JP2010159727A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大気中にＮＯ_Ｘが放出されることを抑制する内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】排気ガス中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタを配置し、パティキュレートフィルタ下流にＮＯ_Ｘ吸蔵触媒を配置した内燃機関の排気浄化装置において、パティキュレートフィルタに流入する排気ガス中のＮＯ_２量を可変とするＮＯ_２供給手段を備える。パティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質を酸化すべきときに、必要なＮＯ_２要求量を算出し、このＮＯ_２要求量のＮＯ_２を含む排気ガスを供給したときにパティキュレートフィルタから流出するＮＯ_Ｘ量を算出する。更に、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒がＮＯ_Ｘを吸蔵できる現在のＮＯ_Ｘ吸蔵可能量を算出する。現在のＮＯ_Ｘ吸蔵可能量がパティキュレートフィルタから流出するＮＯ_Ｘ量未満の場合には、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵可能量を上昇させる。
【選択図】図５

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関は、機関本体で燃料が燃焼することにより汚染物を含む排気ガスが排出される。排気ガスの汚染物には、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）または、粒子状物質（ＰＭ：パティキュレート）が含まれる。

汚染物の粒子状物質を排気ガスから除去するためには、内燃機関の機関排気通路にパティキュレートフィルタが配置される。粒子状物質は、パティキュレートフィルタに捕集されて堆積する。堆積した粒子状物質の量が許容量を越えたときには、パティキュレートフィルタから粒子状物質を除去する再生が行なわれる。

パティキュレートフィルタの再生においては、空気過剰の雰囲気中で温度を上昇させることにより粒子状物質を燃焼させる。パティキュレートフィルタの再生には、パティキュレートフィルタを昇温して粒子状物質を燃焼させる方法のほかに、パティキュレートフィルタにＮＯ_２を供給して、粒子状物質を酸化させることにより粒子状物質を除去する方法が知られている。

特開２００６−２８３７６６号公報においては、排気中のＮＯ_２と煤とを反応させて煤を燃焼させるディーゼル機関の排気浄化方法が開示されている。この方法では、ディーゼルエンジンの排気を酸化触媒に導いて、排気中のＮＯをＮＯ_２に変換する。パティキュレートフィルタで排気中の煤を捕集するとともに、排気空燃比をリーンに維持したまま、排気温度を上昇させて煤を燃焼させる。また、反応により生成したＮＯは、パティキュレートフィルタの下流に配置したＮＯ_Ｘ吸収剤に吸収させることが開示されている。

特開２００６−２８３７６６号公報

上記の特開２００６−２８３７６６号公報に開示されているように、パティキュレートフィルタにＮＯ_２を供給してパティキュレートフィルタの再生を行なう装置において、パティキュレートフィルタの下流にＮＯ_Ｘ吸蔵触媒を配置することにより、パティキュレートフィルタから流出するＮＯ_ＸをＮＯ_Ｘ吸蔵触媒で捕集することができる。大気中に放出する排気ガスからＮＯ_Ｘを除去することができる。

ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒は、吸蔵量の上限であるＮＯ_Ｘ飽和吸蔵量を有する。ＮＯ_Ｘの吸蔵を行なうことができる余力を示すＮＯ_Ｘ吸蔵可能量が少なくなったときには、吸蔵されたＮＯ_Ｘを放出する制御が行なわれる。ＮＯ_Ｘの放出においては、排気ガスの空燃比をリッチにすることにより、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒からＮＯ_Ｘを放出させるとともに、排気ガスに含まれる還元剤によりＮＯ_Ｘを還元してＮ_２に変換することができる。

パティキュレートフィルタに供給するＮＯ_２を増量して、パティキュレートフィルタの再生を行なうときには、パティキュレートフィルタから流出するＮＯ_Ｘ量が増加する場合がある。このため、パティキュレートフィルタの再生期間中には、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵可能量が急速に少なくなる場合がある。さらに、ＮＯ_Ｘ飽和吸蔵量は、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の温度に依存する。ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の温度によっては、ＮＯ_Ｘ吸蔵可能量が小さい場合がある。このため、パティキュレートフィルタの再生中にＮＯ_Ｘ吸蔵触媒が飽和状態になり、ＮＯ_ＸがＮＯ_Ｘ吸蔵触媒をすり抜ける虞がある。この結果、大気中に放出されるＮＯ_Ｘ量が多くなる虞がある。

本発明は、大気中にＮＯ_Ｘが放出されることを抑制する内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気通路内に排気ガス中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタを配置し、パティキュレートフィルタ下流の機関排気通路内に、排気ガスの空燃比がリーンの時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装置である。排気浄化装置は、パティキュレートフィルタに流入する排気ガス中のＮＯ_２量を可変とするＮＯ_２供給手段を備える。パティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質を酸化することにより除去すべきときに、酸化すべき粒子状物質の量に対して必要なＮＯ_２要求量を算出し、ＮＯ_２供給手段によりＮＯ_２要求量のＮＯ_２を含む排気ガスがパティキュレートフィルタに供給されたときにパティキュレートフィルタから流出するＮＯ_Ｘ量を算出し、更に、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒がＮＯ_Ｘを吸蔵できる現在のＮＯ_Ｘ吸蔵可能量を算出し、現在のＮＯ_Ｘ吸蔵可能量がパティキュレートフィルタから流出するＮＯ_Ｘ量未満の場合には、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵可能量を上昇させる。この構成を採用することにより、大気中にＮＯ_Ｘが放出されることを抑制することができる。

上記発明において、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒は、ＮＯ_Ｘの吸蔵量が最大になる最適温度を有し、現在のＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の温度が上記最適温度より低い場合には、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の温度を上昇させる昇温制御を行ない、それでも現在のＮＯ_Ｘ吸蔵可能量がパティキュレートフィルタから流出するＮＯ_Ｘ量未満の場合には、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に吸蔵されているＮＯ_Ｘを放出させるＮＯ_Ｘ放出制御を行なうことにより、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵可能量をパティキュレートフィルタから流出するＮＯ_Ｘ量以上に上昇させることが好ましい。ＮＯ_Ｘ放出制御よりも昇温制御を優先的に行なうことにより、消費する燃料を低減させることができる。

上記発明において、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒は、ＮＯ_Ｘの吸蔵量が最大になる最適温度を有し、現在のＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の温度が上記最適温度以上の場合には、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に吸蔵されているＮＯ_Ｘを放出させるＮＯ_Ｘ放出制御を行なうことにより、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵可能量をパティキュレートフィルタから流出するＮＯ_Ｘ量以上に上昇させることができる。

上記発明において、ＮＯ_２供給手段は、過給機によって過給圧を高めることにより、排気ガスに含まれるＮＯ_２量を増加させることが好ましい。この構成により、過給圧を調整して、ＮＯ_２量を任意の量まで増加させることができる。

上記発明においては、ＮＯ_２供給手段は、燃焼室内の再循環排気ガス量の比率を高めることにより、排気ガスのＮＯ_Ｘ量に対するＮＯ_２量の比率を増加させることが好ましい。この構成により、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に流入するＮＯ_Ｘ量を低減することができる。

上記発明において、ＮＯ_２供給手段は、パティキュレートフィルタ上流の機関排気通路内に配置されている酸化触媒の温度を検知し、酸化触媒の温度が活性化温度以上の場合に、酸化触媒に流入するＮＯ_Ｘ量を増加させることによりＮＯ_２量を増加させることが好ましい。この構成により、パティキュレートフィルタの再生を短時間で行なうことができる。

本発明によれば、大気中にＮＯ_Ｘが放出されることを抑制する内燃機関の排気浄化装置を提供することができる。

（実施の形態１）
図１から図１５を参照して、実施の形態１における内燃機関の排気浄化装置について説明する。

図１に、本実施の形態における内燃機関の全体図を示す。本実施の形態においては、圧縮着火式のディーゼルエンジンを例に取り上げて説明する。内燃機関は、機関本体１を備える。機関本体１は、各気筒の燃焼室２と、各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式の燃料噴射弁３と、吸気マニホールド４と、排気マニホールド５とを含む。

本実施の形態における内燃機関は、過給機としての排気ターボチャージャ７を備える。吸気マニホールド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の出口に連結されている。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に連結されている。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が配置されている。更に、吸気ダクト６の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が配置されている。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、排気マニホールド５は、排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結されている。排気タービン７ｂの出口は、排気管１２を介して排気ガスに含まれる粒子状物質を除去するためのパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）１６に連結されている。パティキュレートフィルタ１６の下流の機関排気通路内にはＮＯ_Ｘ吸蔵触媒（ＮＳＲ）１７が配置されている。

排気マニホールド５と吸気マニホールド４との間には、排気ガス再循環（ＥＧＲ）を行うためにＥＧＲ通路１８が配置されている。ＥＧＲ通路１８には電子制御式のＥＧＲ制御弁１９が配置されている。また、ＥＧＲ通路１８の周りには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が配置されている。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２０に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。

それぞれの燃料噴射弁３は、燃料供給管２１を介してコモンレール２２に連結されている。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に連結されている。燃料タンク２４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内に供給される。コモンレール２２に供給された燃料は、それぞれの燃料供給管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る。本実施の形態における内燃機関の制御装置は、電子制御ユニット３０を含む。電子制御ユニット３０は、双方性バス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を備える。ＲＯＭ３２は、読み込み専用の記憶装置であり、制御を行なうための必要なマップ等の情報が予め記憶されている。ＣＰＵ３４は、任意の演算や判断を行なうことができる。ＲＡＭ３３は、読み書きが可能な記憶装置であり、運転履歴などの情報を保存したり、演算結果を一時的に保存したりすることができる。

機関排気通路において、パティキュレートフィルタ１６の下流には、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が配置されている。また、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が配置されている。温度センサ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。

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が接続されている。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が接続されている。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に接続されている。

図２に、パティキュレートフィルタの概略正面図を示す。図３に、パティキュレートフィルタの概略断面図を示す。パティキュレートフィルタ１６は、排気ガスに含まれる炭素微粒子、サルフェート等のイオン系微粒子等の粒子状物質を除去するためのフィルタである。本実施の形態におけるパティキュレートフィルタ１６は、円筒形状に形成されている。図３は、円筒形状の軸方向に沿った断面図である。

本実施の形態におけるパティキュレートフィルタ１６はハニカム構造を有する。パティキュレートフィルタ１６は、排気ガスの流れ方向に沿って延びる複数の通路６０，６１を有する。通路６０は、下流端が栓６２により閉塞されている。通路６１は、上流端が栓６３により閉塞されている。通路６０および通路６１は、薄肉の隔壁６４を介して交互に配置されている。図２においては、栓６３の部分に斜線を付している。

パティキュレートフィルタ１６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いる。排気ガスが流入する通路６０は、排気ガスが流出する通路６１に囲まれている。通路６０に流入した排気ガスは、矢印２００に示すように、周囲の隔壁６４を通って隣接する通路６１に流出する。排気ガスが隔壁６４を通過するときに粒子状物質が捕捉される。排気ガスは、通路６１を通ってパティキュレートフィルタ１６から流出する。このように、粒子状物質は、パティキュレートフィルタに捕集される。

図４に、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の拡大概略断面図を示す。ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒１７は、機関本体１から排出される排気ガスに含まれるＮＯ_Ｘを一時的に吸蔵して、吸蔵したＮＯ_Ｘを放出するときにＮ_２に変換する触媒である。

ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒１７は、基体上に例えばアルミナからなる触媒担体４５が担持されている。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いる。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。貴金属触媒４６としては、例えば白金Ｐｔが用いられる。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、または機関排気通路に供給された排気ガスの空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）と称すると、排気ガスの空燃比がリーンのとき（理論空燃比より大きなとき）には、排気ガス中に含まれるＮＯが貴金属触媒４６上において酸化されてＮＯ_２になる。ＮＯ_２は、硝酸イオンＮＯ_３ ⁻の形でＮＯ_Ｘ吸収剤４７内に吸蔵される。

これに対して、排気ガスの空燃比がリッチのとき（理論空燃比より小さなとき）或いは理論空燃比になると、排気ガス中の酸素濃度が低下するために反応が逆方向（ＮＯ_３ ⁻→ＮＯ_２）に進む。ＮＯ_Ｘ吸収剤４７内の硝酸イオンＮＯ_３ ⁻がＮＯ_２の形でＮＯ_Ｘ吸収剤４７から放出される。放出されたＮＯ_Ｘは、排気ガスに含まれる未燃炭化水素や一酸化炭素等によってＮ_２に還元される。

図５に、本実施の形態におけるパティキュレートフィルタを再生する時のフローチャートを示す。パティキュレートフィルタの再生により、堆積した粒子状物質が除去される。本実施の形態においては、パティキュレートフィルタにＮＯ_２を供給して粒子状物質を酸化することにより、パティキュレートフィルタから粒子状物質を除去する。ＮＯ_２は、酸化力が強く、粒子状物質を効果的に酸化することができる。

ステップ１０１において、パティキュレートフィルタ１６における粒子状物質の堆積量を算出する。単位時間あたりにパティキュレートフィルタ１６に堆積する粒子状物質の量は、燃焼室２に噴射される燃料の噴射量にほぼ比例する。本実施の形態においては、機関回転数と燃焼室における燃料の噴射量から、パティキュレートフィルタ１６に堆積する粒子状物質の量を算出する。

図６に、パティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質の量を算出するマップを示す。単位時間当りにパティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質の量ＰＭＡは、機関回転数Ｎと燃焼室における燃料の噴射量ＴＡＱとにより求められる。このマップにより求められる単位時間当りに堆積する粒子状物質の量ＰＭＡを積算することにより、任意の時刻における粒子状物質の堆積量を算出することができる。図１を参照して、このようなマップは、例えば電子制御ユニット３０のＲＯＭ３２に予め記憶させる。算出される粒子状物質の堆積量は、例えばＲＡＭ３３に記憶させることができる。

図５を参照して、次に、ステップ１０２において、パティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質の量が、許容値を超えているか否かを判別する。粒子状物質の堆積量が許容値以上である場合には、ステップ１０３に移行する。パティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質の量が、許容値未満である場合には、この制御を終了する。

本実施の形態においては、単位時間当りに堆積される粒子状物質の量のマップを用いて、粒子状物質の堆積量を算出しているが、この形態に限られず、任意の方法により堆積量を算出することができる。例えば、パティキュレートフィルタの前後差圧を検出する差圧センサを配置する。差圧センサにより検出された圧力が許容値を超えたときに、粒子状物質の堆積量が許容量を超えたと判別しても構わない。

次に、ステップ１０３において、パティキュレートフィルタの再生に必要なＮＯ_２要求量を算出する。本実施の形態のパティキュレートフィルタの再生においては、パティキュレートフィルタにＮＯ_２を供給することにより粒子状物質を酸化する。ステップ１０３においては、酸化すべき粒子状物質の量に対するＮＯ_２要求量を算出する。

図７は、本実施の形態の内燃機関において、パティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質の量と、粒子状物質を除去するために必要なＮＯ_２要求量との関係を示すグラフである。パティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質の量が多くなるほど、パティキュレートフィルタの再生に必要なＮＯ_２要求量も多くなる。本実施の形態においては、このグラフの関係をマップにして電子制御ユニット３０に記憶させている。即ち、粒子状物質の堆積量を関数とするＮＯ_２必要量のマップを記憶させている。このマップを用いることにより、粒子状物質を除去するために必要なＮＯ_２要求量を算出することができる。

図５を参照して、次に、ステップ１０４において、ＮＯ_２要求量からパティキュレートフィルタの再生の期間中にＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に流入するＮＯ_Ｘ量を算出する。

本実施の形態においては、再生の期間中にパティキュレートフィルタに供給するＮＯ_２を増量する。本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、パティキュレートフィルタに流入する排気ガス中のＮＯ_２量を可変にするＮＯ_２供給手段を備える。図１を参照して、排気ターボチャージャ７を制御することにより、燃焼室２から排出されるＮＯ_２量を増加させる。排気ターボチャージャ７により過給圧を高めることにより、吸入空気量を増加させる。吸入空気量を増加させることにより、排気ガスに含まれるＮＯ_２量を増加させる。

図８に、本実施の形態における排気ターボチャージャのタービンの拡大概略断面図を示す。タービン７ｂは、流入する排気ガスにより回転力を生成する。タービン７ｂの回転力は、コンプレッサ７ａに伝達されてコンプレッサ７ａを駆動する。コンプレッサ７ａが駆動することにより、吸入空気が加圧される。

タービン７ｂは、タービンハウジング５１を含む。タービンハウジング５１の内部には、排気通路が形成されている。タービン７ｂは、排気ガスが吹き付けられて回転するタービンホイール５２を含む。タービンホイール５２は、シャフト５３に連結されている。シャフト５３は、回転自在にシャフトハウジング５６に支持されている。シャフト５３は、コンプレッサ７ａのコンプレッサホイールに連結されている。シャフトハウジング５６とタービンハウジング５１とは、互いに固定されている。

本実施の形態における過給機は、可変ノズル式ターボチャージャ（ＶＮＴ）である。排気ターボチャージャ７は、過給圧を変更することができる過給圧変更機構を備える。過給圧変更機構は、ノズルベーン５４と、ノズルベーン５４を駆動するためのノズル駆動装置５５とを含む。

排気ガスは、矢印２０１に示すように、タービンハウジング５１の周辺部から中心部に向けて流れる。排気ガスがタービンホイール５２に衝突することにより、タービンホイール５２が回転する。タービンホイール５２により生成された回転力は、シャフト５３を介してコンプレッサに配置されているコンプレッサホイールに伝達される。コンプレッサホイールが回転することにより、吸入空気の圧力が上昇する。タービンホイール５２を回転させた排気ガスは、矢印２０２に示すように、タービン７ｂの出口から排出される。

図９に、本実施の形態におけるノズルベーンの部分の概略平面図を示す。図８および図９を参照して、ノズルベーン５４は、板状に形成されている。複数個のノズルベーン５４が、タービンホイールの外周に沿って配置されている。それぞれのノズルベーン５４は、ノズル駆動装置５５によって、回動軸５４ａを中心に回動するように形成されている。排気ガスは、矢印２０１に示すように、ノズルベーン５４同士の間を流れる。ノズルベーン５４が回動することにより、排気ガスの流路断面積が変化する。排気ガスが流入する流路断面積が変化することにより、タービンホイール５２に吹き付けられる排気ガスの流速を変化させることができる。排気ガスの流速を変化させることにより、タービンホイールの回転速度を変化させることができる。

たとえば、ノズルベーン５４が回動して、排気ガスの流路断面積が小さくなることにより、タービンホイール５２に吹き付けられる排気ガスの流速が大きくなって、タービンホイール５２の回転速度が高くなる。この結果、吸入空気の過給圧が高くなる。これとは反対に、ノズルベーン５４が回動して流路断面積が大きくなることにより、タービンホイール５２に吹き付けられる排気ガスの流速が小さくなって、吸入空気の過給圧が低くなる。

このように、本実施の形態における過給機は、機関本体１の燃焼室２に供給する空気圧を変更できるように形成されている。すなわち、燃焼室２に供給する空気量を変更可能なように形成されている。

図１０は、吸入空気の過給圧と燃焼室から排出される単位時間当りの窒素酸化物の量との関係を示すグラフである。燃料が燃焼することにより、燃焼室２からＮＯ_Ｘが排出される。ＮＯ_Ｘの大部分はＮＯであるが、ＮＯ_２も含まれる。過給圧を高くすることにより、ＮＯ_Ｘが増加すると共にＮＯ_２が増加する。本実施の形態においては、燃焼室から排出されるＮＯ_２流量を関数とする過給圧のマップを電子制御ユニット３０に記憶させている。また、過給圧を関数とするＮＯ_Ｘ流量のマップを電子制御ユニット３０に記憶させている。

図５を参照して、ステップ１０４において、ＮＯ_２要求量からパティキュレートフィルタの再生時間と過給圧とを選定する。本実施の形態においては、パティキュレートフィルタの再生時間が予め定められている。ＮＯ_２要求量と再生時間とから、燃焼室から排出されるＮＯ_２流量、すなわち単位時間当たりに燃焼室から排出されるＮＯ_２量を算出する。ＮＯ_２流量を関数にする過給圧のマップから過給圧を選定することができる。

また、過給圧を関数とするＮＯ_Ｘ流量のマップから、燃焼室から排出されるＮＯ_２流量が選定されると同時に、燃焼室から排出され、パティキュレートフィルタに流入するＮＯ_Ｘ量を算出することができる。本実施の形態においては、パティキュレートフィルタ１６に流入するＮＯ_２が酸化剤として用いられる。ＮＯ_２は、ＮＯに変換されるために、パティキュレートフィルタ１６に流入するＮＯ_２量は、流出するＮＯ量と等しくなる。このため、パティキュレートフィルタ１６から流出するＮＯ_Ｘ量は、パティキュレートフィルタ１６に流入するＮＯ_Ｘ量と等しくなる。この様に、パティキュレートフィルタ１６から流出するＮＯ_Ｘ量、即ち、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒１７に流入するＮＯ_Ｘ量を算出することができる。

図５を参照して、次に、ステップ１０５において、現在のＮＯ_Ｘ吸蔵触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵量を算出する。ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に蓄積されるＮＯ_Ｘ量は、内燃機関の運転状態に依存する。

図１１に、本実施の形態における単位時間当たりにＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に吸蔵されるＮＯ_Ｘ量のマップを示す。本実施の形態における運転例では、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に蓄えられるＮＯ_Ｘ吸蔵量を検知する。たとえば、機関回転数Ｎと要求トルクＴＱとを関数にする単位時間あたりのＮＯ_Ｘの蓄積量のマップを電子制御ユニット３０のＲＯＭ３２に内蔵する。運転状態に応じて算出される単位時間あたりのＮＯ_Ｘの蓄積量を積算することにより、任意の時刻においてＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に吸蔵されているＮＯ_Ｘ吸蔵量を算出することができる。

図５を参照して、次に、ステップ１０６において、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒のＮＯ_Ｘ飽和吸蔵量と、現在のＮＯ_Ｘ吸蔵量とにより、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒のＮＯ_Ｘを吸蔵できる余力を示すＮＯ_Ｘ吸蔵可能量を算出する。

図１２は、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の温度（床温）とＮＯ_Ｘ飽和吸蔵量との関係を示すグラフである。ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の温度が最適温度Ｔ_ｏｐｔより低い範囲では、温度が上昇するとともにＮＯ_Ｘ飽和吸蔵量も増加する。最適温度Ｔ_ｏｐｔより温度が高い範囲では、温度が上昇すると共にＮＯ_Ｘ飽和吸蔵量が減少する。このように、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒は、最適温度Ｔ_ｏｐｔにおいて最も多くのＮＯ_Ｘを吸蔵することができる。最適温度Ｔ_ｏｐｔは、例えば、約３００℃以上約３５０℃以下の範囲内に存在している。本実施の形態において、最適温度Ｔ_ｏｐｔは、内燃機関の運転温度の範囲内に存在する。

本実施の形態においては、現在のＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の温度が温度Ｔ_ｃｕであり、その時に吸蔵されているＮＯ_Ｘ量がＮＯ_Ｘ吸蔵量ＳＴ_ｃｕであったとする。現在の温度Ｔ_ｃｕは、最適温度Ｔ_ｏｐｔより低い温度である。現在の温度Ｔ_ｃｕに対するＮＯ_Ｘ飽和吸蔵量ＳＴ_ｓａが存在する。ＮＯ_Ｘ飽和吸蔵量ＳＴ_ｓａと現在のＮＯ_Ｘ吸蔵量ＳＴ_ｃｕとの差ΔＳＴ_ｃｕが、ＮＯ_Ｘ吸蔵可能量である。すなわち、飽和するまでにＮＯ_Ｘ吸蔵可能量ΔＳＴ_ｃｕのＮＯ_Ｘを吸蔵することができる。

図１２に示すＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の温度とＮＯ_Ｘ飽和吸蔵量との関係を、例えばマップにして電子制御ユニット３０に記憶しておくことにより、ＮＯ_Ｘ吸蔵可能量ΔＳＴ_ｃｕを算出することができる。ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の温度を関数とするＮＯ_Ｘ飽和吸蔵量のマップからＮＯ_Ｘ飽和吸蔵量を算出することができ、算出されたＮＯ_Ｘ飽和吸蔵量とＮＯ_Ｘ吸蔵量からＮＯ_Ｘ吸蔵可能量を算出することができる。

図５を参照して、次に、ステップ１０７において、ＮＯ_Ｘ吸蔵可能量と、パティキュレートフィルタ１６の再生期間中にＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に流入するＮＯ_Ｘ量とが比較される。ステップ１０７においては、パティキュレートフィルタの再生の期間中に流入するＮＯ_Ｘを吸蔵するために、ＮＯ_Ｘ吸蔵可能量が足りているか否かを判別する。ＮＯ_Ｘ吸蔵可能量がＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に流入するＮＯ_Ｘ量以上の場合には、ステップ１１１に移行する。ステップ１１１においては、ステップ１０４にて選定された過給圧および再生時間に基づいて、パティキュレートフィルタ１６の再生が行われる。ステップ１１１については後述する。

ステップ１０７において、ＮＯ_Ｘ吸蔵可能量がＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に流入するＮＯ_Ｘ量未満の場合には、ステップ１０８に移行する。ステップ１０８では、現在のＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の温度Ｔ_ｃｕと最適温度Ｔ_ｏｐｔとが比較される。ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の温度Ｔ_ｃｕが最適温度Ｔ_ｏｐｔよりも低い場合には、ステップ１０９に移行する。ステップ１０９においては、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の温度を上昇させる。図１２を参照して、現在の温度Ｔ_ｃｕが最適温度Ｔ_ｏｐｔよりも低い場合には、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒を昇温して温度Ｔ_ｃｕを最適温度Ｔ_ｏｐｔに近づける。本実施の形態においては、温度Ｔ_ｃｕを上昇することにより、ＮＯ_Ｘ吸蔵可能量ΔＳＴ_ｃｕを増加させることができる。

本実施の形態においては、ステップ１０９における温度の上昇幅が予め定められている。温度の上昇幅については、この形態に限られず、例えば、最適温度と現在のＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の温度との差を関数とする温度の上昇幅のマップを電子制御ユニットに記憶させておいて、このマップにより温度の上昇幅を選定しても構わない。

ここで、本実施の形態におけるＮＯ_Ｘ吸蔵触媒を昇温する昇温制御について説明する。本実施の形態においては、燃焼室における燃料の噴射パターンを変更することにより、排気ガスの温度を上昇させる。排気ガスの温度が上昇することによりＮＯ_Ｘ吸蔵触媒を昇温することができる。

図１３に、本実施の形態における内燃機関の通常運転時における燃料の噴射パターンを示す。噴射パターンＡは、通常運転時における燃料の噴射パターンである。通常運転時においては、略圧縮上死点ＴＤＣで主噴射ＦＭが行なわれる。クランク角が略０°において主噴射ＦＭが行なわれる。また、主噴射ＦＭの燃焼を安定化させるために、主噴射ＦＭの前にパイロット噴射ＦＰが行なわれる。パイロット噴射ＦＰは、例えば、クランク角が圧縮上死点ＴＤＣの前の略１０°から略４０°の範囲において行なわれる。通常運転時においては、噴射パターンＢに示すように、パイロット噴射ＦＰが行なわれずに主噴射ＦＭのみが行なわれていても構わない。本実施の形態においては、パイロット噴射ＦＰが行なわれる噴射パターンを例に取り上げて説明する。通常運転において噴射パターンＡで運転されているときには、排気ガスの空燃比はリーンである。

図１４に、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒を昇温するときの噴射パターンを示す。噴射パターンＣは、排気ガスの温度が上昇する噴射パターンである。噴射パターンＣにおいては、主噴射ＦＭの噴射時期が圧縮上死点ＴＤＣから遅れている。すなわち、主噴射ＦＭの噴射時期を遅角させている。主噴射ＦＭの噴射時期の遅角に伴って、パイロット噴射ＦＰの噴射時期も遅角させている。主噴射ＦＭの噴射時期を遅角させることにより、排気ガスの温度を上昇させることができる。

更に、主噴射ＦＭの後に、補助噴射としてのアフター噴射ＦＡを行っている。アフター噴射ＦＡは、主噴射の後の燃焼可能な時期に行なわれる。アフター噴射ＦＡは、例えば圧縮上死点後のクランク角が略４０°までの範囲で行なわれ、例えば、圧縮上死点後のクランク角が略２０°から略３０°の範囲において行なわれる。アフター噴射ＦＡを行なうことにより、後燃え期間が長くなり、排気ガスの温度を上昇させることができる。また、燃焼室における燃焼量が増加して排気ガスの温度を上昇させることができる。このように、燃焼室における噴射パターンを変更することによりＮＯ_Ｘ吸蔵触媒を昇温することができる。

図５を参照して、ステップ１０９においてＮＯ_Ｘ吸蔵触媒を昇温したら、ステップ１０７に戻る。ステップ１０７において、再びＮＯ_Ｘ吸蔵可能量がＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に流入するＮＯ_Ｘ量以上か否かが判別される。ステップ１０７においてＮＯ_Ｘ吸蔵触媒を昇温した結果、ＮＯ_Ｘ吸蔵可能量がＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に流入するＮＯ_Ｘ量以上になった場合には、ステップ１１１に移行する。ＮＯ_Ｘ吸蔵可能量が、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に流入するＮＯ_Ｘ量未満である場合には、再びステップ１０８に移行する。このように、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の温度Ｔ_ｃｕが最適温度Ｔ_ｏｐｔ以上になるまで、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の昇温が繰り返される。

ステップ１０８において、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の温度Ｔ_ｃｕが最適温度Ｔ_ｏｐｔ以上である場合には、ステップ１１０に移行する。たとえば、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒を昇温してＮＯ_Ｘ吸蔵可能量ΔＳＴ_ｃｕを増加させても、ＮＯ_Ｘ吸蔵可能量が足りない場合には、ステップ１１０に移行する。

ステップ１１０においては、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に吸蔵しているＮＯ_Ｘを放出させるＮＯ_Ｘ放出制御を行なう。本実施の形態のＮＯ_Ｘ放出制御においては、燃焼室に噴射する燃料の噴射パターンを変更することにより、排気ガスの空燃比をリッチまたは理論空燃比にする。

図１５に、本実施の形態におけるＮＯ_Ｘ放出制御を行なうときの噴射パターンを示す。噴射パターンＤは、主噴射ＦＭの後にポスト噴射ＦＰＯを行なっている。ポスト噴射ＦＰＯは、燃焼室において燃料が燃焼しない噴射である。ポスト噴射ＦＰＯは、アフター噴射と同様に補助噴射であるが、アフター噴射が機関出力に影響を与える一方で、ポスト噴射は機関出力に寄与しない特徴を有する。ポスト噴射ＦＰＯは、例えば、圧縮上死点後のクランク角が略９０°から略１２０°の範囲内において行われる。ポスト噴射ＦＰＯを噴射することにより機関排気通路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。排気ガスの空燃比がリッチになることにより、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒からＮＯ_Ｘが放出される。放出されたＮＯ_Ｘを排気ガスに含まれる未燃燃料等の還元剤により還元することができる。

図５を参照して、ステップ１１０においてＮＯ_Ｘ放出制御を行なうことにより、吸蔵していたＮＯ_Ｘを除去することができて、パティキュレートフィルタの再生の期間中に流入するＮＯ_Ｘを吸蔵するためのＮＯ_Ｘ吸蔵可能量を確保することができる。

次に、ステップ１１１において、パティキュレートフィルタの再生を行なう。本実施の形態においては、選定された目標の過給圧に基づいて、過給圧を上昇させることにより、排気ガスに含まれるＮＯ_２量を増加させる。排気ガスがパティキュレートフィルタに流入することにより、粒子状物質がＮＯ_２により酸化されて除去される。たとえば、微粒子状物質に含まれるＣ（炭素）が酸化されてＣＯに変換されて除去される。

過給圧の制御においては、たとえば、吸入通路内の排気ターボチャージャの下流側に圧力センサを配置して、圧力センサの出力が選定された目標の過給圧になるように、タービンのノズルベーンの回動角度を調整する。このフィードバック制御により、吸入空気の圧力を目標の過給圧に調整することができる。

パティキュレートフィルタ１６から流出するＮＯ_Ｘは、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒１７に流入する。ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒１７は、パティキュレートフィルタ１６の再生期間中に流入するＮＯ_Ｘを吸蔵するためのＮＯ_Ｘ吸蔵可能量が確保されている。ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒が飽和状態になってＮＯ_Ｘを吸蔵できなくなることが回避されている。このためＮＯ_ＸがＮＯ_Ｘ吸蔵触媒をすり抜けて大気中に放出されることを抑制できる。

このように、パティキュレートフィルタの再生を行なうときに、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵可能量がパティキュレートフィルタから流出するＮＯ_Ｘ量未満の場合には、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵可能量を多くする制御を行なうことにより、大気中にＮＯ_Ｘが放出されることを抑制することができる。

本実施の形態においては、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の温度が最適温度よりも低い場合に、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の温度を上昇させる昇温制御を行っている。それでもＮＯ_Ｘ吸蔵可能量が、パティキュレートフィルタから流出するＮＯ_Ｘ量未満の場合には、ＮＯ_Ｘ放出制御を行っている。すなわち、昇温制御を優先させて先に行って、それでもＮＯ_Ｘ吸蔵可能量を確保できない場合にはＮＯ_Ｘ放出制御を行っている。本実施の形態においては、昇温制御を行なうときに燃焼室においてアフター噴射を行ない、ＮＯ_Ｘ放出制御を行なうときに燃焼室においてポスト噴射を行なっている。昇温制御のときに消費される燃料は、ＮＯ_Ｘ放出制御のときに消費される燃料よりも少ない。このように、昇温制御を優先的に行なうことにより、燃費の増加を抑制することができる。本実施の形態においては、ＮＯ_Ｘ放出制御に先立って昇温制御を行っているが、この形態に限られず、ＮＯ_Ｘ放出制御を先に行っても構わない。

本実施の形態におけるＮＯ_２供給手段は、過給機によって過給圧を高めることにより、排気ガスに含まれるＮＯ_２量を増加させている。過給圧を調整することにより、排気ガスに含まれるＮＯ_２量を任意に調整することができる。ＮＯ_２供給手段は、この形態に限られず、排気ガスに含まれるＮＯ_２量を変化させるように形成されていれば構わない。

また、パティキュレートフィルタの再生を行なうときに、パティキュレートフィルタの昇温を行っても構わない。パティキュレートフィルタの昇温を行なうことにより、ＮＯ_２による粒子状物質の酸化に加えて、粒子状物質が排気ガスに含まれるＯ_２と反応して燃焼することにより粒子状物質を除去することができる。

本実施の形態においては、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵可能量を算出する時に、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に吸蔵されているＮＯ_Ｘ量を算出しているが、この形態に限られず、例えば、ＮＯ_Ｘとともに吸蔵されるＳＯ_Ｘ量を更に算出することができる。

排気ガス中にはＳＯ_Ｘ、即ちＳＯ_２が含まれている。図４を参照して、ＳＯ_２は、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒１７に流入すると、貴金属触媒４６において酸化されてＳＯ_３となる。このＳＯ_３はＮＯ_Ｘ吸収剤４７に吸収されて、例えば炭酸バリウムＢａＣＯ_３と結合しながら、硫酸イオンＳＯ_４ ^２−の形でＮＯ_Ｘ吸収剤４７内に拡散して、硫酸塩ＢａＳＯ_４を生成する。ＮＯ_Ｘ吸収剤４７は、強い塩基性を有するために硫酸塩ＢａＳＯ_４は安定していて分解しづらく、単に排気ガスの空燃比をリッチにしただけでは硫酸塩ＢａＳＯ_４は分解されずにそのまま残る。このため、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の使用を継続すると、ＮＯ_Ｘ吸収剤４７内の硫酸塩ＢａＳＯ_４が増大して、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒が吸収できるＮＯ_Ｘ量が低下することになる。このように、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒は、いわゆる硫黄被毒が生じる。

ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に吸蔵されているＳＯ_Ｘ量の算出においては、蓄積されるＮＯ_Ｘ量の算出と同様に、機関回転数と要求トルクを関数にする単位時間当たりのＳＯ_Ｘ蓄積量のマップを電子制御ユニットに記憶させる。単位時間当たりのＳＯ_Ｘ蓄積量を積算することにより、任意の時刻におけるＳＯ_Ｘの蓄積量を算出することができる。図５を参照して、ステップ１０６において、ＮＯ_Ｘ吸蔵可能量を算出するときにＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に蓄積されているＮＯ_Ｘ量に加えてＳＯ_Ｘ量を考慮しても構わない。

硫黄被毒を回復するためには、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の温度をＳＯ_Ｘ放出が可能な温度まで上昇させた状態でＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチまたは理論空燃比にすることにより、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒からＳＯ_Ｘを放出させるＳＯ_Ｘ放出制御を行なう。図５を参照して、ステップ１１０において、ＮＯ_Ｘを放出させると共にＳＯ_Ｘ放出制御を行なっても構わない。

本実施の形態における昇温制御は、燃焼室における噴射パターンを変更することにより、排気ガスの温度を昇温し、これにより、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の温度を上昇させているが、この形態に限られず、任意の制御によりＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の温度を上昇させても構わない。例えば、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒よりも上流側の機関排気通路内に燃料を噴射する燃料添加弁を配置する。燃料添加弁から燃料を噴射することにより、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の温度を上昇させることができる。ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒には、酸化反応が生じる白金等の金属が担持されている（図４参照）。ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒において酸化反応が生じることにより、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の温度を上昇させることができる。

また、本実施の形態のＮＯ_Ｘ放出制御は、燃焼室における噴射パターンの変更によりＮＯ_Ｘを放出しているが、この形態に限られず、排気ガスの空燃比をリッチまたは理論空燃比にする任意の制御を採用することができる。例えば、機関排気通路に燃料添加弁を配置する。この燃料添加弁から燃料を噴射することにより、排気ガスの空燃比をリッチまたは理論空燃比にすることができる。

本実施の形態における装置例ではパティキュレートフィルタ上に、貴金属触媒は担持されていないが、この形態に限られず、パティキュレートフィルタに白金のような貴金属触媒を担持させることができる。この場合には、パティキュレートフィルタに酸化触媒の機能を付与することができる。または、機関排気通路のＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の下流に酸化触媒を配置しても構わない。

（実施の形態２）
図１６から図１８を参照して、実施の形態２における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、パティキュレートフィルタを再生するときの制御が実施の形態１と異なる。

本実施の形態における制御は、実施の形態１の図５に示すパティキュレートフィルタの再生を実行するステップ１１１の制御に代えることができる。本実施の形態におけるＮＯ_２供給手段は、過給機によって過給圧を高める制御に加えて、燃焼室に流入する再循環排気ガス量の比率を変更する制御を行なう。排気ガスのＮＯ_Ｘ量に対するＮＯ_２量の比率を増加させるとともに、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に流入するＮＯ_Ｘ量を抑制する。

図１６に、本実施の形態における制御のフローチャートを示す。はじめに、ステップ１２１において、パティキュレートフィルタの再生の実施条件が成立しているか否かを判別する。すなわち、パティキュレートフィルタを実施するための運転条件や、パティキュレートフィルタの粒子状物質の堆積量が許容値を超えているか否かを判別する。ステップ１２１において、パティキュレートフィルタの再生を行なう条件が成立していない場合には、この制御を終了する。パティキュレートフィルタの再生を行なう条件が成立している場合には、ステップ１２２に移行する。なお、本実施の形態における制御を、実施の形態１におけるパティキュレートフィルタの再生を実行する制御として用いる場合には、ステップ１２１を省略することができる。

ステップ１２２においては、現在のＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に流入するＮＯ_Ｘ流量を記憶する。現在のＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に流入するＮＯ_Ｘ流量は、例えば、実施の形態１と同様にマップにより算出することができる。または、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒より上流側の機関排気通路にＮＯ_Ｘセンサを配置して、機関排気通路を流れるＮＯ_Ｘ流量を検出しても構わない。

次に、ステップ１２３において、ＮＯ_２流量を増加させるために吸入空気の過給圧を選定する。本実施の形態においては、運転許容範囲内で、予め設定されている最大の過給圧まで圧力を上昇させる。または、実施の形態１の図５のステップ１０４において定められている過給圧を選定することができる。

ステップ１２３においては、機関回転数および燃焼室における燃料の噴射量を関数にする過給圧のマップを用いて、過給圧を選定しても構わない。機関本体が低回転および低負荷の場合には、過給機におけるタービンホイールに供給する排気ガスの流速を速くしても、過給圧はさほど変わらないが、機関本体が高回転および高負荷の場合には、タービンホイールに供給する排気ガスの流速を速くすることにより、大きく過給圧が変化する。過給圧の変化が大きくなりすぎることにより、過給機が損傷する場合がある。過給圧を選定する場合に過給圧のマップを用いることにより過給機の損傷を防止することができる。

次に、ステップ１２４において、選定された過給圧に基づいて、過給機により機関本体に流入する空気の過給圧を増加する。過給圧を増加することにより、機関本体の吸入空気流量が増加する。

図１７は、機関本体の再循環率（ＥＧＲ率）と機関本体から排出される窒素酸化物の流量との関係を示すグラフである。横軸が再循環率であり、縦軸が単位時間あたりに機関本体から排出される（パティキュレートフィルタに流入する）窒素酸化物の流量である。再循環率は、燃焼室に流入する全てのガスの流量に対する再循環排気ガスの流量の比である。排気ガスの比率が増加すると再循環率が増加する。図１７には、過給前および過給後について、ＮＯ_２とＮＯ_Ｘとのグラフがそれぞれ記載されている。

本実施の形態において、パティキュレートフィルタの再生を開始するときには点Ｐ１の状態である。過給機を駆動して目標の圧力まで過給を行なうことにより、矢印２０３に示す様に点Ｐ２に移行する。単位時間当たりにパティキュレートフィルタに流入するＮＯ_２量およびＮＯ_Ｘ量が増加する。

図１６を参照して、次に、ステップ１２５において、過給後のＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に流入するＮＯ_Ｘ流量を検知する。過給後の機関本体から排出されるＮＯ_Ｘ流量（ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に流入するＮＯ_Ｘ流量）は、例えば、機関回転数、燃焼室に噴射される燃料の量、過給圧および再循環率から単位時間当りに排出されるＮＯ_Ｘ量を算出する複数のマップを用いることにより求めることができる。または、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒より上流側の機関排気通路にＮＯ_Ｘセンサを配置して、機関排気通路を流れるＮＯ_Ｘ流量を検出することができる。

本実施の形態においては、燃焼室に流入する空気の再循環率を上昇させることにより、パティキュレートフィルタに流入するＮＯ_Ｘ量を少なくする制御を行なう。機関本体の再循環率を高くすることにより、燃焼室に流入する空気の酸素濃度を低下させることができて、燃焼室から排出されるＮＯ_Ｘ流量を低減することができる。

図１８は、機関本体の再循環率とＮＯ_Ｘに含まれるＮＯ_２の比率との関係を示すグラフである。再循環率を高くすることにより、燃焼室における燃焼時のガス温度を低下させることができる。この結果、ＮＯ_Ｘに含まれるＮＯ_２の比率を大きくすることができる。

図１７を参照して、再循環率を高くすることにより、パティキュレートフィルタに流入するＮＯ_Ｘ流量は、矢印２０４に示すように大きく減少する。ＮＯ_Ｘ流量は減少する一方で、ＮＯ_２比率は増加する。このために、機関本体から排出されるＮＯ_２流量は、矢印２０５に示すように大きく減少せずに、高い流量を維持することができる。

図１６を参照して、次に、ステップ１２６において、過給後のＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に流入するＮＯ_Ｘ流量と、過給前のＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に流入するＮＯ_Ｘ流量とを比較する。過給後のＮＯ_Ｘ流量から過給前のＮＯ_Ｘ流量を引いた値が判定値よりも大きい場合には、ステップ１２７に移行する。過給後のＮＯ_Ｘ流量から過給前のＮＯ_Ｘ流量を引いた値が判定値以下の場合には、ステップ１３０に移行する。

ステップ１２７においては、再循環率の増加量を選定する。本実施の形態においては、再循環率の増加量を予め定めておき、この増加量に基づいて再循環率を増加している。再循環率の増加量の選定においては、この形態に限られず、例えば、機関回転数と燃焼室に噴射する噴射量とを関数にする再循環率の増加量のマップを用いることにより選定しても構わない。

次に、ステップ１２８において、選定された再循環率がフィードバックの範囲内であるか否かを判別する。すなわち、選定された機関本体の再循環率が、運転許容範囲内であるか否かを判定する。例えば、機関本体の再循環率を高くしすぎることにより、燃焼室において失火する場合がある。または、燃焼室から排出される未燃燃料（ＨＣ）等の量により運転範囲が制限されている場合がある。ステップ１２８においては、算出された再循環率がこのような運転許容範囲内に含まれるか否かを判別する。選定されたが再循環率がフィードバックの範囲内である場合には、ステップ１２９に移行して、再循環率が増加される。ステップ１２８において、再循環率がフィードバックの範囲外である場合には、ステップ１３０に移行する。

図１を参照して、ステップ１２９において再循環率を増加する場合には、ＥＧＲ通路１８に配置されているＥＧＲ制御弁１９を駆動することにより再循環の排気ガスの流量を変化させる。たとえば、ＥＧＲ制御弁１９を開くことにより、再循環流量が増加して、再循環率を増加させることができる。または、スロットル弁１０の開度を調整することにより、再循環率を調整することができる。

ステップ１２９において再循環率を増加した後には、再びステップ１２６における判別を行なう。このように、本実施の形態においては、過給後のＮＯ_Ｘ流量から過給前のＮＯ_Ｘ流量を引いた値が判定値以下になるまで再循環率を増加する。本実施の形態においては、判定値を零にして制御を行なっている。

図１７を参照して、再循環率を増加させることにより、単位時間あたりのＮＯ_Ｘ流量は、点Ｐ２から点Ｐ３に移行する。機関本体の再循環率を増加させることにより、ＮＯ_Ｘ量を低減させることができる。本実施の形態においては、過給後のＮＯ_Ｘ流量が、過給前のＮＯ_Ｘ流量Ｑ_１と略同じになるまで再循環率を増加している。このときに、排気ガスに含まれるＮＯ_Ｘ量は減少するが、ＮＯ_２は高い流量を維持することができる。

図１６を参照して、ステップ１３０では、現在の過給圧および再循環率を維持してパティキュレートフィルタの再生を行なう。ところで、本実施の形態においては、パティキュレートフィルタに流入するＮＯ_Ｘ流量（機関本体から流出するＮＯ_Ｘ流量）の範囲を定めて、この範囲内になるまで機関本体の再循環率を増加させている。このため、実施の形態１に示した予め定められている再生時間を適用すると、パティキュレートフィルタに供給されるＮＯ_２量が、パティキュレートフィルタの再生に必要なＮＯ_２要求量からずれる場合がある。

このため、本実施の形態においては、ステップ１３０において、選定された過給圧および選定された再循環率の条件下でパティキュレートフィルタに供給されるＮＯ_２流量から、ＮＯ_２要求量を供給できる再生時間を算出している。算出された再生時間の間、ＮＯ_２の供給を継続することにより、酸化すべき粒子状物質の量に対応したパティキュレートフィルタの再生を行なうことができる。

本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、ＮＯ_２流量を増加させるときにＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に流入するＮＯ_Ｘ量の増加を抑制することができる。ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に流入するＮＯ_Ｘ量を低減することができて、ＮＯ_Ｘの放出を抑制することができる。また、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒においてＮＯ_Ｘの吸蔵量が少なくなるために、ＮＯ_Ｘ放出制御の間隔を長くすることができる。この結果、ＮＯ_Ｘ放出制御を行なうために消費する燃料の量を少なくすることができて燃費が向上する。

また、実施の形態１における予め設定された再生時間を採用して、再生を行なっても構わない。この場合に、パティキュレートフィルタに供給されるＮＯ_２量が再生に必要なＮＯ_２要求量以上になるときには、十分なパティキュレートフィルタの再生を行なうことができる。一方で、パティキュレートフィルタに供給されるＮＯ_２量が再生に必要なＮＯ_２要求量よりも小さくなるときには、パティキュレートフィルタに残存する粒子状物質の量を記憶しておいて、次回のパティキュレートフィルタの再生のときに除去を行なっても構わない。

更に、機関本体の再循環率を増加した時に、パティキュレートフィルタに流入するＮＯ_２流量が小さくなり、予め設定された再生時間で再生を行なうとＮＯ_２要求量よりもパティキュレートフィルタに供給するＮＯ_２量が小さくなる場合には、再循環率の増加を停止する制御を行なっても構わない。この制御を行なうことにより、パティキュレートフィルタの再生に要求されるＮＯ_２要求量を確保しながら、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に流入するＮＯ_Ｘ量を低減させることができる。

本実施の形態における制御は、実施の形態１に示すパティキュレートフィルタを再生する制御として用いる他に、本実施の形態における制御のみでパティキュレートフィルタを再生することもできる。

その他の構成、作用および効果については、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。

（実施の形態３）
図１９から図２２を参照して、実施の形態３における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態における制御は、パティキュレートフィルタの再生を実行している期間中に行なうことができる。たとえば、実施の形態１の図５のステップ１１１の期間中に行なうことができる。

図１９に、本実施の形態における内燃機関の概略図を示す。本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、パティキュレートフィルタ１６の上流側の機関排気通路内に酸化触媒１３を備える。酸化触媒１３の下流には、酸化触媒１３の温度を検知するための温度センサ２８が配置されている。温度センサ２８の出力信号は、電子制御ユニット３０のＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力されている。

酸化触媒１３は、酸化能力を有する触媒である。酸化触媒１３は、例えば、円筒形状のケース本体の内部に排気ガスの流れ方向に延びる隔壁を有する基体を備える。基体は、例えばハニカム構造に形成されている。基体の表面には、例えば多孔質酸化物粉末よりなるコート層が形成され、このコート層に白金等の貴金属触媒が担持されている。排気ガスに含まれるＣＯまたはＨＣは、酸化触媒１３で酸化されて水や二酸化炭素等の物質に変換される。

本実施の形態におけるＮＯ_２供給手段は、過給圧の上昇によるＮＯ_２の増量に加えて、酸化触媒１３によりＮＯ_２を増量する。酸化触媒１３において排気ガスに含まれるＮＯをＮＯ_２に変換してパティキュレートフィルタ１６に供給する。すなわち、酸化触媒１３において、排気ガスに含まれる多量のＮＯの一部をＮＯ_２に変換して、ＮＯ_２流量を増加させることができる。酸化触媒１３の温度が、活性化温度以上の場合には酸化触媒１３に供給するＮＯ流量を増加させる制御を行なう。

実施の形態１における図５のステップ１０１からステップ１１０までは、本実施の形態における制御と同様である。また、本実施の形態の内燃機関においては、排気ガス再循環の制御が行なわれている。

図２０に、本実施の形態におけるパティキュレートフィルタの再生を行なう制御のフローチャートを示す。ステップ１３１においては、パティキュレートフィルタの再生を開始しているか否かが判別される。ステップ１３１において、パティキュレートフィルタの再生を開始していない場合には、この制御を終了する。パティキュレートフィルタの再生を開始している場合にはステップ１３２に移行する。

ステップ１３２においては、酸化触媒１３の劣化量を検知する。本実施の形態においては、酸化触媒１３の温度を検知して熱劣化量を算出する。酸化触媒の温度は、酸化触媒１３の下流に配置されている温度センサ２８により検出することができる。

図２１に、酸化触媒の熱負荷量と熱劣化量とのグラフを示す。熱負荷量が多くなるほど熱劣化量が増加する。酸化触媒１３の劣化量の算出においては、例えば、図２１に示す熱負荷量に対する酸化触媒の劣化量のマップを電子制御ユニット３０に記憶させる。運転期間中の所定間隔ごとに酸化触媒の温度を検出して記憶する。これらの温度を積算することにより熱負荷量を算出することができる。熱負荷量から任意の時刻における酸化触媒の熱劣化量を算出することができる。

また、酸化触媒１３は、排気ガスに含まれる硫黄成分が酸化触媒１３の貴金属に付着することにより被毒を生じる場合がある。酸化触媒の劣化量の算出において、この被毒による劣化量を加算しても構わない。例えば、粒子状物質や気体状のＳＯ_２が、貴金属の表面に付着することにより酸化能力が低下する。内燃機関１の運転状況から、酸化触媒１３の被毒量を計算して劣化量を検出することができる。例えば、機関回転数と燃焼室２における燃料の噴射量とを関数にする単位時間当たりの硫黄成分の被毒量のマップを電子制御ユニット３０に記憶させる。このマップにより算出される硫黄成分による被毒量を積算することにより、任意の時刻における酸化触媒１３の劣化量を算出することができる。

酸化触媒の劣化量の算出は、上記の方法に限られず、任意の方法を採用することができる。たとえば、酸化触媒の劣化量の算出において、酸化触媒に未燃燃料を供給して、そのときの発熱量から酸化触媒の劣化量を検知することができる。酸化触媒の上流の機関排気通路に燃料を供給する燃料添加弁を配置する。燃料添加弁から燃料を噴射することにより、酸化触媒に燃料を供給する。そのときの燃料の供給量と酸化触媒の温度の上昇幅とを関数にする劣化量のマップを予め作成しておくことにより、酸化触媒の劣化量を検出することができる。

図２０を参照して、次に、ステップ１３３において酸化触媒の劣化量から酸化触媒の活性化温度を算出する。活性化温度は、触媒が活性化して酸化反応が生じる温度である。

図２２に、酸化触媒の劣化量と活性化温度とのグラフを示す。酸化触媒１３の劣化量が大きくなるほど活性化温度が高くなる。酸化触媒の劣化量を関数にする活性化温度のマップを電子制御ユニット３０に記憶させておくことにより、酸化触媒１３の劣化量から活性化温度を算出することができる。

次に、ステップ１３４において、酸化触媒の温度が算出された活性化温度以上であるか否かを判別する。酸化触媒の温度が活性化温度よりも低い場合には、ステップ１３７に移行する。酸化触媒の温度が活性化温度以上である場合には、ステップ１３５に移行して、機関本体から排出されるＮＯ_Ｘ量を増加させる制御を行なう。

ステップ１３５においては、機関本体の排気ガスの再循環率の低下量を選定する。本実施形態においては、予め定められた所定の低下量が採用されている。ステップ１３５においては、例えば、現在の酸化触媒の温度と活性化温度とを関数にする再循環率の低下量のマップを電子制御ユニットに記憶しておいて、このマップにより再循環率の低下量を選定しても構わない。

次に、ステップ１３６において、選定された低下量に基づいて再循環率を低下させる。たとえば、排気ガスの再循環流量を小さくする制御を行なう。再循環率を低下させることにより、酸化触媒１３に流入するＮＯ_Ｘ流量を増加させることができる。ＮＯ_Ｘ流量の増加に伴ってＮＯ流量が増加する。酸化触媒１３が活性化状態にある場合には、多量のＮＯをＮＯ_２に変換することができる。このため、パティキュレートフィルタ１６に供給するＮＯ_２流量を増加させることができる。

このように、本実施の形態においては、酸化触媒が活性化状態のときに酸化触媒に流入するＮＯ_Ｘ流量を増加させることにより、パティキュレートフィルタに流入するＮＯ_２流量を増加させることができて、パティキュレートフィルタの再生を短時間で行なうことができる。

ここで、本実施の形態においては、酸化触媒１３によりＮＯがＮＯ_２に変換される変化率のマップを電子制御ユニット３０に記憶させる。例えば、酸化触媒１３の温度を関数にする変換率のマップを記憶させる。このマップを用いることにより、酸化触媒１３に流入するＮＯ_２流量から、酸化触媒１３から流出するＮＯ_２流量（パティキュレートフィルタ１６に流入するＮＯ_２流量）を算出することができる。

パティキュレートフィルタの再生時間に関しては、再循環率を低下させたときの酸化触媒から流出するＮＯ_２流量を算出する。酸化触媒から流出するＮＯ_２流量から、パティキュレートフィルタの再生に必要なＮＯ_２要求量を供給できる再生時間を算出することができる。

酸化触媒１３から流出するＮＯ_Ｘ流量は、酸化触媒１３に流入するＮＯ_Ｘ流量と等しくなり、燃焼室から排出されるＮＯ_Ｘ量からパティキュレートフィルタ１６に流入するＮＯ_Ｘ流量を求めることができる。更にＮＯ_Ｘ吸蔵触媒１７に流入するＮＯ_Ｘ流量を求めることができる。ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に流入するＮＯ_Ｘ流量および再生時間から、パティキュレートフィルタの再生期間中にＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に蓄積されるＮＯ_Ｘ量を算出することができる。

本実施の形態における排気浄化装置は、再循環率を低下させることにより酸化触媒に流入するＮＯ_Ｘ量を増加させているが、この形態に限られず、任意の制御によりＮＯ_Ｘ量を増加させても構わない。

本実施の形態における装置例ではパティキュレートフィルタの上流に、酸化触媒が配置されているが、この形態に限られず、パティキュレートフィルタに白金のような貴金属触媒を担持させることができる。この場合には、酸化触媒が独立して配置されていなくても構わない。

その他の構成、作用および効果については、実施の形態１または２と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。

上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に含まれる変更が意図されている。

実施の形態１における内燃機関の全体図である。 パティキュレートフィルタの概略正面図である。 パティキュレートフィルタの概略断面図である。 ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の拡大概略断面図である。 実施の形態１における排気浄化装置の制御のフローチャートである。 実施の形態１における機関回転数および燃料噴射量を関数にする単位時間当りにパティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質の量のマップである。 パティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質の量と再生に必要なＮＯ_２要求量との関係を示すグラフである。 実施の形態１における排気ターボチャージャのタービンの拡大概略断面図である。 実施の形態１における排気ターボチャージャのノズルベーンを説明する概略平面図である。 過給機の過給圧と燃焼室から排出される窒素酸化物の流量との関係を示すグラフである。 機関回転数および要求トルクを関数にする単位時間当たりにＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に蓄積されるＮＯ_Ｘ量のマップである。 ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の温度とＮＯ_Ｘ飽和吸蔵量との関係を示すグラフである。 通常運転時における噴射パターンの説明図である。 排気ガスを昇温する時の噴射パターンの説明図である。 排気ガスの空燃比をリッチにする時の噴射パターンの説明図である。 実施の形態２における排気浄化装置の制御のフローチャートである。 機関本体の再循環率と機関本体から排出される窒素酸化物との関係を示すグラフである。 機関本体の再循環率とＮＯ_Ｘに含まれるＮＯ_２の比率を示すグラフである。 実施の形態３における内燃機関の概略図である。 実施の形態３における排気浄化装置の制御のフローチャートである。 酸化触媒の熱負荷量と酸化触媒の熱劣化量との関係を示すグラフである。 酸化触媒の劣化量と酸化触媒の活性化温度との関係を示すグラフである。

１ 機関本体
２ 燃焼室
３ 燃料噴射弁
４ 吸気マニホールド
５ 排気マニホールド
６ 吸気ダクト
７ 排気ターボチャージャ
７ａ コンプレッサ
７ｂ タービン
１２ 排気管
１３ 酸化触媒
１６ パティキュレートフィルタ
１７ ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒
１８ ＥＧＲ通路
１９ ＥＧＲ制御弁
２６ 温度センサ
２７ 温度センサ
３０ 電子制御ユニット
３２ ＲＯＭ
３３ ＲＡＭ
３４ ＣＰＵ
５２ タービンホイール
５４ ノズルベーン
５４ａ 回動軸
５５ ノズル駆動装置

Claims (6)

1. 機関排気通路内に排気ガス中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタを配置し、パティキュレートフィルタ下流の機関排気通路内に、排気ガスの空燃比がリーンの時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の排気浄化装置において、
   パティキュレートフィルタに流入する排気ガス中のＮＯ_２量を可変とするＮＯ_２供給手段を備え、
   パティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質を酸化することにより除去すべきときに、酸化すべき粒子状物質の量に対して必要なＮＯ_２要求量を算出し、ＮＯ_２供給手段によりＮＯ_２要求量のＮＯ_２を含む排気ガスがパティキュレートフィルタに供給されたときにパティキュレートフィルタから流出するＮＯ_Ｘ量を算出し、更に、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒がＮＯ_Ｘを吸蔵できる現在のＮＯ_Ｘ吸蔵可能量を算出し、
   現在のＮＯ_Ｘ吸蔵可能量がパティキュレートフィルタから流出するＮＯ_Ｘ量未満の場合には、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵可能量を上昇させることを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
2. ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒は、ＮＯ_Ｘの吸蔵量が最大になる最適温度を有し、現在のＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の温度が前記最適温度より低い場合には、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の温度を上昇させる昇温制御を行ない、それでも現在のＮＯ_Ｘ吸蔵可能量がパティキュレートフィルタから流出するＮＯ_Ｘ量未満の場合には、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に吸蔵されているＮＯ_Ｘを放出させるＮＯ_Ｘ放出制御を行なうことにより、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵可能量をパティキュレートフィルタから流出するＮＯ_Ｘ量以上に上昇させることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒は、ＮＯ_Ｘの吸蔵量が最大になる最適温度を有し、現在のＮＯ_Ｘ吸蔵触媒の温度が前記最適温度以上の場合には、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に吸蔵されているＮＯ_Ｘを放出させるＮＯ_Ｘ放出制御を行なうことにより、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵可能量をパティキュレートフィルタから流出するＮＯ_Ｘ量以上に上昇させることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. ＮＯ_２供給手段は、過給機によって過給圧を高めることにより、排気ガスに含まれるＮＯ_２量を増加させることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. ＮＯ_２供給手段は、燃焼室内の再循環排気ガス量の比率を高めることにより、排気ガスのＮＯ_Ｘ量に対するＮＯ_２量の比率を増加させることを特徴とする、請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. ＮＯ_２供給手段は、パティキュレートフィルタ上流の機関排気通路内に配置されている酸化触媒の温度を検知し、酸化触媒の温度が活性化温度以上の場合に、酸化触媒に流入するＮＯ_Ｘ量を増加させることにより、ＮＯ_２量を増加させることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

Images