JP3617450B2

JP3617450B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP3617450B2
Application number: JP2000387663A
Authority: JP
Inventors: 和浩伊藤; 俊明田中; 信也広田; 好一郎中谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-12-20
Filing date: 2000-12-20
Publication date: 2005-02-02
Anticipated expiration: 2020-12-20
Also published as: JP2002188429A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年では、希薄燃焼可能な内燃機関の排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減する手段の一つとして、選択還元型ＮＯｘ触媒や吸蔵還元型ＮＯｘ触媒などのリーンＮＯｘ触媒が知られている。
【０００３】
選択還元型ＮＯｘ触媒は、酸素過剰の雰囲気で還元剤が存在するときに窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元または分解する触媒であり、このような触媒としては、ゼオライトを担体としてＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持したものやチタニヤ／バナジウムを担持した触媒、ゼオライト又はアルミナを担体として貴金属を担持した触媒等が含まれる。
【０００４】
この選択還元型ＮＯｘ触媒を利用して窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するには適量の還元剤が必要となる。この還元剤として炭化水素（ＨＣ）やアンモニア由来の化合物等を用いる技術が開発されている。
【０００５】
一方、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸収し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸収していた窒素酸化物（ＮＯｘ）を放出しつつ窒素（Ｎ_２）に還元する触媒である。
【０００６】
この吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が内燃機関の排気系に配置されると、内燃機関が希薄燃焼運転されて排気の空燃比が高くなるときは排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵され、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比が低くなったときは吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されていた窒素酸化物（ＮＯｘ）が放出されつつ窒素（Ｎ_２）に還元される。
【０００７】
ところで、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能力には限りがあるため、内燃機関が長期にわたって希薄燃焼運転されると、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能力が飽和し、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒によって除去されることなく大気中に放出されることになる。
【０００８】
従って、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を希薄燃焼式内燃機関に適用する場合は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収能力が飽和する前に該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を低下させる、所謂燃料添加制御を実行することにより、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸収されている窒素酸化物（ＮＯｘ）を放出及び還元させる必要がある。
【０００９】
このように選択還元型ＮＯｘ触媒や吸蔵還元型ＮＯｘ触媒などのリーンＮＯｘ触媒は、一様にして還元剤の存在下で排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化可能となるため、リーンＮＯｘ触媒を利用して排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する場合には、リーンＮＯｘ触媒に対して適量の還元剤を供給する必要がある。
【００１０】
ところで、選択還元型ＮＯｘ触媒や吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、内燃機関の運転領域により窒素酸化物浄化率が異なり、夫々浄化率の高い運転領域が存在する。そこで、これらのリーンＮＯｘ触媒を組み合わせて広い運転領域で窒素酸化物の浄化を行う技術が開示されている。例えば、特開平１１−６５６９２号公報では、アンモニア由来の化合物を還元剤とする選択還元型ＮＯｘ触媒と吸蔵還元型ＮＯｘ触媒とを組み合わせている。選択還元型ＮＯｘ触媒の還元剤にアンモニア由来の化合物を選定したのは、高回転高負荷状態においても窒素酸化物（ＮＯｘ）の浄化率が高いからである。
【００１１】
このように構成された排気浄化装置では、高回転高負荷領域に選択還元型ＮＯｘ触媒に還元剤を供給し、その他の運転領域には吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に還元剤を供給して窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化している。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
前記した窒素酸化物浄化率の高い内燃機関の運転領域は、アンモニア由来の化合物を還元剤とする選択還元型ＮＯｘ触媒と、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒とでは全く別の領域ではなく一部重なる領域がある。
【００１３】
この一部重なる運転領域では、どちらのリーンＮＯｘ触媒を選択しても所定の窒素酸化物（ＮＯｘ）浄化率が得られるが、前記特開平１１−６５６９２号公報によると、例えば内燃機関の負荷や回転数又は触媒床温等の内燃機関の運転状態に基づいてＮＯｘ触媒が選択されている。
【００１４】
しかし、前記一部重なった領域で、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を用いると、多量の還元剤を必要とし、この還元剤に内燃機関の燃料を用いている場合には燃費の悪化を招く。このようなときには選択還元型ＮＯｘ触媒を用いるのが好ましい。
【００１５】
そこで、前記一部重なった領域で、リーンＮＯｘ触媒の選択条件を適切に設定することが重要となる。
【００１６】
本発明は以上の問題を解決するためになされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、アンモニア由来の化合物を還元剤とする選択還元型ＮＯｘ触媒と、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒とを具備する内燃機関の排気浄化装置において、窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化させるＮＯｘ触媒の選択条件を適切に設定し、以て還元剤の消費量を低減することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために本発明の内燃機関の排気浄化装置は、次の手段を採用した。
【００１８】
すなわち、内燃機関の排気通路に設けられアンモニア由来の還元剤の存在下で窒素酸化物を選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒と、
内燃機関の排気通路に設けられ酸素過剰の雰囲気で排気中の窒素酸化物を吸蔵し酸素濃度が低下すると吸蔵した窒素酸化物を放出・還元する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、
を具備し、
前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に供給される還元剤の量が閾値を超えたときに前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒還元剤供給手段は還元剤の供給を停止し且つ選択還元型ＮＯｘ触媒還元剤供給手段が前記選択還元型ＮＯｘ触媒にアンモニア由来の還元剤を供給することを特徴とする。
【００１９】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）は、排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸収される。
【００２０】
そして、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒へ還元剤を供給する必要が生じたときに、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒還元剤供給手段は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒より上流の排気通路へ還元剤を供給する。
【００２１】
排気通路に供給された還元剤は、排気通路の上流から流れてくる排気とともに吸蔵還元型ＮＯｘ触媒へ流入する。そして、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、還元剤を利用して排気中の有害ガス成分を還元及び浄化することになる。
【００２２】
また、選択還元型ＮＯｘ触媒へ還元剤を供給する必要が生じたときに、選択還元型ＮＯｘ触媒還元剤供給手段は、排気中へ還元剤たるアンモニア由来の化合物を供給する。
【００２３】
排気通路に供給された還元剤は、排気通路の上流から流れてくる排気とともに選択還元型ＮＯｘ触媒へ流入する。そして、選択還元型ＮＯｘ触媒は、還元剤を利用して排気中の有害ガス成分を還元及び浄化することになる。
【００２４】
どちらのリーンＮＯｘ触媒へ還元剤を供給し、窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化させるのかは、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒還元剤供給手段が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒へ供給する還元剤の量が閾値を超えるか否かで決定される。
【００２５】
即ち、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒還元剤供給手段が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒へ供給する還元剤の量が閾値を超える場合は、燃費悪化の原因となるので選択還元型ＮＯｘ触媒に還元剤を供給する。
【００２６】
また、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒還元剤供給手段が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒へ供給する還元剤の量が閾値以下の場合は、還元剤の必要量が少なく燃費悪化の原因とはならないため吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に還元剤を供給する。
【００２７】
このような条件で還元剤を供給するリーンＮＯｘ触媒を選択することにより、還元剤の消費量を低減することができる。
【００２８】
なお、アンモニア由来の還元剤としては、尿素、カルバミン酸アンモニウム等を例示できる。
【００２９】
本発明においては、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒還元剤供給手段は、前記内燃機関へ機関出力のための燃料が主噴射された後の機関出力とはならない時期に再度燃料を噴射させる副噴射とすることができる。
【００３０】
また、排気の一部を内燃機関の吸気系に再循環させるＥＧＲ装置を具備し、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒還元剤供給手段は、粒子状物質の発生量がピークとなるＥＧＲガス量よりも更に多くのＥＧＲガスを加えて燃料を燃焼させる低温燃焼としてもよい。
【００３１】
さらに、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒還元剤供給手段は、内燃機関の排気通路に還元剤を添加する還元剤添加ノズルにより還元剤を添加してもよい。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。ここでは、本発明に係る排気浄化装置を車両駆動用のディーゼル機関に適用した場合を例に挙げて説明する。
【００３３】
図１は、本発明に係る排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。
【００３４】
図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼル機関である。
【００３５】
内燃機関１は、各気筒２の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。各燃料噴射弁３は、燃料を所定圧まで蓄圧する蓄圧室（コモンレール）４と接続されている。このコモンレール４には、該コモンレール４内の燃料の圧力に対応した電気信号を出力するコモンレール圧センサ４ａが取り付けられている。
【００３６】
前記コモンレール４は、燃料供給管５を介して燃料ポンプ６と連通している。この燃料ポンプ６は、内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）の回転トルクを駆動源として作動するポンプであり、該燃料ポンプ６の入力軸に取り付けられたポンププーリ６ａが内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）に取り付けられたクランクプーリ１ａとベルト７を介して連結されている。
【００３７】
このように構成された燃料噴射系では、クランクシャフトの回転トルクが燃料ポンプ６の入力軸へ伝達されると、燃料ポンプ６は、クランクシャフトから該燃料ポンプ６の入力軸へ伝達された回転トルクに応じた圧力で燃料を吐出する。
【００３８】
前記燃料ポンプ６から吐出された燃料は、燃料供給管５を介してコモンレール４へ供給され、コモンレール４にて所定圧まで蓄圧されて各気筒２の燃料噴射弁３へ分配される。そして、燃料噴射弁３に駆動電流が印加されると、燃料噴射弁３が開弁し、その結果、燃料噴射弁３から気筒２内へ燃料が噴射される。
【００３９】
次に、内燃機関１には、吸気枝管８が接続されており、吸気枝管８の各枝管は、各気筒２の燃焼室と図示しない吸気ポートを介して連通している。
【００４０】
前記吸気枝管８は、吸気管９に接続され、この吸気管９は、エアクリーナボックス１０に接続されている。前記エアクリーナボックス１０より下流の吸気管９には、該吸気管９内を流通する吸気の質量に対応した電気信号を出力するエアフローメータ１１と、該吸気管９内を流通する吸気の温度に対応した電気信号を出力する吸気温度センサ１２とが取り付けられている。
【００４１】
前記吸気管９における吸気枝管８の直上流に位置する部位には、該吸気管９内を流通する吸気の流量を調節する吸気絞り弁１３が設けられている。この吸気絞り弁１３には、ステッパモータ等で構成されて該吸気絞り弁１３を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ１４が取り付けられている。
【００４２】
前記エアフローメータ１１と前記吸気絞り弁１３との間に位置する吸気管９には、排気の熱エネルギを駆動源として作動する遠心過給機（ターボチャージャ）１５のコンプレッサハウジング１５ａが設けられ、コンプレッサハウジング１５ａより下流の吸気管９には、前記コンプレッサハウジング１５ａ内で圧縮されて高温となった吸気を冷却するためのインタークーラ１６が設けられている。
【００４３】
このように構成された吸気系では、エアクリーナボックス１０に流入した吸気は、該エアクリーナボックス１０内の図示しないエアクリーナによって吸気中の塵や埃等が除去された後、吸気管９を介してコンプレッサハウジング１５ａに流入する。
【００４４】
コンプレッサハウジング１５ａに流入した吸気は、該コンプレッサハウジング１５ａに内装されたコンプレッサホイールの回転によって圧縮される。前記コンプレッサハウジング１５ａ内で圧縮されて高温となった吸気は、インタークーラ１６にて冷却された後、必要に応じて吸気絞り弁１３によって流量を調節されて吸気枝管８に流入する。吸気枝管８に流入した吸気は、各枝管を介して各気筒２の燃焼室へ分配され、各気筒２の燃料噴射弁３から噴射された燃料を着火源として燃焼される。
【００４５】
一方、内燃機関１には、排気枝管１８が接続され、排気枝管１８の各枝管が図示しない排気ポートを介して各気筒２の燃焼室と連通している。
【００４６】
前記排気枝管１８は、前記遠心過給機１５のタービンハウジング１５ｂと接続されている。前記タービンハウジング１５ｂは、排気管１９と接続され、この排気管１９は、下流にて図示しないマフラーに接続されている。
【００４７】
前記排気管１９の途中には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を担持したパティキュレートフィルタ２０及びその下流に尿素を還元剤とする選択還元型ＮＯｘ触媒３７が配置されている。フィルタ２０より上流の排気管１９には、該排気管１９内を流通する排気の温度に対応した電気信号を出力する排気温度センサ２４が取り付けられている。
【００４８】
フィルタ２０より下流で且つ選択還元型ＮＯｘ触媒３７の上流の排気管１９には、選択還元型ＮＯｘ触媒３７に流入するＮＯｘ濃度に対応した電気信号を出力するＮＯｘセンサ３９及び該排気管１９内を流通する排気の空燃比に対応した電気信号を出力する空燃比センサ２３が取り付けられている。ＮＯｘセンサ３９及び空燃比センサ２３の下流で、且つ選択還元型ＮＯｘ触媒３７の上流には該選択還元型ＮＯｘ触媒３７に還元剤たる尿素を添加するための尿素添加制御弁３８が設置されている。
【００４９】
前記した選択還元型ＮＯｘ触媒３７の下流には、該排気管１９内を流通する排気の流量を調節する排気絞り弁２１が設けられている。この排気絞り弁２１には、ステッパモータ等で構成されて該排気絞り弁２１を開閉駆動する排気絞り用アクチュエータ２２が取り付けられている。
【００５０】
このように構成された排気系では、内燃機関１の各気筒２で燃焼された混合気（既燃ガス）が排気ポートを介して排気枝管１８へ排出され、次いで排気枝管１８から遠心過給機１５のタービンハウジング１５ｂへ流入する。タービンハウジング１５ｂに流入した排気は、該排気が持つ熱エネルギを利用してタービンハウジング１５ｂ内に回転自在に支持されたタービンホイールを回転させる。その際、タービンホイールの回転トルクは、前述したコンプレッサハウジング１５ａのコンプレッサホイールへ伝達される。
【００５１】
前記タービンハウジング１５ｂから排出された排気は、排気管１９を介してフィルタ２０及び選択還元型ＮＯｘ触媒３７へ流入し、排気中に含まれる浮遊粒子状物質である煤に代表されるパティキュレートマター（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ以下特に断らない限り「ＰＭ」という。）が捕集され且つ有害ガス成分が除去又は浄化される。フィルタ２０にてＰＭを捕集され且つフィルタ２０及び選択還元型ＮＯｘ触媒３７で有害ガス成分を浄化された排気は、必要に応じて排気絞り弁２１によって流量を調節された後にマフラーを介して大気中に放出される。
【００５２】
また、排気枝管１８と吸気枝管８とは、排気枝管１８内を流通する排気の一部を吸気枝管８へ再循環させる排気再循環通路（ＥＧＲ通路）２５を介して連通されている。このＥＧＲ通路２５の途中には、電磁弁などで構成され、印加電力の大きさに応じて前記ＥＧＲ通路２５内を流通する排気（以下、ＥＧＲガスと称する）の流量を変更する流量調整弁（ＥＧＲ弁）２６が設けられている。
【００５３】
前記ＥＧＲ通路２５においてＥＧＲ弁２６より上流の部位には、該ＥＧＲ通路２５内を流通するＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ２７が設けられている。
【００５４】
このように構成された排気再循環機構では、ＥＧＲ弁２６が開弁されると、ＥＧＲ通路２５が導通状態となり、排気枝管１８内を流通する排気の一部が前記ＥＧＲ通路２５へ流入し、ＥＧＲクーラ２７を経て吸気枝管８へ導かれる。
【００５５】
その際、ＥＧＲクーラ２７では、ＥＧＲ通路２５内を流通するＥＧＲガスと所定の冷媒との間で熱交換が行われ、ＥＧＲガスが冷却されることになる。
【００５６】
ＥＧＲ通路２５を介して排気枝管１８から吸気枝管８へ還流されたＥＧＲガスは、吸気枝管８の上流から流れてきた新気と混ざり合いつつ各気筒２の燃焼室へ導かれ、燃料噴射弁３から噴射される燃料を着火源として燃焼される。
【００５７】
ここで、ＥＧＲガスには、水（Ｈ_２Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ_２）などのように、自らが燃焼することがなく、且つ、吸熱性を有する不活性ガス成分が含まれているため、ＥＧＲガスが混合気中に含有されると、混合気の燃焼温度が低められ、以て窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量が抑制される。
【００５８】
更に、ＥＧＲクーラ２７においてＥＧＲガスが冷却されると、ＥＧＲガス自体の温度が低下するとともにＥＧＲガスの体積が縮小されるため、ＥＧＲガスが燃焼室内に供給されたときに該燃焼室内の雰囲気温度が不要に上昇することがなくなるとともに、燃焼室内に供給される新気の量（新気の体積）が不要に減少することもない。
【００５９】
次に、本実施の形態における選択還元型ＮＯｘ触媒３７について説明する。
【００６０】
選択還元型ＮＯｘ触媒３７は、ＮＯｘ触媒に還元剤たる尿素を添加して選択還元を行うものである。
【００６１】
選択還元型ＮＯｘ触媒としては、ゼオライトを担体としてＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持したものやチタニヤ／バナジウムを担持した触媒、ゼオライト又はアルミナを担体として貴金属を担持した触媒等が例示できる。この触媒上に尿素が添加されると、以下の反応が起こる。
【００６２】
２ＮＯ＋２Ｏ_２＋２ＣＯ（ＮＨ_２）_２→３Ｎ_２＋２ＣＯ_２＋４Ｈ_２Ｏ
又は、
６ＮＯ＋２ＣＯ（ＮＨ_２）_２→５Ｎ_２＋２ＣＯ_２＋４Ｈ_２Ｏ
この反応式に従って排気中に含まれるＮＯｘは還元され浄化される。
【００６３】
次に、本実施の形態に係るフィルタ２０について説明する。
【００６４】
図４にフィルタ２０の構造を示す。なお、図４において（Ａ）はフィルタ２０の横方向断面を示しており、（Ｂ）はフィルタ２０の縦方向断面図を示している。図４（Ａ）及び（Ｂ）に示されるようにフィルタ２０は、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路５０，５１を具備するいわゆるウォールフロー型である。これら排気流通路は下流端が栓５２により閉塞された排気流入通路５０と、上流端が栓５３により閉塞された排気流出通路５１とにより構成される。なお、図４（Ａ）においてハッチングを付した部分は栓５３を示している。従って、排気流入通路５０および排気流出通路５１は薄肉の隔壁５４を介して交互に配置される。換言すると排気流入通路５０および排気流出通路５１は各排気流入通路５０が４つの排気流出通路５１によって包囲され、各排気流出通路５１が４つの排気流入通路５０によって包囲されるように配置される。
【００６５】
フィルタ２０は例えばコージライトのような多孔質材料から形成されており、従って排気流入通路５０内に流入した排気は図４（Ｂ）において矢印で示されるように周囲の隔壁５４内を通って隣接する排気流出通路５１内に流出する。
【００６６】
本発明による実施例では各排気流入通路５０および各排気流出通路５１の周壁面、即ち各隔壁５４の両側表面上および隔壁５４内の細孔内壁面上には例えばアルミナからなる担体の層が形成されており、この担体上に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が坦持されている。
【００６７】
次に、本実施の形態に係るフィルタ２０に担持された吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の働きについて説明する。
【００６８】
フィルタ２０は、例えば、アルミナを担体とし、その担体上に、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、もしくはセシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属と、バリウム（Ｂａ）もしくはカルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類と、ランタン（Ｌａ）もしくはイットリウム（Ｙ）等の希土類とから選択された少なくとも１つと、白金（Ｐｔ）等の貴金属とを担持して構成されている。尚、本実施の形態では、アルミナからなる担体上にバリウム（Ｂａ）と白金（Ｐｔ）とを担持して構成される吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を例に挙げて説明する。
【００６９】
このように構成されたＮＯｘ触媒は、該ＮＯｘ触媒に流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸収する。
【００７０】
一方、ＮＯｘ触媒は、該ＮＯｘ触媒に流入する排気の酸素濃度が低下したときは吸収していた窒素酸化物（ＮＯｘ）を放出する。その際、排気中に炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の還元成分が存在していれば、ＮＯｘ触媒は、該ＮＯｘ触媒から放出された窒素酸化物（ＮＯｘ）を窒素（Ｎ_２）に還元せしめることができる。
【００７１】
尚、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸放出作用については明らかにされていない部分もあるが、おおよそ以下のようなメカニズムによって行われていると考えられる。
【００７２】
先ず、ＮＯｘ触媒では、該ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比がリーン空燃比となって排気中の酸素濃度が高まると、図２（Ａ）に示されるように、排気中の酸素（Ｏ_２）がＯ_２ ⁻またはＯ^２−の形で白金（Ｐｔ）の表面上に付着する。排気中の一酸化窒素（ＮＯ）は、白金（Ｐｔ）の表面上でＯ_２ ⁻またはＯ^２−と反応して二酸化窒素（ＮＯ_２）を形成する（２ＮＯ＋Ｏ_２→２ＮＯ_２）。二酸化窒素（ＮＯ_２）は、白金（Ｐｔ）の表面上で更に酸化され、硝酸イオン（ＮＯ_３ ⁻）の形でＮＯｘ触媒に吸収される。尚、ＮＯｘ触媒に吸収された硝酸イオン（ＮＯ_３ ⁻）は、酸化バリウム（ＢａＯ）と結合して硝酸バリウム（Ｂａ（ＮＯ_３）_２）を形成する。
【００７３】
このようにＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときは、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）が硝酸イオン（ＮＯ_３ ⁻）としてＮＯｘ触媒に吸収される。
【００７４】
上記したようなＮＯｘ吸収作用は、流入排気の空燃比がリーン空燃比であり、且つＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収能力が飽和しない限り継続される。従って、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときは、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収能力が飽和しない限り、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）がＮＯｘ触媒に吸収され、排気中から窒素酸化物（ＮＯｘ）が除去されることになる。
【００７５】
これに対して、ＮＯｘ触媒では、該ＮＯｘ触媒に流入する排気の酸素濃度が低下すると、白金（Ｐｔ）の表面上において二酸化窒素（ＮＯ_２）の生成量が減少するため、酸化バリウム（ＢａＯ）と結合していた硝酸イオン（ＮＯ_３ ⁻）が逆に二酸化窒素（ＮＯ_２）や一酸化窒素（ＮＯ）となってＮＯｘ触媒から離脱する。
【００７６】
その際、排気中に炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の還元成分が存在していれば、それらの還元成分が白金（Ｐｔ）上の酸素（Ｏ_２ ⁻またはＯ^２−）と部分的に反応して活性種を形成する。この活性種は、ＮＯｘ触媒から放出された二酸化窒素（ＮＯ_２）や一酸化窒素（ＮＯ）を窒素（Ｎ_２）に還元せしめることになる。
【００７７】
従って、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比が理論空燃比又はリッチ空燃比となって排気中の酸素濃度が低下するとともに還元剤の濃度が高まると、ＮＯｘ触媒に吸収されていた窒素酸化物（ＮＯｘ）が放出及び還元され、以てＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収能力が再生されることになる。
【００７８】
ところで、内燃機関１が希薄燃焼運転されている場合は、内燃機関１から排出される排気の空燃比がリーン雰囲気となり排気の酸素濃度が高くなるため、排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）がＮＯｘ触媒に吸収されることになるが、内燃機関１の希薄燃焼運転が長期間継続されると、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収能力が飽和し、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）がＮＯｘ触媒にて除去されずに大気中へ放出されてしまう。
【００７９】
特に、内燃機関１のようなディーゼル機関では、大部分の運転領域においてリーン空燃比の混合気が燃焼され、それに応じて大部分の運転領域において排気の空燃比がリーン空燃比となるため、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収能力が飽和し易い。
【００８０】
従って、内燃機関１が希薄燃焼運転されている場合は、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収能力が飽和する前にＮＯｘ触媒に流入する排気中の酸素濃度を低下させるとともに還元剤の濃度を高め、ＮＯｘ触媒に吸収された窒素酸化物（ＮＯｘ）を放出及び還元させる必要がある。
【００８１】
そこで、フィルタ２０より上流の排気通路を流通する排気中に還元剤たる燃料（軽油）を添加する還元剤供給機構を備え、この還元剤供給機構から排気中へ燃料を添加することにより、フィルタ２０に流入する排気の酸素濃度を低下させるとともに還元剤の濃度を高めるようにした。
【００８２】
還元剤供給機構は、図１に示されるように、その噴孔が排気枝管１８内に臨むよう内燃機関１のシリンダヘッドに取り付けられ、所定の開弁圧以上の燃料が印加されたときに開弁して燃料を噴射する還元剤噴射弁２８と、前述した燃料ポンプ６から吐出された燃料を前記還元剤噴射弁２８へ導く還元剤供給路２９と、この還元剤供給路２９の途中に設けられ該還元剤供給路２９内を流通する燃料の流量を調整する流量調整弁３０と、この流量調整弁３０より上流の還元剤供給路２９に設けられて該還元剤供給路２９内の燃料の流通を遮断する遮断弁３１と、前記流量調整弁３０より上流の還元剤供給路２９に取り付けられ該還元剤供給路２９内の圧力に対応した電気信号を出力する還元剤圧力センサ３２と、を備えている。
【００８３】
尚、還元剤噴射弁２８は、該還元剤噴射弁２８の噴孔が排気枝管１８におけるＥＧＲ通路２５との接続部位より下流であって、排気枝管１８における４つの枝管の集合部に最も近い気筒２の排気ポートに突出するとともに、排気枝管１８の集合部へ向くようシリンダヘッドに取り付けられることが好ましい。
【００８４】
これは、還元剤噴射弁２８から噴射された還元剤（未燃の燃料成分）がＥＧＲ通路２５へ流入するのを防止するとともに、還元剤が排気枝管１８内に滞ることなく遠心過給機のタービンハウジング１５ｂへ到達するようにするためである。
【００８５】
尚、図１に示す例では、内燃機関１の４つの気筒２のうち１番（＃１）気筒２が排気枝管１８の集合部と最も近い位置にあるため、１番（＃１）気筒２の排気ポートに還元剤噴射弁２８が取り付けられているが、１番（＃１）気筒２以外の気筒２が排気枝管１８の集合部と最も近い位置にあるときは、その気筒２の排気ポートに還元剤噴射弁２８が取り付けられるようにする。
【００８６】
また、前記還元剤噴射弁２８は、シリンダヘッドに形成された図示しないウォータージャケットを貫通、あるいはウォータージャケットに近接して取り付けられるようにし、前記ウォータージャケットを流通する冷却水を利用して還元剤噴射弁２８が冷却されるようにしてもよい。
【００８７】
このような還元剤供給機構では、流量調整弁３０が開弁されると、燃料ポンプ６から吐出された高圧の燃料が還元剤供給路２９を介して還元剤噴射弁２８へ印加される。そして、還元剤噴射弁２８に印加される燃料の圧力が開弁圧以上に達すると、該還元剤噴射弁２８が開弁して排気枝管１８内へ還元剤としての燃料が噴射される。
【００８８】
還元剤噴射弁２８から排気枝管１８内へ噴射された還元剤は、排気枝管１８の上流から流れてきた排気ととともにタービンハウジング１５ｂへ流入する。タービンハウジング１５ｂ内に流入した排気と還元剤とは、タービンホイールの回転によって撹拌されて均質に混合され、リッチ空燃比の排気を形成する。
【００８９】
このようにして形成されたリッチ空燃比の排気は、タービンハウジング１５ｂから排気管１９を介してフィルタ２０に流入し、フィルタ２０に吸収されていた窒素酸化物（ＮＯｘ）を放出させつつ窒素（Ｎ_２）に還元することになる。
【００９０】
その後、流量調整弁３０が閉弁されて燃料ポンプ６から還元剤噴射弁２８への還元剤の供給が遮断されると、還元剤噴射弁２８に印加される燃料の圧力が前記開弁圧未満となり、その結果、還元剤噴射弁２８が閉弁し、排気枝管１８内への還元剤の添加が停止されることになる。
【００９１】
以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）３５が併設されている。このＥＣＵ３５は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。
【００９２】
ＥＣＵ３５には、コモンレール圧センサ４ａ、エアフローメータ１１、吸気温度センサ１２、吸気管圧力センサ１７、空燃比センサ２３、排気温度センサ２４、ＮＯｘセンサ３９、還元剤圧力センサ３２、クランクポジションセンサ３３、水温センサ３４、アクセル開度センサ３６等の各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号がＥＣＵ３５に入力されるようになっている。
【００９３】
一方、ＥＣＵ３５には、燃料噴射弁３、吸気絞り用アクチュエータ１４、排気絞り用アクチュエータ２２、ＥＧＲ弁２６、流量調整弁３０、遮断弁３１、等が電気配線を介して接続され、上記した各部をＥＣＵ３５が制御することが可能になっている。
【００９４】
ここで、ＥＣＵ３５は、図３に示すように、双方向性バス３５０によって相互に接続された、ＣＰＵ３５１と、ＲＯＭ３５２と、ＲＡＭ３５３と、バックアップＲＡＭ３５４と、入力ポート３５６と、出力ポート３５７とを備えるとともに、前記入力ポート３５６に接続されたＡ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄ）３５５を備えている。
【００９５】
前記入力ポート３５６は、クランクポジションセンサ３３のようにデジタル信号形式の信号を出力するセンサの出力信号を入力し、それらの出力信号をＣＰＵ３５１やＲＡＭ３５３へ送信する。
【００９６】
前記入力ポート３５６は、コモンレール圧センサ４ａ、エアフローメータ１１、吸気温度センサ１２、吸気管圧力センサ１７、空燃比センサ２３、排気温度センサ２４、還元剤圧力センサ３２、水温センサ３４、アクセル開度センサ３６、ＮＯｘセンサ３９等のように、アナログ信号形式の信号を出力するセンサのＡ／Ｄ３５５を介して入力し、それらの出力信号をＣＰＵ３５１やＲＡＭ３５３へ送信する。
【００９７】
前記出力ポート３５７は、燃料噴射弁３、吸気絞り用アクチュエータ１４、排気絞り用アクチュエータ２２、ＥＧＲ弁２６、流量調整弁３０、遮断弁３１、尿素添加制御弁３８等と電気配線を介して接続され、ＣＰＵ３５１から出力される制御信号を、前記した燃料噴射弁３、吸気絞り用アクチュエータ１４、排気絞り用アクチュエータ２２、ＥＧＲ弁２６、流量調整弁３０、遮断弁３１、尿素添加制御弁３８へ送信する。
【００９８】
前記ＲＯＭ３５２は、燃料噴射弁３を制御するための燃料噴射制御ルーチン、吸気絞り弁１３を制御するための吸気絞り制御ルーチン、排気絞り弁２１を制御するための排気絞り制御ルーチン、ＥＧＲ弁２６を制御するためのＥＧＲ制御ルーチン、フィルタ２０に捕集されたＰＭを燃焼除去するためのＰＭ燃焼制御ルーチン、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸収された窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するための吸蔵ＮＯｘ浄化制御ルーチン、選択還元型ＮＯｘ触媒３７に還元剤を供給して窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元浄化するための選択還元ＮＯｘ浄化制御ルーチン、フィルタ２０の酸化物による被毒を解消するための被毒解消制御ルーチン、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と選択還元型ＮＯｘ触媒３７とで使用するＮＯｘ触媒を選択するＮＯｘ触媒選択制御ルーチン等のアプリケーションプログラムを記憶している。
【００９９】
前記ＲＯＭ３５２は、上記したアプリケーションプログラムに加え、各種の制御マップを記憶している。前記制御マップは、例えば、内燃機関１の運転状態と基本燃料噴射量（基本燃料噴射時間）との関係を示す燃料噴射量制御マップ、内燃機関１の運転状態と基本燃料噴射時期との関係を示す燃料噴射時期制御マップ、内燃機関１の運転状態と吸気絞り弁１３の目標開度との関係を示す吸気絞り弁開度制御マップ、内燃機関１の運転状態と排気絞り弁２１の目標開度との関係を示す排気絞り弁開度制御マップ、内燃機関１の運転状態とＥＧＲ弁２６の目標開度との関係を示すＥＧＲ弁開度制御マップ、内燃機関１の運転状態と還元剤の目標添加量（もしくは、排気の目標空燃比）との関係を示す還元剤添加量制御マップ、還元剤の目標添加量と流量調整弁３０の開弁時間との関係を示す流量調整弁制御マップ、尿素の目標添加量と尿素添加制御弁３８の開弁時間との関係を示す尿素添加制御弁制御マップ、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に供給する還元剤量と使用するＮＯｘ触媒との関係を示すＮＯｘ触媒選択制御マップ等である。
【０１００】
前記ＲＡＭ３５３は、各センサからの出力信号やＣＰＵ３５１の演算結果等を格納する。前記演算結果は、例えば、クランクポジションセンサ３３がパルス信号を出力する時間的な間隔に基づいて算出される機関回転数である。これらのデータは、クランクポジションセンサ３３がパルス信号を出力する都度、最新のデータに書き換えられる。
【０１０１】
前記バックアップＲＡＭ３５４は、内燃機関１の運転停止後もデータを記憶可能な不揮発性のメモリである。
【０１０２】
前記ＣＰＵ３５１は、前記ＲＯＭ３５２に記憶されたアプリケーションプログラムに従って動作して、燃料噴射弁制御、吸気絞り制御、排気絞り制御、ＥＧＲ制御、ＰＭ燃焼制御、吸蔵ＮＯｘ浄化制御、被毒解消制御、選択還元ＮＯｘ浄化制御、ＮＯｘ触媒選択制御等を実行する。
【０１０３】
例えば、燃料噴射弁制御では、ＣＰＵ３５１は、先ず、燃料噴射弁３から噴射される燃料量を決定し、次いで燃料噴射弁３から燃料を噴射する時期を決定する。
【０１０４】
燃料噴射量を決定する場合は、ＣＰＵ３５１は、ＲＡＭ３５３に記憶されている機関回転数とアクセル開度センサ３６の出力信号（アクセル開度）とを読み出す。ＣＰＵ３５１は、燃料噴射量制御マップへアクセスし、前記機関回転数及び前記アクセル開度に対応した基本燃料噴射量（基本燃料噴射時間）を算出する。ＣＰＵ３５１は、エアフローメータ１１、吸気温度センサ１２、水温センサ３４等の出力信号値等に基づいて前記基本燃料噴射時間を補正し、最終的な燃料噴射時間を決定する。
【０１０５】
燃料噴射時期を決定する場合は、ＣＰＵ３５１は、燃料噴射開始時期制御マップへアクセスし、前記機関回転数及び前記アクセル開度に対応した基本燃料噴射時期を算出する。ＣＰＵ３５１は、エアフローメータ１１、吸気温度センサ１２、水温センサ３４等の出力信号値をパラメータとして前記基本燃料噴射時期を補正し、最終的な燃料噴射時期を決定する。
【０１０６】
燃料噴射時間と燃料噴射時期とが決定されると、ＣＰＵ３５１は、前記燃料噴射時期とクランクポジションセンサ３３の出力信号とを比較し、前記クランクポジションセンサ３３の出力信号が前記燃料噴射開始時期と一致した時点で燃料噴射弁３に対する駆動電力の印加を開始する。ＣＰＵ３５１は、燃料噴射弁３に対する駆動電力の印加を開始した時点からの経過時間が前記燃料噴射時間に達した時点で燃料噴射弁３に対する駆動電力の印加を停止する。
【０１０７】
尚、燃料噴射制御において内燃機関１の運転状態がアイドル運転状態にある場合は、ＣＰＵ３５１は、水温センサ３４の出力信号値や、車室内用空調装置のコンプレッサのようにクランクシャフトの回転力を利用して作動する補機類の作動状態等をパラメータとして内燃機関１の目標アイドル回転数を算出する。そして、ＣＰＵ３５１は、実際のアイドル回転数が目標アイドル回転数と一致するよう燃料噴射量をフィードバック制御する。
【０１０８】
また、吸気絞り制御では、ＣＰＵ３５１は、例えば、ＲＡＭ３５３に記憶されている機関回転数とアクセル開度とを読み出す。ＣＰＵ３５１は、吸気絞り弁開度制御マップへアクセスし、機関回転数及びアクセル開度に対応した目標吸気絞り弁開度を算出する。ＣＰＵ３５１は、前記目標吸気絞り弁開度に対応した駆動電力を吸気絞り用アクチュエータ１４に印加する。その際、ＣＰＵ３５１は、吸気絞り弁１３の実際の開度を検出して、実際の吸気絞り弁１３の開度と目標吸気絞り弁開度との差分に基づいて前記吸気絞り用アクチュエータ１４をフィードバック制御するようにしてもよい。
【０１０９】
また、排気絞り制御では、ＣＰＵ３５１は、例えば、内燃機関１が冷間始動後の暖機運転状態にある場合や、車室内用ヒータが作動状態にある場合などに排気絞り弁２１を閉弁方向へ駆動すべく排気絞り用アクチュエータ２２を制御する。
【０１１０】
この場合、内燃機関１の負荷が増大し、それに対応して燃料噴射量が増量されることなる。その結果、内燃機関１の発熱量が増加し、内燃機関１の暖機が促進されるとともに、車室内用ヒータの熱源が確保される。
【０１１１】
また、ＥＧＲ制御では、ＣＰＵ３５１は、ＲＡＭ３５３に記憶されている機関回転数、水温センサ３４の出力信号（冷却水温度）、アクセル開度センサ３６の出力信号（アクセル開度）等を読み出し、ＥＧＲ制御の実行条件が成立しているか否かを判別する。
【０１１２】
上記したＥＧＲ制御実行条件としては、冷却水温度が所定温度以上にある、内燃機関１が始動時から所定時間以上連続して運転されている、アクセル開度の変化量が正値である等の条件を例示することができる。
【０１１３】
上記したようなＥＧＲ制御実行条件が成立していると判定した場合は、ＣＰＵ３５１は、機関回転数とアクセル開度とをパラメータとしてＥＧＲ弁開度制御マップへアクセスし、前記機関回転数及び前記アクセル開度に対応した目標ＥＧＲ弁開度を算出する。ＣＰＵ３５１は、前記目標ＥＧＲ弁開度に対応した駆動電力をＥＧＲ弁２６に印加する。一方、上記したようなＥＧＲ制御実行条件が成立していないと判定した場合は、ＣＰＵ３５１は、ＥＧＲ弁２６を全閉状態に保持すべく制御する。
【０１１４】
更に、ＥＧＲ制御では、ＣＰＵ３５１は、内燃機関１の吸入空気量をパラメータとしてＥＧＲ弁２６の開度をフィードバック制御する、いわゆるＥＧＲ弁フィードバック制御を行うようにしてもよい。
【０１１５】
ＥＧＲ弁フィードバック制御では、例えば、ＣＰＵ３５１は、アクセル開度や機関回転数等をパラメータとして内燃機関１の目標吸入空気量を決定する。その際、アクセル開度と機関回転数と目標吸入空気量との関係を予めマップ化しておき、そのマップとアクセル開度と機関回転数とから目標吸入空気量が算出されるようにしてもよい。
【０１１６】
上記した手順により目標吸入空気量が決定されると、ＣＰＵ３５１は、ＲＡＭ３５３に記憶されたエアフローメータ１１の出力信号値（実際の吸入空気量）を読み出し、実際の吸入空気量と目標吸入空気量とを比較する。
【０１１７】
前記した実際の吸入空気量が前記目標吸入空気量より少ない場合には、ＣＰＵ３５１は、ＥＧＲ弁２６を所定量閉弁させる。この場合、ＥＧＲ通路２５から吸気枝管８へ流入するＥＧＲガス量が減少し、それに応じて内燃機関１の気筒２内に吸入されるＥＧＲガス量が減少することになる。その結果、内燃機関１の気筒２内に吸入される新気の量は、ＥＧＲガスが減少した分だけ増加する。
【０１１８】
一方、実際の吸入空気量が目標吸入空気量より多い場合には、ＣＰＵ３５１は、ＥＧＲ弁２６を所定量開弁させる。この場合、ＥＧＲ通路２５から吸気枝管８へ流入するＥＧＲガス量が増加し、それに応じて内燃機関１の気筒２内に吸入されるＥＧＲガス量が増加する。この結果、内燃機関１の気筒２内に吸入される新気の量は、ＥＧＲガスが増加した分だけ減少することになる。
【０１１９】
次に、ＰＭ燃焼制御について説明する。
【０１２０】
ＰＭ燃焼制御では、ＣＰＵ３５１は、フィルタ２０に流入する排気中に燃料を添加する燃料添加制御を実行する。
【０１２１】
燃料添加制御では、ＣＰＵ３５１は、所定の周期毎に燃料添加制御実行条件が成立しているか否かを判別する。この燃料添加制御実行条件としては、例えば、フィルタ２０が活性状態にあるか、排気温度センサ２４の出力信号値（排気温度）が所定の上限値以下であるか、被毒解消制御が実行されていないか、等の条件を例示することができる。
【０１２２】
上記したような燃料添加制御実行条件が成立していると判定された場合は、ＣＰＵ３５１は、還元剤噴射弁２８から還元剤たる燃料を噴射させるべく流量調整弁３０を制御することにより、フィルタ２０に流入する排気の空燃比を一時的に所定の目標リッチ空燃比とする。
【０１２３】
この結果、フィルタ２０に流入する排気の空燃比は、比較的に短い周期でリーンとリッチとを交互に繰り返すことになる。そして、フィルタ２０に流入した燃料が触媒により燃焼し、この熱によりＰＭが着火燃焼することとなる。
【０１２４】
次に、吸蔵ＮＯｘ浄化制御では、ＣＰＵ３５１は、内燃機関１の運転状態が低回転低負荷のときにはＥＧＲガス割合を通常よりも大きくする低温燃焼を行い、低回転低負荷以外の運転条件のときには吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を比較的に短い周期でスパイク的（短時間）にリッチ空燃比とする、燃料添加制御を実行する。
【０１２５】
吸蔵ＮＯｘ浄化制御では、ＣＰＵ３５１は、所定の周期毎に吸蔵ＮＯｘ浄化制御実行条件が成立しているか否かを判別する。この吸蔵ＮＯｘ浄化制御実行条件としては、例えば、図５に示す吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の温度ウィンドウ内に排気温度センサ２４の出力信号値（排気温度）があるか、被毒解消制御が実行されていないか、等の条件を例示することができる。ここで、図５は、選択還元型ＮＯｘ触媒３７及び吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の床温とＮＯｘ浄化率を表す図である。図中ＮＯｘ浄化率の高い温度領域を温度ウィンドウと称している。
【０１２６】
また、ＣＰＵ３５１は、低温燃焼又は燃料添加制御のどちらでＮＯｘを還元するのかを選択するために、予めＲＯＭ３５２に記憶させておいた機関回転数とアクセル開度とをパラメータとしたマップにアクセスし、低温燃焼又は燃料添加制御を選択する。
【０１２７】
ここで、低温燃焼について説明する。
【０１２８】
従来より、内燃機関においてＮＯｘの発生を抑制するためにＥＧＲが用いられてきた。ＥＧＲガスは、比較的比熱比が高く、従って多量の熱を吸収することができるので、吸気中におけるＥＧＲガス割合が高くなるほど気筒２内における燃焼温度が低下する。燃焼温度が低下するとＮＯｘの発生量も低下するので、ＥＧＲガス割合が高くなればなるほどＮＯｘの排出量を低下させることができる。
【０１２９】
しかし、ＥＧＲガス割合を高くしていくとある割合以上で急激に煤の発生量が増大し始める。通常のＥＧＲ制御は煤が急激に増大し始めるよりも低いＥＧＲガス割合のところで行われている。
【０１３０】
ところが、更にＥＧＲガス割合を高くしていくと、上述したように煤が急激に増大するが、この煤の発生量にはピークが存在し、このピークを越えて更にＥＧＲガス割合を高くすると、今度は煤が急激に減少し始め、ついにはほとんど発生しなくなる。
【０１３１】
これは、燃焼室内における燃焼時の燃料及びその周囲のガス温度がある温度以下のときには炭化水素（ＨＣ）の成長が煤に至る前の途中の段階で停止し、燃料及びその周囲のガス温度がある温度以上になると炭化水素（ＨＣ）は一気に煤まで成長してしまうためである。
【０１３２】
従って、燃焼室内における燃焼時の燃焼及びその周囲のガス温度を炭化水素（ＨＣ）の成長が途中で停止する温度以下に抑制すれば煤は発生しなくなる。この場合、燃料及びその周囲のガス温度は、燃料が燃焼した際の燃料周りのガスの吸熱作用が大きく影響しており、燃料燃焼時の発熱量に応じて燃料周りのガスの吸熱量即ちＥＧＲガス割合を調整することによって煤の発生を抑制することが可能となる。
【０１３３】
低温燃焼を行うときのＥＧＲガス割合は、予め実験等により求めておきマップ化したものをＲＯＭ３５２に記憶させておく。このマップに基づいてＥＧＲフィードバック制御を行う。
【０１３４】
一方、煤に至る前に成長が途中で停止した炭化水素（ＨＣ）は、ＮＯｘ吸収剤等を用いて燃焼浄化することができる。
【０１３５】
このように、低温燃焼では、煤に至る前に成長が途中で停止した炭化水素（ＨＣ）をＮＯｘ吸収剤等により浄化することを基本としている。従ってＮＯｘ吸収剤等が活性化していないときには、炭化水素（ＨＣ）は浄化されずに大気中へ放出しされてしまうために低温燃焼を用いることはできない。
【０１３６】
また、気筒２内における燃焼時の燃料及びその周囲のガス温度を炭化水素（ＨＣ）の成長が途中で停止する温度以下に制御しうるのは燃焼による発熱量が少ない比較的機関負荷が低いときに限られる。
【０１３７】
従って、本実施の形態においては、内燃機関１が低回転低負荷で運転されているときで且つフィルタ２０に担持された吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の温度ウィンドウの領域内のときに限り低温燃焼制御を行うこととした。
【０１３８】
温度ウィンドウの領域内であるか否かは排気温度センサ２４の出力信号に基づいて判定することができる。
【０１３９】
このようにして、低温燃焼では、煤に代表されるＰＭの排出を抑制しつつ吸蔵還元型ＮＯｘ触媒へ還元剤たる炭化水素（ＨＣ）を供給でき、ＮＯｘを還元浄化することができる。
【０１４０】
また、燃料添加制御実行条件が成立していると判定された場合は、ＣＰＵ３５１は、還元剤噴射弁２８からスパイク的に還元剤たる燃料を噴射させるべく流量調整弁３０を制御することにより、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を一時的に所定の目標リッチ空燃比とする。
【０１４１】
具体的には、ＣＰＵ３５１は、ＲＡＭ３５３に記憶されている機関回転数、アクセル開度センサ３６の出力信号（アクセル開度）、エアフローメータ１１の出力信号値（吸入空気量）、燃料噴射量等を読み出す。更に、ＣＰＵ３５１は、前記した機関回転数とアクセル開度と吸入空気量と燃料噴射量とをパラメータとしてＲＯＭ３５２の還元剤添加量制御マップへアクセスし、排気の空燃比を予め設定された目標リッチ空燃比とする上で必要となる還元剤の添加量（目標添加量）を算出する。
【０１４２】
続いて、ＣＰＵ３５１は、前記目標添加量をパラメータとしてＲＯＭ３５２の流量調整弁制御マップへアクセスし、還元剤噴射弁２８から目標添加量の還元剤を噴射させる上で必要となる流量調整弁３０の開弁時間（目標開弁時間）を算出する。
【０１４３】
流量調整弁３０の目標開弁時間が算出されると、ＣＰＵ３５１は、流量調整弁３０を開弁させる。この場合、燃料ポンプ６から吐出された高圧の燃料が還元剤供給路２９を介して還元剤噴射弁２８へ供給されるため、還元剤噴射弁２８に印加される燃料の圧力が開弁圧以上に達し、還元剤噴射弁２８が開弁する。
【０１４４】
ＣＰＵ３５１は、流量調整弁３０を開弁させた時点から前記目標開弁時間が経過すると、流量調整弁３０を閉弁させる。この場合、燃料ポンプ６から還元剤噴射弁２８への還元剤の供給が遮断されるため、還元剤噴射弁２８に印加される燃料の圧力が開弁圧未満となり、還元剤噴射弁２８が閉弁する。
【０１４５】
このように流量調整弁３０が目標開弁時間だけ開弁されると、目標添加量の燃料が還元剤噴射弁２８から排気枝管１８内へ噴射されることになる。そして、還元剤噴射弁２８から噴射された還元剤は、排気枝管１８の上流から流れてきた排気と混ざり合って目標リッチ空燃比の混合気を形成して吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する。
【０１４６】
この結果、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比は、比較的に短い周期で「リーン」と「スパイク的な目標リッチ空燃比」とを交互に繰り返すことになり、以て、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が窒素酸化物（ＮＯｘ）の吸収と放出・還元とを交互に短周期的に繰り返すことになる。
【０１４７】
選択還元ＮＯｘ浄化制御では、ＣＰＵ３５１は、選択還元型ＮＯｘ触媒３７に流入する排気中に還元剤たる尿素を添加する尿素添加制御を実行する。
【０１４８】
尿素添加制御では、ＣＰＵ３５１は、所定の周期毎に尿素添加制御実行条件が成立しているか否かを判別する。この尿素添加制御実行条件としては、例えば、図５に示す選択還元型ＮＯｘ触媒の温度ウィンドウ内に排気温度センサ２４の出力信号値（排気温度）があるか等の条件を例示することができる。
【０１４９】
上記したような尿素添加制御実行条件が成立していると判定された場合は、ＣＰＵ３５１は、尿素添加制御弁３８から還元剤たる尿素を噴射させるべく尿素添加制御弁３８を制御することにより、選択還元型ＮＯｘ触媒３７に流入する排気中に尿素を添加する。
【０１５０】
具体的には、ＣＰＵ３５１は、ＲＡＭ３５３に記憶されている機関回転数、アクセル開度センサ３６の出力信号（アクセル開度）、エアフローメータ１１の出力信号値（吸入空気量）、ＮＯｘセンサ３９の出力信号値（ＮＯｘ濃度）等を読み出す。更に、ＣＰＵ３５１は、前記した機関回転数とアクセル開度と吸入空気量とＮＯｘ濃度とをパラメータとしてＲＯＭ３５２の尿素添加量制御マップへアクセスし、必要となる尿素の添加量（目標尿素添加量）を算出する。
【０１５１】
続いて、ＣＰＵ３５１は、前記目標尿素添加量をパラメータとしてＲＯＭ３５２の尿素添加制御弁制御マップへアクセスし、尿素添加制御弁３８から目標尿素添加量の尿素を噴射させる上で必要となる尿素添加制御弁３８の開弁時間（目標開弁時間）を算出する。
【０１５２】
尿素添加制御弁３８の目標開弁時間が算出されると、ＣＰＵ３５１は、尿素添加制御弁３８を開弁させる。
【０１５３】
ＣＰＵ３５１は、尿素添加制御弁３８を開弁させた時点から前記目標開弁時間が経過すると、尿素添加制御弁３８を閉弁させる。
【０１５４】
このように尿素添加制御弁３８が目標開弁時間だけ開弁されると、目標尿素添加量の尿素が尿素添加制御弁３８から排気管１９内へ噴射されることになる。そして、尿素添加制御弁３８から噴射された尿素は、排気管１９の上流から流れてきた排気と混ざり合って選択還元型ＮＯｘ触媒３７に流入しＮＯｘの選択還元が行われる。
【０１５５】
次に、本発明に係るＮＯｘ触媒選択制御について説明する。
【０１５６】
図５を参照すると明らかなように、選択還元型ＮＯｘ触媒３７と吸蔵還元型ＮＯｘ触媒との温度ウィンドウは一部重なっている領域がある。この温度ウィンドウが重なった領域では選択還元型ＮＯｘ触媒３７と吸蔵還元型ＮＯｘ触媒とのどちらのＮＯｘ触媒を選択しても高いＮＯｘ浄化率が得られる。
【０１５７】
しかし、この領域で吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が選択された場合には、内燃機関１が高回転高負荷の状態になるにつれて還元剤として添加する燃料の量が増加し、燃費の悪化を招くこととなる。そこで、本発明においては、温度ウィンドウが重なっている温度領域において予め定めた閾値を超える量の燃料が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に添加されたときには、ＮＯｘを浄化するための触媒を選択還元型ＮＯｘ触媒３７に切り替えることとした。即ち、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒への燃料添加を停止すると共に、選択還元型ＮＯｘ触媒３７に還元剤たる尿素の添加を行うこととした。
【０１５８】
具体的には、吸蔵ＮＯｘ浄化制御実行中で、且つ、燃料添加制御を実行すべく算出された還元剤の添加量（目標添加量）が閾値を超えるか否か判定を行う。
【０１５９】
この判定を行うためにＣＰＵ３５１はＲＡＭ３５３及びＲＯＭ３５２にアクセスし、還元剤の目標添加量及びその閾値を読み出し、比較する。
【０１６０】
また、低温燃焼制御実行中の場合には、そのときの気筒２内燃料噴射量と低温燃焼を行っていないとしたときの気筒２内燃料噴射量との偏差を還元剤の目標添加量として閾値と比較を行う。
【０１６１】
そして、還元剤の目標添加量が閾値を超えている場合には、前記吸蔵ＮＯｘ浄化制御を停止し、前記選択還元ＮＯｘ浄化制御を開始する。
【０１６２】
このときに、選択還元型ＮＯｘ触媒３７の床温が温度ウィンドウ内にあるという前提で制御を行っているが、確認のため排気温度センサ２４の出力信号値（排気温度）が選択還元型ＮＯｘ触媒３７の温度ウィンドウ内に入っていることを条件として加えてもよい。
【０１６３】
また、温度ウィンドウが重なった領域で吸蔵ＮＯｘ浄化制御が行われているときで低温燃焼が行われていないとき、即ち、燃料添加制御が行われているときには、選択還元ＮＯｘ浄化制御を行うようにしてもよい。これは、低温燃焼は燃料添加制御と比較すると燃料の消費量が少なくて済むからである。
【０１６４】
本実施の形態においては、燃料添加制御に代わり、前記内燃機関１の気筒２内へ機関出力のための燃料が主噴射された後の機関出力とはならない時期に再度燃料を噴射させる副噴射を行ってもよい。
【０１６５】
このようにするのは、主噴射のみにより空燃比をリッチ空燃比側へずらそうとするとスモーク等の問題が発生する虞れがあるからである。また、主噴射を増量すると燃料の燃焼が機関出力になるのでトルクの変動が発生し運転状態が悪化する。そこで、主噴射の後の機関出力に影響しにくい膨張行程等で副噴射を行い、空燃比をリッチ空燃比側へずらすことを行う。
【０１６６】
副噴射により噴射された燃料は気筒２内で燃焼し気筒２内のガスの酸素濃度を低下させる。気筒２内で燃焼したガスは排気となって排気管１９を通り吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に到達し、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に還元剤たる炭化水素（ＨＣ）を供給する。
【０１６７】
副噴射の量及び噴射時期は、アクセル開度と機関回転数と副噴射量又は副噴射時期との関係を予めマップ化しておきＲＯＭ３５２に記憶させておけば、そのマップとアクセル開度と機関回転数とから算出することができる。更に、パラメータとして内燃機関１の冷却水温度を加えてもよい。
【０１６８】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒及び選択還元型ＮＯｘ触媒を備え、どちらのＮＯｘ触媒においても高いＮＯｘ浄化率が得られる領域において、還元剤の必要量に基づいてＮＯｘ触媒を選択するので還元剤の消費量を低減することができる。
【０１６９】
よって、還元剤に燃料を用いている場合には燃料消費量の低減ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。
【図２】（Ａ）は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収メカニズムを説明する図である。（Ｂ）は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ放出メカニズムを説明する図である。
【図３】ＥＣＵの内部構成を示すブロック図である。
【図４】（Ａ）は、パティキュレートフィルタの横方向断面を示す図である。（Ｂ）は、パティキュレートフィルタの縦方向断面を示す図である。
【図５】選択還元型ＮＯｘ触媒及び吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の床温とＮＯｘ浄化率を表す図である。
【符号の説明】
１・・・・内燃機関
２・・・・気筒
３・・・・燃料噴射弁
４・・・・コモンレール
５・・・・燃料供給管
６・・・・燃料ポンプ
１８・・・排気枝管
１９・・・排気管
２０・・・パティキュレートフィルタ
２１・・・排気絞り弁
２３・・・空燃比センサ
２５・・・ＥＧＲ通路
２６・・・ＥＧＲ弁
２７・・・ＥＧＲクーラ
２８・・・還元剤噴射弁
２９・・・還元剤供給路
３０・・・流量調整弁
３１・・・遮断弁
３２・・・還元剤圧力センサ
３３・・・クランクポジションセンサ
３４・・・水温センサ
３５・・・ＥＣＵ
３６・・・アクセル開度センサ
３７・・・選択還元型ＮＯｘ触媒
３８・・・尿素添加制御弁
３９・・・ＮＯｘセンサ
３５１・・ＣＰＵ
３５２・・ＲＯＭ
３５３・・ＲＡＭ
３５４・・バックアップＲＡＭ
５０・・・排気流入通路
５１・・・排気流出通路
５４・・・隔壁

Claims

内燃機関の排気通路に設けられアンモニア由来の還元剤の存在下で窒素酸化物を選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒と、
内燃機関の排気通路に設けられ酸素過剰の雰囲気で排気中の窒素酸化物を吸蔵し酸素濃度が低下すると吸蔵した窒素酸化物を放出・還元する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、
前記選択還元型ＮＯｘ触媒に還元剤を供給する選択還元型ＮＯｘ触媒還元剤供給手段と、
前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に還元剤を供給する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒還元剤供給手段と、
を具備し、
前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に供給される還元剤の量が閾値を超えたときに前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒還元剤供給手段は還元剤の供給を停止し且つ選択還元型ＮＯｘ触媒還元剤供給手段が前記選択還元型ＮＯｘ触媒にアンモニア由来の還元剤を供給することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒還元剤供給手段は、前記内燃機関へ機関出力のための燃料が主噴射された後の機関出力とはならない時期に再度燃料を噴射させる副噴射であ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。
排気の一部を内燃機関の吸気系に再循環させるＥＧＲ装置を具備し、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒還元剤供給手段は、粒子状物質の発生量がピークとなるＥＧＲガス量よりも更に多くのＥＧＲガスを加えて燃料を燃焼させる低温燃焼であ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。
前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒還元剤供給手段は、内燃機関の排気通路に還元剤を添加する還元剤添加ノズルにより還元剤を添加す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。