上流側端面に向けて燃料を噴射するようにした内燃機関が公知である（例えば特許文献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噴射された燃料は燃料改質触媒内において改質され、改質された燃料、例えばＨ₂やＣＯを含む還元能力の高い燃料がＮＯ_x吸蔵触媒に送り込まれる。その結果、ＮＯ_x吸蔵触媒から放出されたＮＯ_xが良好に還元せしめられることになる。
特開２００５−１２７２５７号公報

しかしながらこのように改質された燃料をＮＯ_x吸蔵触媒に送り込んでもＮＯ_x吸蔵触媒が活性化していない場合のようにＮＯ_x吸蔵触媒において還元反応が生じないときにはＮＯ_x吸蔵触媒に送り込まれた改質燃料がＮＯ_x吸蔵触媒を素通りし、大気中に排出されるという問題を生ずる。このような問題が生じないようにするには燃料改質触媒やＮＯ_x吸蔵触媒の状態に応じ目的に合った燃料改質触媒への燃料の供給制御を行う必要がある。

そこで本発明では、機関排気通路内に酸化機能を有する排気浄化触媒を配置し、排気浄化触媒上流の機関排気通路内に排気浄化触媒よりも体積が小さくかつ排気浄化触媒に流入する排気ガスの一部が流通する小型酸化触媒と、小型酸化触媒に燃料を供給するための燃料供給弁とを配置し、燃料供給弁から供給された燃料により小型酸化触媒で発生する酸化反応熱でもって排気浄化触媒を昇温させるときには小型酸化触媒が発熱するのに必要な第１の量の燃料を燃料供給弁から供給し、燃料供給弁から供給された燃料を小型酸化触媒により改質して小型酸化触媒から流出する改質燃料により排気浄化触媒を昇温させるとき、或いは排気浄化触媒において排気浄化処理を行うときには第１の量よりも多くの燃料を燃料供給弁から供給するようにしている。

必要に応じた量の燃料が燃料供給弁から供給される。

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の出口は排気管１２を介して酸化機能を有する排気浄化触媒１３に連結される。この排気浄化触媒１３上流の機関排気通路内には、即ち排気管１２内には排気浄化触媒１３よりも体積が小さくかつ排気浄化触媒１３に流入する排気ガスの一部が流通する小型酸化触媒１４が配置され、この小型酸化触媒１４上流の機関排気通路内には、即ち排気管１２内には小型酸化触媒１４に燃料を供給するための燃料供給弁１５が配置される。

図１に示される実施例ではこの排気浄化触媒１３は酸化触媒からなり、排気浄化触媒１３下流の、即ち酸化触媒１３下流の機関排気通路内には排気ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタ１６が配置される。また、図１に示される実施例ではパティキュレートフィルタ１６下流の機関排気通路内にＮＯ_x吸蔵触媒１７が配置される。

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１８を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１８内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１９が配置される。また、ＥＧＲ通路１８周りにはＥＧＲ通路１８内を流れるＥＧＲガス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。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管２１を介してコモンレール２２に連結され、このコモンレール２２は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２３を介して燃料タンク２４に連結される。燃料タンク２４内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ２３によってコモンレール２２内に供給され、コモンレール２２内に供給された燃料は各燃料供給管２１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。小型酸化触媒１４の下流には小型酸化触媒１４の温度を検出するための温度センサ２５が配置され、パティキュレートフィルタ１６の下流には酸化触媒１３又はパティキュレートフィルタ１６の温度を検出するための温度センサ２６が配置され、ＮＯ_x吸蔵触媒１７の下流にはＮＯ_x吸蔵触媒１７の温度を検出するための温度センサ２７が配置され、これら温度センサ２５，２６，２７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、パティキュレートフィルタ１６にはパティキュレートフィルタ１６の前後差圧を検出するための差圧センサ２８が取付けられ、この差圧センサ２８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。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１９および燃料ポンプ２３に接続される。

図２（Ａ）は図１における小型酸化触媒１４周りの拡大図を示しており、図２（Ｂ）は図２（Ａ）においてＢ−Ｂ線に沿ってみた断面図を示している。図２（Ａ），（Ｂ）に示される実施例では小型酸化触媒１４は金属薄肉平板と金属薄肉波形板との積層構造からなる基体を有しており、この基体の表面上に例えばアルミナからなる触媒担体の層が形成されていると共にこの触媒担体上には白金Ｐｔ、ロジウムＲｄ、パラジウムＰｄのような貴金属触媒が担持されている。なお、この基体はコージライトから形成することもできる。

図２（Ａ），（Ｂ）からわかるようにこの小型酸化触媒１４は排気浄化触媒１３、即ち酸化触媒１３に向かう排気ガスの全流路断面よりも小さな断面、即ち排気管１２の断面よりも小さな断面を有していると共に、排気管１２内の中央において排気ガスの流れ方向に延びる筒状をなしている。なお、図２（Ａ），（Ｂ）に示される実施例では小型酸化触媒１４は円筒状外枠１４ａ内に配置されており、この円筒状外枠１４ａは複数のステー２９によって排気管１２内に支持されている。

酸化触媒１３は例えば白金Ｐｔのような貴金属触媒を担持したモノリス触媒から形成されている。これに対し図１に示される実施例ではパティキュレートフィルタ１６上には貴金属触媒は担持されていない。しかしながらパティキュレートフィルタ１６上に白金Ｐｔのような貴金属触媒を担持させることもでき、この場合には酸化触媒１３を省略することもできる。

一方、図１に示されるＮＯ_x吸蔵触媒１７もその基体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。

図３に示される例では貴金属触媒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１７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を吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸蔵した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内に吸蔵される。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内に吸蔵される。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燃料供給弁１５から燃料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１７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内に吸収されて炭酸バリウムＢａＣＯ₃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。即ち、ＮＯ_x吸蔵触媒１７がイオウ被毒を生ずることになる。

ところでこの場合、ＮＯ_x吸蔵触媒１７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１７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。そこで本発明ではＮＯ_x吸蔵触媒１７がイオウ被毒を生じたときには燃料供給弁１５から燃料を供給することによってＮＯ_x吸蔵触媒１７の温度をＳＯ_x放出温度まで上昇させ、ＮＯ_x吸蔵触媒１７に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしてＮＯ_x吸蔵触媒１７からＳＯ_xを放出させるようにしている。

さて、図２に示される実施例では燃料供給弁１５のノズル口は排気管１２の断面の中央に配置されており、このノズル口から小型酸化触媒１４の上流側端面に向けて、燃料Ｆ、即ち軽油Ｆが噴射される。このとき小型酸化触媒１４が活性化していれば小型酸化触媒１４内で燃料が酸化せしめられ、このとき発生する酸化反応熱によって小型酸化触媒１４が昇温せしめられる。

ところで小型酸化触媒１４内は流路抵抗が大きいので小型酸化触媒１４内を流れる排気ガス量は少ない。また、小型酸化触媒１４内で酸化反応が生じると小型酸化触媒１４内でガスが膨張するために小型酸化触媒１４内を流れる排気ガス量が更に減少し、また酸化反応によりガス温が上昇するとガスの粘性が高くなるために小型酸化触媒１４内を流れる排気ガス量が更に減少する。従って小型酸化触媒１４内における排気ガスの流速は排気管１２内を流れる排気ガスの流速に比べてかなり遅い。

このように小型酸化触媒１４内における排気ガスの流速が遅いので小型酸化触媒１４内における酸化反応は活発となり、また小型酸化触媒１４の体積が小さいので小型酸化触媒１４の温度は急速にかなり高温まで上昇する。また、小型酸化触媒１４の温度が高くなると炭素数の多い燃料中の炭化水素が分解して炭素数の少ない反応性の高い炭化水素が生成される。即ち燃料が反応性の高い燃料に改質される。従って、小型酸化触媒１４に燃料が供給されると小型酸化触媒１４は一方では急速に発熱する急速発熱器を構成し、他方では改質された燃料を排出する改質燃料排出器を構成する。

ところで例えば酸化触媒１３が活性化していないときに小型酸化触媒１４から改質された燃料を排出させるとこの改質燃料は酸化触媒１３で酸化されることなく酸化触媒１３を素通りし、斯くして改質燃料が大気中に排出されてしまうという問題を生ずる。また、小型酸化触媒１４が活性化していないときに燃料供給弁１５から燃料を供給した場合にも燃料が大気中に排出されてしまうという問題が生ずる。

本発明ではこのような問題を生ずることのない、目的に応じた最適な燃料供給制御が行われており、以下図４から図１１を参照しつつ本発明において実行されている燃料供給制御について順次説明する。なお、図４から図１１は燃料供給弁１５からの燃料噴射量Ｑ、小型酸化触媒１４の温度ＴＡ、および排気浄化触媒１３の温度ＴＢの変化を示しており、図４から図１１において時刻ｔ₀は昇温等何らかの目的のために燃料供給弁１５から燃料の噴射を開始すべき指令が発せられたときを示している。また、図４から図１１は小型酸化触媒１４および排気浄化触媒１３のいずれも２００℃において活性化する場合を例にとって示している。

まず初めに図４および図５について説明するとこれら図４および図５は小型酸化触媒１４の発生する酸化反応熱によって排気浄化触媒１３を活性化させるようにした場合を示している。なお、図４および図５の排気浄化触媒１３の温度ＴＢの変化を示す線図において破線は、機関始動時におけるように排気浄化触媒１３が活性化していないときに時刻ｔ₀において排気浄化触媒１３を活性化すべく燃料の噴射指令が発せられた場合を示しており、実線は、時刻ｔ₀において排気浄化触媒１３が活性化している状態から非活性状態になったときに排気浄化触媒１３を活性化すべく燃料の噴射指令が発せられた場合を示している。

図４は小型酸化触媒１４の温度ＴＡからわかるように時刻ｔ₀において小型酸化触媒１４が活性化していない場合を示している。小型酸化触媒１４が活性化していないときに燃料供給弁１５から燃料を噴射させてもこの噴射燃料は小型酸化触媒１４において酸化反応せず、小型酸化触媒１４を素通りして大気中に排出されることになる。従ってこの場合には図４に示されるように小型酸化触媒１４が活性化した後に燃料供給弁１５からの燃料噴射が開始される。

燃料供給弁１５からの燃料噴射が開始されるとこの噴射燃料は小型酸化触媒１４内で酸化せしめられ、このとき小型酸化触媒１４で発生する酸化反応熱によって排気浄化触媒１３が昇温せしめられる。このとき排気浄化触媒１３は非活性状態にあるのでこのとき小型酸化触媒１４から改質燃料が排出されるとこの改質燃料は排気浄化触媒１３を素通りして大気中に排出されることになる。

従ってこのときには小型酸化触媒１４が発熱するのに必要な第１の量ＱＡの燃料が燃料供給弁１５から供給されることになる。この場合実際には、小型酸化触媒１４から改質燃料を全く排出させないようにするのは困難である。従って本発明ではこの第１の量ＱＡは小型酸化触媒１４からの改質燃料の流出を抑制しつつ小型酸化触媒１４が発熱するのに必要な量とされている。

即ち、図４に示される例では排気浄化触媒１３が活性化していないとき、又は排気浄化触媒１３が活性化している状態から非活性状態になったときに排気浄化触媒１３を活性化すべきときには燃料供給弁１５から第１の量ＱＡの燃料が供給され、この場合小型酸化触媒１４が活性化していないときには小型酸化触媒１４が活性化した後に第１の量ＱＡの燃料の供給が開始される。

一方、図５は時刻ｔ₀において小型酸化触媒１４が活性化している場合を示している。この場合には図５に示されるように時刻ｔ₀になると燃料供給弁１５からただちに第１の量ＱＡの燃料の供給が開始される。なお、図４および図５に示すいずれの場合でも燃料供給弁１５からは間欠的にパルス状に燃料が供給され、排気浄化触媒１３が活性化すると燃料の供給が停止される。

図６から図９は、燃料供給弁１５から供給された燃料を小型酸化触媒１４により改質して小型酸化触媒１４から流出する改質燃料により排気浄化触媒１３を昇温させるときの燃料の供給制御を示しており、このときには第１の量ＱＡよりも多い第２の量ＱＢの燃料が燃料供給弁１５から間欠的に噴射される。

例えばパティキュレートフィルタ１６上に堆積したパティキュレートを燃焼させるためにはパティキュレートフィルタ１６の温度を６００℃程度まで上昇させる必要があり、またＮＯ_x吸蔵触媒１７からＳＯ_xを放出させる場合にもＮＯ_x吸蔵触媒１７の温度を６００℃以上のＳＯ_x放出温度まで上昇させる必要がある。このような場合には小型酸化触媒１４から多量の改質燃料を排出させてこの改質燃料を排気浄化触媒１３内で酸化させ、このとき発生する酸化反応熱でもってパティキュレートフィルタ１６又はＮＯ_x吸蔵触媒１７が昇温せしめられる。

小型酸化触媒１４から多量の改質燃料を排出させるには、即ち第１の量ＱＡのときに比べて小型酸化触媒１４からの改質燃料の流出量を増大させるには燃料供給弁１５からの燃料噴射量を増大する必要があり、従ってこのとき噴射される第２の量ＱＢは第１の量ＱＡに比べてかなり増大される。燃料噴射量が増大されると小型酸化触媒１４の温度が第１の量ＱＡのときに比べて更に高くなるために小型酸化触媒１４の酸化反応熱によっても排気浄化触媒１３は昇温され、また小型酸化触媒１３が高温になると燃料の改質が更に促進されるので排気浄化触媒１３における燃料の酸化反応は更に促進される。従って排気浄化触媒１３は急速に昇温せしめられることになる。

図６および図７は排気浄化触媒１３が活性化しているときに排気浄化触媒１３を昇温させる場合を示している。なおこの場合、図６および図７における時刻ｔ₀は排気浄化触媒１３を昇温すべき指令が発生せしめられたときを示している。

図６は時刻ｔ₀において小型酸化触媒１４が活性化していない場合を示している。この場合には小型酸化触媒１４が活性化すると第２の量ＱＢの燃料の供給が開始される。これに対し、図７は時刻ｔ₀において小型酸化触媒１４が活性化している場合を示している。この場合にはただちに第２の量ＱＢの燃料の供給が開始される。

図８および図９は排気浄化触媒１３が活性化していないときに時刻ｔ₀において排気浄化触媒１３を昇温すべき指令が発生された場合を示している。この場合には図８および図９に示されるように第１の量ＱＡを供給することによって小型酸化触媒１４を発熱させることにより排気浄化触媒１３が活性化した後に第２の量ＱＢの燃料の供給が開始される。ただし、図８に示されるように時刻ｔ₀において小型酸化触媒１４が活性化していないときには小型酸化触媒１４が活性化するのを待って第１の量ＱＡの燃料の供給が開始される。

図６から図９に示されるように第２の量ＱＢの燃料の供給が開始されると排気浄化触媒１３の温度ＴＢは急速に上昇し、排気浄化触媒１３の温度ＴＢが目標とする温度に達すると第２の量ＱＢの燃料の供給が停止される。

図１０はＮＯ_x吸蔵触媒１７からＮＯ_xを放出すべくＮＯ_x吸蔵触媒１７に流入する排気ガスの空燃比をリッチにする場合を示している。このときには燃料供給弁１５から第１の量ＱＡおよび第２の量ＱＢに比べて単位時間当りにおける供給量の多い第３の量ＱＮの燃料が供給される。なお、この第３の量ＱＮの燃料の供給は図６から図９に示される第２の量ＱＢの燃料の供給と同じであって小型酸化触媒１４および排気浄化触媒１３が共に活性化しているときに行われる。

一方、前述したようにＮＯ_x吸蔵触媒１７をＳＯ_x放出温度まで昇温させるときには第１の量ＱＡよりも多い第２の量ＱＢの燃料が供給され、図１１は、ＮＯ_x吸蔵触媒１７の温度がＳＯ_x放出温度まで上昇せしめられた後、ＮＯ_x吸蔵触媒１７からＳＯ_xを放出するためにＮＯ_x吸蔵触媒１７の温度をＳＯ_x放出温度に維持しつつＮＯ_x吸蔵触媒１７に流入する排気ガスの空燃比をリッチにする場合を示している。この場合には燃料供給弁１５から第２の量ＱＢに比べて単位時間当りにおける供給量の多い第４の量ＱＳの燃料が間欠的にＳＯ_xの放出処理が完了するまで供給される。

なお、本発明による実施例では第１の量ＱＡ、第２の量ＱＢ、第３の量ＱＮおよび第４の量ＱＳは図１２の（Ａ）から（Ｄ）に示されるように機関の要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

図１３は機関始動時における触媒活性化制御の一例を示している。この図１３も、小型酸化触媒１４の活性化する温度ＴＸａが２００℃であり、排気浄化触媒１３の活性化する温度ＴＸｂが２００℃である場合を例にとって示されている。なお、図１３には排気浄化触媒１３に流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆの変化も示されている。

図１３に示される例では機関が始動されたときに小型酸化触媒１４が活性化していないときには小型酸化触媒１４が活性化するまで排気ガスの温度を上昇せしめる排気昇温制御が行われ、小型酸化触媒１４が活性化すると排気浄化触媒１３が活性化するまで燃料供給弁１５から第１の量ＱＡの燃料が供給される。この排気昇温制御は例えば燃焼室２内への燃料噴射時期を遅らすことによって行われる。

このような排気昇温制御は機関運転中に排気浄化触媒１３が活性化状態から非活性状態になったときにも行われる。即ち、本発明による実施例では排気浄化触媒１３を活性化すべきときに小型酸化触媒１４が活性化していないときには小型酸化触媒１４が活性化するまで燃焼室２から排出される排気ガスの温度を上昇せしめ排気昇温制御が行われる。なお、この排気昇温制御は行った方が好ましいが必ずしも行う必要はない。

図１４に触媒の活性化制御ルーチンを示す。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。
図１４を参照するとまず初めにステップ５０において排気浄化触媒１３の温度ＴＢが図１３に示されるＴＸｂよりも高いか否か、即ち排気浄化触媒１３が活性化しているか否かが判別される。排気浄化触媒１３が活性化していないときにはステップ５１に進んで小型酸化触媒１４の温度ＴＡが図１３に示されるＴＸａよりも高いか否か、即ち小型酸化触媒１４が活性化しているか否かが判別される。小型酸化触媒１４が活性化していないときにはステップ５２に進んで排気昇温制御が開始される。

次いでステップ５１において小型酸化触媒１４が活性化したと判断されるとステップ５３に進んで燃料供給弁１５からの第１の量ＱＡの燃料の噴射が開始される。次いでステップ５４では排気昇温制御が停止される。一方、ステップ５０において排気浄化触媒１３が活性化したと判断されたときにはステップ５５に進んで第１の量Ｑの燃料の噴射が停止される。次いでステップ５４に進む。

次に図１５から図１８を参照しつつ本発明による排気浄化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１７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１７（Ａ）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１７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１５に示されるようにこのＮＯ_x量ΣＮＯＸが許容値ＮＸに達する毎に燃料供給弁１５から第３の量ＱＮの燃料が供給される。このときＮＯ_x吸蔵触媒１７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１７からＮＯ_xが放出される。

一方、排気ガス中に含まれるパティキュレート、即ち粒子状物質はパティキュレートフィルタ１６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１６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１６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。

従って本発明による実施例ではパティキュレートフィルタ１６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１６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２８により検出されたパティキュレートフィルタ１６の前後差圧ΔＰが図１５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、このとき燃料供給弁１５から第２の量ＱＢの燃料が噴射される。その結果、パティキュレートフィルタ１６に流入する排気ガスの空燃比がリーンに維持されつつパティキュレートフィルタ１６の温度Ｔが昇温せしめられる。なお、パティキュレートフィルタ１６の温度Ｔが高くなるとＮＯ_x吸蔵触媒１７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。

一方、前述したようにＮＯ_x吸蔵触媒１７からＳＯ_xを放出させるにはＮＯ_x吸蔵触媒１７の温度をＳＯ_x放出温度まで上昇させかつＮＯ_x吸蔵触媒１７に送り込まれる排気ガスの空燃比をリッチにする必要がある。そこで本発明による実施例では図１６に示されるようにＮＯ_x吸蔵触媒１７に吸蔵されているＳＯ_x量ΣＳＯＸが許容値ＳＸに達したときには燃料供給弁１５から第２の量ＱＮの燃料が噴射され、それによってＮＯ_x吸蔵触媒１７の温度ＴＣがＮＯ_x放出温度ＴＸｓまで上昇せしめられる。次いで燃料供給弁１５から第４の量ＱＳの燃料が噴射され、それによりＮＯ_x吸蔵触媒１７の温度ＴＣがＳＯ_x放出温度ＴＸｓに維持されつつＮＯ_x吸蔵触媒１７に流入する排気ガスの空燃比がリッチとされる。

なお、単位時間当りＮＯ_x吸蔵触媒１７に吸蔵される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１７（Ｂ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、このＳＯ_x量ＳＯＸＺを積算することにより吸蔵ＳＯ_x量ΣＳＯＸが算出される。

図１８に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１８を参照するとまず初めにステップ６０において図１７（Ａ）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６１ではこのＮＯＸＡがＮＯ_x吸蔵触媒１７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ＮＯ_x吸蔵触媒に送り込まれ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、即ち燃料供給弁１５から第３の量ＱＮの燃料を噴射する処理が行われ、ΣＮＯＸがクリアされる。

次いでステップ６４では差圧センサ２８によりパティキュレートフィルタ１６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１６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１６に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつ燃料供給弁１５から第２の量ＱＢの燃料を供給することによって行われる。

次いでステップ６７では図１７（Ｂ）に示すマップから単位時間当り吸蔵されるＳＯ_x量ＳＯＸＺが算出される。次いでステップ６８ではこのＳＯＸＺがＮＯ_x吸蔵触媒１７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６９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７０に進んでＮＯ_x吸蔵触媒１７の温度ＴＣをＳＯ_x放出温度ＴＸｓまで上昇させる昇温制御、即ち燃料供給弁１５からの第２の量ＱＢの燃料の供給制御が行われる。次いでステップ７１ではＮＯ_x吸蔵触媒１７に送り込まれる排気ガスの空燃比をリッチに維持するリッチ処理、即ち燃料供給弁１５から第４の量Ｑの燃料を噴射する処理が行われ、ΣＳＯＸがクリアされる。

次に図１９および図２０を参照しつつ燃料供給弁１５の配置、或いは小型酸化触媒１４の配置又は形状に関する種々の変形例について順次説明する。
まず初めに図１９（Ａ）から説明するとこの図１９（Ａ）に示される変形例では燃料供給弁１５のノズル口が高温の排気ガス流に直接晒されないように排気管１２の内壁面上に形成された凹部内に配置されている。

また、図１９（Ｂ）に示す変形例では小型酸化触媒１４の上流側端面上に上流側端面の周縁部から上流に向けて延びるトラフ状の燃料案内部１４ｂが形成されており、燃料供給弁１５から燃料案内部１４ｂに向けて燃料が噴射される。一方、図１９（Ｃ）に示される変形例では小型酸化触媒１４は排気管１２内の周辺部に配置されている。

また、図２０（Ａ）および図２０（Ｂ）に示される変形例では、排気浄化触媒１３上流の機関排気通路内に排気浄化触媒１３に向かう排気ガスの全流路断面に亘って延びる、即ち排気管１２の全横断面に亘って延びる酸化触媒１４ｃが配置されると共に燃料供給弁１５から酸化触媒１４ｃの上流側端面の一部領域内に燃料が供給され、燃料の供給された一部領域内の酸化触媒部分１４が本発明で言うところの小型酸化触媒を構成している。

なお、図２０（Ａ）に示される変形例では小型酸化触媒１４は排気管１２内の中央に形成されており、図２０（Ｂ）に示される変形例では小型酸化触媒１４が排気管１２内の周辺部に形成されている。図２０（Ａ），（Ｂ）に示される変形例でも燃料供給弁１５から噴射された燃料Ｆの酸化による酸化反応熱によって小型酸化触媒１４が昇温するがこのとき小型酸化触媒１４周りの酸化触媒１４ｃ部分も昇温し、斯くしてこれらの変形例ではこの酸化触媒１４ｃ部分においても排気ガスの浄化作用が行われる。

図２０（ｃ）に示される変形例では排気浄化触媒１３に向かう排気管１２内の排気ガスの流通路が分岐された一対の流通路１２ａ，１２ｂから形成されており、これら一対の流通路１２ａ，１２ｂのうちの一方の流通路１２ａ内に小型酸化触媒１４が配置されている。燃料供給弁１５からは小型酸化触媒１４の上流側端面に向けて燃料が噴射される。この変形例でも排気浄化触媒１３からみれば上流側の排気流通路の横断面内における一部領域に小型酸化触媒１４が配置されていることになる。

図２１は排気浄化処理システムの種々の変形例を示している。しかしながらいずれの変形例においても酸化機能を有する排気浄化触媒１３の上流に小型酸化触媒１４と燃料供給弁１５とが配置されていることには変りはない。

図２１（Ａ）に示される変形例では図１に示される実施例と同様に排気浄化触媒１３が酸化触媒からなる。しかしながらこの変形例では酸化触媒１３のすぐ下流にＮＯ_x吸蔵触媒１７が配置され、ＮＯ_x吸蔵触媒１７の下流に酸化触媒８０とパティキュレートフィルタ１６とが配置されている。更に酸化触媒８０の上流にはもう一つの燃料供給弁８１が配置されている。

一方、図２１（Ｂ）に示す変形例では排気浄化触媒１３がＮＯ_x吸蔵触媒から構成される。このＮＯ_x吸蔵触媒１７の下流には図２１（Ａ）と同様に燃料供給弁８１、酸化触媒８０およびパティキュレートフィルタ１６が配置される。図２１（Ａ），（Ｂ）に示される実施例ではパティキュレートフィルタ１６を再生する際には燃料供給弁８１のみから、或いは燃料供給弁１５に加えて燃料供給弁８１からも燃料が供給される。

図２１（Ｃ）に示される変形例では図１に示される実施例と同様に排気浄化触媒１３が酸化触媒からなり、酸化触媒１３のすぐ下流にパティキュレートフィルタ１６が配置されている。しかしながらこの変形例では排気浄化触媒１３およびパティキュレートフィルタ１６下流の機関排気通路内にアンモニアの存在のもとで排気ガス中のＮＯ_xを還元することのできるＮＯ_x選択還元触媒１７と、ＮＯ_x選択還元触媒１７に尿素水を供給するための尿素水供給弁８３とが配置される。尿素水供給弁８３からは排気ガス中に含まれるＮＯ_xを還元するのに必要な量の尿素水が供給され、排気ガス中のＮＯ_xはＮＯ_x選択還元触媒８２において尿素水から生成されたアンモニアによって還元される。

この変形例ではＮＯ_x選択還元触媒８２を活性化すべきときには図４或いは図５に示されるように燃料供給弁１５から第１の量ＱＡの燃料が供給されるか、或いは図６から図９に示されるように第２の量ＱＢの燃料が供給される。即ち、第１の量ＱＡの燃料又は第２の量ＱＢの燃料のいずれか一方又は双方が供給される。

圧縮着火式内燃機関の全体図である。 図１の小型酸化触媒周りの拡大図である。 ＮＯ_xの吸放出作用を説明するための図である。 燃料供給弁からの第１の量ＱＡの燃料の供給制御を示すタイムチャートである。 燃料供給弁からの第１の量ＱＡの燃料の供給制御を示すタイムチャートである。 燃料供給弁からの第２の量ＱＢの燃料の供給制御を示すタイムチャートである。 燃料供給弁からの第２の量ＱＢの燃料の供給制御を示すタイムチャートである。 燃料供給弁からの第２の量ＱＢの燃料の供給制御を示すタイムチャートである。 燃料供給弁からの第２の量ＱＢの燃料の供給制御を示すタイムチャートである。 燃料供給弁からの第３の量ＱＮの燃料の供給制御を示すタイムチャートである。 燃料供給弁からの第４の量ＱＳの燃料の供給制御を示すタイムチャートである。 燃料供給量ＱＡ，ＱＢ，ＱＮ，ＱＳのマップを示す図である。 触媒の活性化制御を示すタイムチャートである。 触媒の活性化制御を実行するためのフローチャートである。 ＮＯ_x放出制御と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。 ＮＯ_x放出制御とＳＯ_x放出制御を示すタイムチャートである。 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。 排気浄化処理を実行するためのフローチャートである。 種々の変形例を示す図である。 種々の変形例を示す図である。 種々の変形例を示す図である。

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 排気管
１３ 排気浄化触媒
１４ 小型酸化触媒
１５ 燃料供給弁
１６ パティキュレートフィルタ
１７ ＮＯ_x吸蔵触媒

Claims (18)

1. 機関排気通路内に酸化機能を有する排気浄化触媒を配置し、該排気浄化触媒上流の機関排気通路内に該排気浄化触媒よりも体積が小さくかつ排気浄化触媒に流入する排気ガスの一部が流通する小型酸化触媒と、該小型酸化触媒に燃料を供給するための燃料供給弁とを配置し、該燃料供給弁から供給された燃料により小型酸化触媒で発生する酸化反応熱でもって排気浄化触媒を昇温させるときには小型酸化触媒が発熱するのに必要な第１の量の燃料を燃料供給弁から供給し、該燃料供給弁から供給された燃料を小型酸化触媒により改質して小型酸化触媒から流出する改質燃料により排気浄化触媒を昇温させるとき、或いは排気浄化触媒において排気浄化処理を行うときには上記第１の量よりも多くの燃料を燃料供給弁から供給するようにした内燃機関の排気浄化装置。
2. 上記第１の量は小型酸化触媒からの改質燃料の流出を抑制しつつ小型酸化触媒が発熱するのに必要な量とされており、上記第１の量よりも多くの燃料を燃料供給弁から供給するときには小型酸化触媒からの改質燃料の流出量が増大せしめられる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 排気浄化触媒が活性化していないとき、又は排気浄化触媒が活性化している状態から非活性状態になったときに排気浄化触媒を活性化すべきときには上記第１の量の燃料が供給され、それによって小型酸化触媒が発熱せしめられる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 排気浄化触媒を活性化すべきときに小型酸化触媒が活性化していないときには小型酸化触媒が活性化した後に上記第１の量の燃料の供給が開始される請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 排気浄化触媒を活性化すべきときに小型酸化触媒が活性化していないときには小型酸化触媒が活性化するまで燃焼室から排出される排気ガスの温度が上昇せしめられる請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 排気浄化触媒を昇温すべきときに排気浄化触媒が活性化していないときには小型酸化触媒を発熱させることにより排気浄化触媒が活性化した後に燃料供給弁から第１の量よりも多い第２の量の燃料の供給が開始される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 排気浄化触媒を昇温すべきときに排気浄化触媒が活性化しているときには、小型酸化触媒が活性化していればただちに、小型酸化触媒が活性化していなければ小型酸化触媒が活性化した後に燃料供給弁から上記第１の量よりも多い第２の量の燃料の供給が開始される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 排気浄化触媒が酸化触媒からなると共に排気浄化触媒下流の機関排気通路内に排気ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタが配置され、パティキュレートフィルタを再生すべくパティキュレートフィルタを昇温させるときには燃料供給弁から上記第１の量よりも多い第２の量の燃料が供給される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 排気浄化触媒は、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リッチになると吸蔵したＮＯ_xを放出するＮＯ_x吸蔵触媒から構成されており、ＮＯ_x吸蔵触媒からＮＯ_xを放出すべく排気ガスの空燃比をリッチにするときには燃料供給弁から上記第１の量に比べて単位時間当りにおける供給量の多い第３の量の燃料が供給される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
10. ＮＯ_x吸蔵触媒をＳＯ_x放出温度まで昇温させるときには燃料供給弁から上記第１の量よりも多い第２の量の燃料が供給され、ＮＯ_x吸蔵触媒からＳＯ_xを放出するためにＮＯ_x吸蔵触媒の温度をＳＯ_x放出温度に維持しつつ排気ガスの空燃比をリッチにするときには燃料供給弁から上記第２の量に比べて単位時間当りにおける供給量の多い第４の量の燃料が供給される請求項９に記載の内燃機関の排気浄化装置。
11. 排気浄化触媒下流の機関排気通路内にアンモニアの存在のもとで排気ガス中のＮＯ_xを還元することのできるＮＯ_x選択還元触媒と、ＮＯ_x選択還元触媒に尿素水を供給するための尿素水供給弁とが配置されており、ＮＯ_x選択還元触媒を活性化すべきときには燃料供給弁から上記第１の量の燃料又は該第１の量の燃料よりも多い第２の量の燃料のいずれか一方が供給される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
12. 上記小型酸化触媒は排気浄化触媒に向かう排気ガスの全流路断面よりも小さな断面を有すると共に排気ガスの流れ方向に延びる筒状をなす請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
13. 上記小型酸化触媒は排気浄化触媒に向かう排気ガスが流通する排気管内の中央に配置されている請求項１２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
14. 上記小型酸化触媒は排気浄化触媒に向かう排気ガスが流通する排気管内の周辺部に配置されている請求項１２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
15. 排気浄化触媒に向かう排気ガスの流通路が一対の流通路から形成されており、これら一対の流通路のうちの一方の流通路内に上記小型酸化触媒が配置されている請求項１２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
16. 燃料供給弁から小型酸化触媒の上流側端面に向けて燃料が噴射される請求項１２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
17. 小型酸化触媒の上流側端面上に該上流側端面の周縁部から上流に向けて延びる燃料案内部が形成されており、燃料供給弁から該燃料案内部に向けて燃料が噴射される請求項１２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
18. 排気浄化触媒上流の機関排気通路内に排気浄化触媒に向かう排気ガスの全流路断面に亘って延びる酸化触媒が配置されると共に燃料供給弁から該酸化触媒の上流側端面の一部領域内に燃料が供給され、燃料の供給された一部領域内の該酸化触媒部分が上記小型酸化触媒を構成する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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