JP3812302B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関から排出された排気を浄化するための排気浄化装置に関し、特に、酸素を過剰に含むリーンバーン排気中の窒素酸化物（ＮＯ_X）およびパティキュレート（排気微粒子，特に煤；ＰＭ）を浄化する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮着火を行うディーゼル内燃機関等では、ＣＯ₂の排出量が少ないという利点がある反面、ＮＯ_X及びこのＮＯ_Xとトレードオフの関係にあるＰＭの低減が大きな課題となっている。
【０００３】
このような課題に対し、特開平９−５３４４２号公報には、ＰＭを浄化するディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、単にＤＰＦと呼ぶ）の上流に酸化触媒、下流にＮＯ_X吸収触媒を配置し、上流の酸化触媒で排気中のＮＯをＮＯ₂に酸化してＤＰＦに供給し、このＮＯ₂を利用してＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼，除去するとともに、ＤＰＦの下流へ排出されるＮＯ_XをＮＯ_X吸収触媒で吸収，浄化する技術が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この特開平９−５３４４２号公報のものでは、酸化触媒におけるＮＯ→ＮＯ₂の酸化が活発な温度領域ではＰＭが連続的に燃焼，浄化されるものの、ＮＯ→ＮＯ₂反応が起こり難い状況、つまり酸化触媒が十分活性化していない温度領域等では、ＤＰＦへのＮＯ₂流入量が少なくなり、ＤＰＦにおけるＰＭの連続燃焼による自己再生が良好に行われない。このために、ＤＰＦのＰＭ堆積量が過度に増加し、ＰＭを良好に浄化できない、という事態が起こり得る。
【０００５】
本発明の一つの目的は、ＮＯ_Xの浄化とＰＭの浄化とを高いレベルで両立し得る新規な内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、請求項１に係る発明は、内燃機関の排気通路に配設される排気浄化装置であって、流入する排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、このパティキュレートフィルタよりも上流側に配設され、排気中のＮＯをＮＯ₂に酸化する機能を有する酸化触媒と、上記パティキュレートフィルタよりも上流側に配設され、流入する排気成分に応じて、排気中のＮＯ_Xをトラップするとともに、トラップしたＮＯ_Xを脱離する上流側ＮＯ_Xトラップ（例えば上流側ＮＯ_Xトラップ触媒）と、を有することを特徴としている。
【０００７】
このように、パティキュレートフィルタ（ディーゼルパティキュレートフィルタ；ＤＰＦ）の上流に、酸化触媒と上流側ＮＯ_Xトラップとを配置したため、上流側ＮＯ_Xトラップから脱離するＮＯ_Xの量を適宜に調整することにより、上流側ＮＯ_XトラップにトラップされているＮＯ_Xトラップ量を所望の範囲に調整できることに加え、ＤＰＦへ供給されるＮＯ₂の量を調整することが可能である。このため、例えば酸化触媒が所定の活性温度以下であり、この酸化触媒からのＮＯ₂の供給量が十分でないような条件下においても、ＤＰＦへのＮＯ₂の供給量を十分に確保することができ、このような高酸化力のあるＮＯ₂により、ＤＰＦに堆積するパティキュレート（ＰＭ）の燃焼反応を促進し、そのパティキュレート堆積量を効果的に低減することが可能である。このようにして、ＮＯ_Xトラップ量やＰＭ堆積量を所望の範囲に調整することにより、上流側ＮＯ_XトラップやＤＰＦを所望の性能が得られる状態に保持することができ、結果として、ＰＭとＮＯ_Xとを高いレベルで安定して浄化することが可能となる。
【０００８】
特に、上述したような深層濾過方式のＤＰＦでは、ＰＭ堆積量によって、ＰＭ浄化性能が大きく変化する。具体的には、ＰＭ堆積量が多すぎても少なすぎても、ＤＰＦにおけるＰＭ浄化性能が低下してしまう。従って、好ましくは請求項２に係る発明のように、上記パティキュレートフィルタに堆積しているパティキュレート推積量に基づいて、上記上流側ＮＯ_XトラップからのＮＯ_X脱離量を制御する。これにより、パティキュレート堆積量を所望の範囲に正確に調整することが可能となる。
【０００９】
より好ましくは請求項３に係る発明のように、上記上流側ＮＯ_XトラップにトラップされているＮＯ_Xトラップ量と、上記パティキュレートフィルタに堆積しているパティキュレート堆積量と、に基づいて、上記上流側ＮＯ_XトラップからのＮＯ_X脱離量と、上記パティキュレートフィルタへ供給されるＮＯ₂供給量と、を制御する。これにより、ＮＯ_Xトラップ量及びパティキュレート堆積量を所望の範囲に正確に調整することができる。
【００１０】
このようにＮＯ_X脱離量やＮＯ₂供給量を制御するために、例えば上流側ＮＯ_Xトラップへ流入する排気の空燃比（空気過剰率）が調整され、あるいは排気中の還元成分濃度が調整される。より具体的には、主燃料の噴射後に副燃料が噴射制御され（ｐｏｓｔ噴射）、ＥＧＲ率が調整され、上流側ＮＯ_Xトラップの上流側にバーナが配置され、あるいはバーナの使用と共に追加燃料が噴射制御される。
【００１１】
上記のＰＭ堆積量を直接的に検出することは難しいので、好ましくは請求項４に係る発明のように、上記パティキュレートフィルタの入口の排圧を検出する排圧検出手段を有し、この排圧検出手段により検出される排圧に基づいて、上記パティキュレート堆積量を推定する。
【００１２】
また請求項１に係る発明では、所定のＮＯ_Ｘ低減条件のときに、主として上記上流側ＮＯ_ＸトラップにトラップされているＮＯ_Ｘトラップ量を低減させるＮＯ_Ｘ低減運転を行うとともに、所定のパティキュレート低減条件のときに、主としてパティキュレートフィルタに堆積しているパティキュレート堆積量を低減させるパティキュレート低減運転を行う。
【００１３】
上記のＮＯ_X低減運転を行う場合には、上述した排気のリッチ化等により上流側ＮＯ_XトラップからのＮＯ_X脱離量を増やせば良い。一方、ＰＭ低減運転を行う場合、上流側ＮＯ_XトラップからのＮＯ_X脱離量を単に増加させても、この脱離したＮＯ₂が高効率でＮ₂に浄化されてしまうと、ＤＰＦへのＮＯ₂供給量をあまり増加させることができない。
【００１４】
そこで請求項１に係る発明では、上記ＮＯ_Ｘ低減運転を行う場合、上記上流側ＮＯ_Ｘトラップへ流入する排気の空気過剰率を１よりも小さくし、上記パティキュレート低減運転を行う場合、上記空気過剰率を略１とする。
【００１５】
これにより、空気過剰率λが１よりも十分に小さい場合（λ＜＜１）、つまりスパイク深さが十分に深い場合、還元雰囲気下にある上流側ＮＯ_XトラップからのＮＯ_Xの脱離が十分に促進されるとともに、排気中に含まれる還元成分（ＨＣ，ＣＯ）の量が多いため、ＮＯ_Xの浄化が促進される。
【００１６】
一方、上記空気過剰率が略１の場合（λ≒１）、つまりスパイク深さが相対的に浅い場合、還元雰囲気下にある上流側ＮＯ_XトラップからのＮＯ_Xの脱離が促進される一方、排気中に含まれる還元成分の量が比較的抑制される。従って、ＮＯ_XからＮ₂への浄化反応が抑制され、その分、ＤＰＦへ供給されるＮＯ₂の量が増える。この結果、十分な量のＮＯ₂をＤＰＦへ供給することができ、ＰＭ堆積量を効果的に低減させることが可能となる。
【００１７】
あるいは請求項７に係る発明のように、上記上流側ＮＯ_Xトラップは、流入する排気の還元成分濃度が低いときにＮＯ_Xをトラップし、上記還元成分濃度が高いときにＮＯ_Xを脱離する還元成分濃度変動型のＮＯ_Xトラップであり、上記ＮＯ_X低減運転を行う場合、上記パティキュレート低減運転を行う場合に比して、上記還元成分濃度を大きくする。
【００１８】
この場合、還元成分としてのＨＣやＣＯ等の濃度を変動させることにより、上流側ＮＯ_XトラップからのＮＯ_X脱離量及びＤＰＦへのＮＯ₂供給量を調整することができ、請求項６のように排気中の空気過剰率を必ずしも変化させる必要がないことから、燃費悪化を抑制することが可能となる。
【００１９】
この還元成分濃度変動型の上流側ＮＯ_Xトラップは、好ましくは請求項８に係る発明のように、カリウム、ナトリウム、リチウム、セシウムからなるアルカリ金属、バリウム、カルシウム、ストロンチウムからなるアルカリ土類金属、ランタン、イットリウム、プラセオジウム、ネオジウム、サマリウムからなる希土類、マンガン、鉄、ニッケル、コバルトから選ばれた少なくとも一つと、白金、パラジウム、ロジウムから選ばれた少なくとも一つとを含んでいる。
【００２０】
好ましくは請求項９に係る発明のように、上記ＮＯ_X低減条件が、上記ＮＯ_Xトラップ量が所定の飽和量以上であることを含んでおり、上記パティキュレート低減条件が、上記パティキュレート堆積量が所定の下限値を越えていることを含んでいる。つまり、ＮＯ_Xトラップ量が飽和状態にあるときにＮＯ_X低減運転を実行し、パティキュレート堆積量が少なすぎる場合にはＰＭ低減運転を行わない。
【００２１】
また請求項１０に係る発明では、上記パティキュレート低減条件が、上記酸化触媒へ流入する排気温度が所定の活性温度以下であることを含んでいる。つまり、酸化触媒が所定の活性温度以下であり、この酸化触媒でＮＯ→ＮＯ₂の反応が起き難いような運転状態の場合にも、供給されるＮＯ₂を利用してＰＭ堆積量を低減させるＰＭ低減運転を行うことができる。
【００２２】
請求項１１に係る発明は、上記ＮＯ_X低減運転を行う場合、その直前に、上記上流側ＮＯ_Xトラップへ流入する排気の温度を所定の触媒活性温度以上に上昇させることを特徴としている。
【００２３】
この場合、ＮＯ_X低減運転を行う直前に排気温度を上昇させて、上流側ＮＯ_Xトラップを活性温度に上昇させることで、ＮＯ_X低減運転中のＮＯ_X浄化率の向上を図ることができる。
【００２４】
請求項１２に係る発明は、上記パティキュレートフィルタの下流側に配設され、流入する排気成分に応じて、排気中のＮＯ_Xをトラップするとともに、トラップされているＮＯ_Xを脱離する下流側ＮＯ_Xトラップ（例えば下流側ＮＯ_Xトラップ触媒）を有することを特徴としている。
【００２５】
この場合、ＤＰＦの下流側に排出されるＮＯ_Xを下流側ＮＯ_Xトラップでトラップ，浄化することができるため、外部へ排出されるＮＯ_Xをより確実に低減することができる。
【００２６】
請求項１３に係る発明は、上記パティキュレートフィルタの芯部材上に、上記酸化触媒の成分と上記上流側ＮＯ_Xトラップの成分とを含む触媒層が設けられていることを特徴としている。
【００２７】
この場合、パティキュレートフィルタの筐体内に酸化触媒と上流側ＮＯ_X触媒とが収容されることとなるため、装置の簡素化，小型化を図ることができる。また、パティキュレートフィルタを加熱することにより酸化触媒と上流側ＮＯ_Xトラップも同時に加熱される形となるため、活性化に必要な熱容量の低減化を図ることもできる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、パティキュレートフィルタの上流に酸化触媒及び上流側ＮＯ_Xトラップを配置しているため、上流側ＮＯ_XトラップからのＮＯ_X脱離量を調整することにより、この上流側ＮＯ_XトラップのＮＯ_Xトラップ量を調整できることに加え、パティキュレートフィルタへ供給されるＮＯ₂の量を調整することが可能で、このＮＯ₂を利用したパティキュレートフィルタの燃焼反応を促進することができる。このため、上流側ＮＯ_XトラップのＮＯ_Xトラップ量やパティキュレートフィルタのパティキュレート堆積量を適正な範囲に保持することが可能で、この結果、ＮＯ_Xの浄化とパティキュレートの浄化とを高いレベルで両立することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る排気浄化装置を、直列４気筒のディーゼル内燃機関の排気通路に適用した実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００３０】
図１は、本発明の第１実施例に係る排気浄化装置を示す構成図である。この内燃機関（エンジン）１は、いわゆるコモンレール型の燃料噴射装置２を備えており、一方の側面に、吸気マニホールド３と排気マニホールド４とが上下に重ねて配置されている。排気マニホールド４に連なる排気管（排気通路）５には、上流側より順に、後述するＮＯ_X浄化触媒７とディーゼルパーティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）９とが配設されている。ＮＯ_X浄化触媒７の入口には、流入する排気温度を検出する排気温度センサ６が設けられ、ＤＰＦ９の入口には、排圧（背圧）を検出する排圧センサ８が設けられている。
【００３１】
また、排気管５から吸気マニホールド３へ排気の一部を還流させる排気還流通路１０が設けられており、この排気還流通路１０に、排気還流率を調整する例えば電子制御型の排気還流制御弁（ＥＧＲバルブ）１１が介装されている。更に、排気を利用して吸気管１２内の吸気を予圧する可変ノズル式のターボ過給機１３が設けられている。このターボ過給機１３は、過給効率を変化させて過給圧を調整可能であって、このターボ過給機１３の下流側に、水冷式もしくは空冷式のインタークーラ１４が設けられている。
【００３２】
制御ユニット（エンジンコントロールユニット）１５は、各種演算処理を記憶，実行するメモリ，ＣＰＵ等を備えた周知のコンピュータシステムであって、上記のセンサ６，８の他、機関回転数Ｎｅを検出するエンジン回転数センサ１６や、アクセル開度Ｌを検出するアクセル開度センサ１７等の機関運転状態を検出する各種センサが接続されており、これら各種センサからの検出信号等に基づいて、様々なエンジン制御を行う。つまり制御ユニット１５は、アクセル開度Ｌや機関回転数Ｎｅ等に基づいて、燃料の噴射時期及び噴射量を演算し、その演算結果に基づいて燃料噴射装置２を駆動制御し、同様に、機関運転状態に応じて排気還流制御弁１１やターボ過給機１３を駆動制御して、排気還流率（ＥＧＲ率）や過給圧を制御する。
【００３３】
上記のＮＯ_X浄化触媒７は、機関排気中のＨＣ，ＣＯを高い効率で酸化して浄化するとともに、機関排気中のＮＯを酸化してＮＯ₂を生成する酸化触媒としての機能と、流入する排気成分に応じて、排気中のＮＯ_Xをトラップするとともに、トラップしたＮＯ_Xを脱離する上流側ＮＯ_Xトラップ触媒としての機能を併せ持っている。つまり、ＮＯ_X浄化触媒７は、酸化触媒の機能を有する上流側ＮＯ_Xトラップ触媒と言い換えることもできる。
【００３４】
このＮＯ_X浄化触媒７は、例えばコージェライト製のモノリス担体上に、酸化触媒の成分とＮＯ_Xトラップ触媒の成分とを混ぜてコーティングさせたものである。なお、それぞれを層別にコーティングしてもよい。酸化触媒としては、例えばＰｔ、Ｐｄ等の貴金属成分を担持した活性アルミナが用いられる。ＮＯ_Xトラップ触媒としては、後述する第３実施例と同様の還元成分濃度変動型のＮＯ_Xトラップ触媒を用いることもできる。
【００３５】
ＤＰＦ９は、排気中のＰＭを捕集し、捕集したＰＭを排気中のＮＯ₂と反応させるＰＭの捕集・処理用のフィルタであり、一端が閉塞した中空円筒形状で深層濾過方式のものが用いられている。具体的には、周面部分に多数の孔を設けた有底円筒状をなす芯部材と、この芯部材にセラミックファイバーを幾層にも巻き回して形成される外層部とで構成されており、底部として閉塞されている端部が下流側となるように配置され、芯部材の他方の開口端から排気が導入されるように取り付けられている。従って、排気は内層部から外層部へと半径方向外周側へ流れ、排気中のＰＭがセラミックファイバーによって捕集される。なおＤＰＦ９としては、このタイプのものに限らず、従来より公知のニット状のファイバー、もしくはセラミックフォームタイプのもの、あるいはこれらを組み合わせて用いてもよい。
【００３６】
このＤＰＦ９に用いるセラミックファイバーの性質について述べると、一般的にセラミックファイバーは、単位容積当りに用いる繊維表面積が非常に大きい（約１００００ｃｍ²／ｃｃ）のが一つの特徴である。これは、例えば一般的な触媒の担体に用いるコージェライト製のモノリス担体の単位容積当りの表面積（約２０〜３０ｃｍ²／ｃｃ）と比べて圧倒的に大きく、つまり、少ない容積で大きな表面積が得られるため、触媒化には好適な材料である。
【００３７】
図２は、この第１実施例に係る制御の流れを示すフローチャートで、このルーチンは、上記の制御ユニット１５により所定時間毎に繰り返し実行される。
【００３８】
Ｓ（ステップ）１では、エンジン運転状態を読み込む。具体的には、エンジン回転数センサ１６から機関回転数Ｎｅを、アクセル開度センサ１７からアクセル開度Ｌを、排圧センサ８から排圧Ｐｆを読み込む。Ｓ２では、機関回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｌ等に基づいて、燃料噴射量Ｑを演算する。Ｓ３では、上流側ＮＯ_Xトラップ触媒７にトラップされているＮＯ_Xトラップ量を算出する。このＮＯ_Xトラップ量は、例えば特許公報２６００４９２号公報の第６頁に記載されているように、エンジン回転数Ｎｅの積算値から推測することができる。
【００３９】
Ｓ４では、ＤＰＦ９に堆積するＰＭ堆積量を検知する。ＤＰＦ９のＰＭ堆積量を直接検知することは困難であるので、この実施例では、排圧センサ８により検出されるＤＰＦ９の入口の排圧に基づいて、ＰＭ堆積量を推定している。なお、吸入空気量に基づいて上記の排圧を推定するようにしても良い。ＤＰＦ９の入口の排圧は、ＰＭ堆積量以外の因子によっても変化し、例えば触媒７へ流入する排気量が増えれば排圧も上昇する。このため、実際には、図３，４に示すようなＰＭ堆積量推定用のマップを参照して、ＰＭ堆積量の上限値ＡＣＣ２や下限値ＡＣＣ１に対応する排圧を、機関回転数Ｎｅ及び燃料噴射量Ｑに基づいて推定する。
【００４０】
Ｓ５ではＤＰＦ９の強制再生運転状態フラグｒｅｇ．が０であるかを判定する。このフラグｒｅｇ．が１の場合はＳ２５へ進み、後述する強制再生運転を続行する。Ｓ６では、ＤＰＦ９ヘのＰＭ堆積量が所定の上限値ＡＣＣ２未満であるかを判定する。実際には、現在の機関回転数Ｎｅ及び燃料噴射量Ｑに基づいて図３のマップを参照することにより、ＰＭ堆積量の上限値ＡＣＣ２に対応する排圧上限値を算出し、現在の排圧値Ｐｆが排圧上限値未満であるかを判定する。
【００４１】
Ｓ７では、主にＤＰＦ９に堆積しているＰＭ堆積量を低減するためのスライトリッチ運転（ＰＭ低減運転）の状態フラグｒｉｃｈ１が０であるかを判定する。このフラグｒｉｃｈ１が１の場合はＳ１４へ進み、スライトリッチ運転を続行する。Ｓ８では、上流側ＮＯ_Xトラップ触媒７にトラップされているＮＯ_Xトラップ量を低減するためのリッチ運転（ＮＯ_X低減運転）の状態フラグｒｉｃｈ２が０であるかを判定する。このフラグｒｉｃｈ２が１の場合にはＳ２０へ進み、リッチ運転を続行する。Ｓ８ａでは、排気温度センサ６で検出される排気温度Ｔが所定の活性温度Ｔｓ（図８）以下であるかを判定する。なお、このＳ８ａは省略することも可能である。
【００４２】
Ｓ９では、上流側ＮＯ_Xトラップ触媒７に流入する排気の空気過剰率λが１以下のリッチ運転状態が可能であるかを判定する。ディーゼルエンジン等では、理論空燃比よりも希薄な空燃比で通常の運転が行われているため、図５に示すように、アイドル等の低回転低負荷条件のように燃焼が不安定となる運転領域で、リッチ運転が成立しない場合がある。このため、Ｓ９においてリッチ運転が可能でないと判定されれば、本ルーチンを終了する。
【００４３】
Ｓ１０では、ＤＰＦ９のＰＭ堆積量が所定の下限値ＡＣＣ１より多いかを判定する。実際には、現在の機関回転数Ｎｅ及び燃料噴射量Ｑに基づいて図４のマップを参照することにより、下限値ＡＣＣ１に対応する排圧下限値を決定し、現在の排圧値Ｐｆが上記の排圧下限値を越えているかを判定する。
【００４４】
Ｓ１１では、Ｓ３で算出されるＮＯ_Xトラップ量に基づいて、ＮＯ_X浄化触媒（上流側ＮＯ_Xトラップ触媒）７に所定量Ｎ２’以上のＮＯ_Xがトラップされているかを判定する。ＮＯ_Xトラップ量が所定量Ｎ２’未満であれば、ＰＭ堆積量やＮＯ_Xトラップ量を低減する必要がないと判断して、本ルーチンを終了する。
【００４５】
上記Ｓ５〜Ｓ１１の条件（ＰＭ低減条件）を全て満たしていれば、Ｓ１２へ進み、主にＤＰＦ９に堆積しているＰＭ堆積量を低減させるスライトリッチ運転を開始する。より具体的には、浅いリッチスパイクを入れることにより、空気過剰率が略１のスライトリッチ運転を所定時間行い、上流側ＮＯ_Xトラップ触媒７からＮＯ₂の形で脱離するＮＯ₂をＤＰＦ９へ積極的に供給し、この高酸化力のあるＮＯ₂を酸化剤として、ＤＰＦ９に堆積しているＰＭの連続燃焼反応を促進し、ＰＭ堆積量の低減化を図る。
【００４６】
この点について、図６の特性図を参照して詳述する。図６（ａ）は、上流側ＮＯ_Xトラップ触媒７から脱離するＮＯ_X濃度を示し、図６（ｂ）は、上流側ＮＯ_Xトラップ触媒７へ流入する排気の空気過剰率λを示している。排気中の空気過剰率λ（空燃比，あるいはリッチスパイクの深さ）の変化に応じて、上流側ＮＯ_Xトラップ触媒７から脱離するＮＯ_Xの量が変化するとともに、ＤＰＦ９へ供給されるＮＯ₂の供給量も大きく変化する。図６（１）に示すように、空気過剰率λが１よりも十分に小さい（スパイク深さが深い）場合、還元雰囲気下にある上流側ＮＯ_Xトラップ触媒７からのＮＯ_Xの脱離が促進されるとともに、排気中の空燃比が大きくリッチ化し、還元剤（還元成分）として働くＣＯ，ＨＣの排出量が多くなるため、この還元剤を用いて脱離したＮＯ_Xが高効率で浄化される。従って、最終的にＤＰＦ９へ供給されるＮＯ₂の量は比較的少なくなる。
【００４７】
一方、図６（２）に示すように、空気過剰率λが略１の場合、つまりスパイク深さが浅い場合、還元雰囲気下にある上流側ＮＯ_Xトラップ触媒７からのＮＯ_Xの脱離が促進される一方で、排気の空燃比が略ストイキとなり、還元剤の量が相対的に少なくなるために、脱離したＮＯ_XがＮ₂に浄化される割合が少なくなり、言い換えると、ＤＰＦ９へ供給されるＮＯ₂の量が相対的に多くなる。このため、ＮＯ₂を利用したＤＰＦ９のＰＭ連続燃焼が促進され、ＰＭ堆積量が効率的に低減される。
【００４８】
ここで、上記のＳ８ａ及び図７，８に示すように、酸化触媒に流入する排気温度Ｔが活性温度Ｔｓ（例えば３００℃）を越えている場合、酸化触媒の作用によりＰＭ連続燃焼（自己再生）に必要な量のＮＯ₂がＤＰＦへ供給される。しかしながら、活性温度Ｔｓ以下の場合には、酸化触媒からＤＰＦへ十分な量のＮＯ₂が供給されず、そのままではＰＭの連続燃焼反応が行われない。そこで本実施例では、このようにＤＰＦへのＮＯ₂の供給量が不足するような運転状態のときに、スライトリッチ運転を行う。これにより、このような状況においても、ＤＰＦへ十分な量のＮＯ₂が供給され、ＰＭ堆積量の低減化を図ることができる。
【００４９】
これに対し、特開平９−５３４４２号公報の装置のように、ＤＰＦの上流側にＮＯ_Xトラップ触媒が設けられていない構成の場合、酸化触媒が活性化しないような状況下において、ＤＰＦのＰＭ堆積量を低減するためには、ｐｏｓｔ噴射等によって排気温度をＤＰＦの自己燃焼温度である６００℃程度まで上昇させる強制再生を実施しなければならないので、燃費悪化等を招聘してしまう。
【００５０】
なお、上記のように排気の空燃比を一時的にリッチ化する手法としては、例えば特開平９−５３４４２号公報の第４頁に記載されているように、主燃料の噴射後に副燃料を後噴射するｐｏｓｔ噴射を行うことや、吸気絞り弁やスロットルチャンバを利用して必要な空気量だけをエンジンに送り込む制御を行うこと等が挙げられる。
【００５１】
続く、Ｓ１３では、スライトリッチ運転が続行中であることを示すために、上記フラグｒｉｃｈ１を１にする。このλ≒１のスライトリッチ運転が所定時間ｔ１経過すると、Ｓ１４からＳ１５へ進み、スライトリッチ運転を終了する。具体的には、排気の空燃比を通常のリーン状態へ復帰させる。このスライトリッチ運転時間ｔ１は、後述するリッチ運転時間ｔ２に比して長くなる傾向にある。
【００５２】
上記のＳ１０において、ＤＰＦ９のＰＭ堆積量が所定の下限値ＡＣＣ１を越えていないと判定され、かつ、Ｓ１７において、Ｓ３で算出された上流側ＮＯ_Xトラップ触媒７のＮＯ_Xトラップ量が所定の飽和量Ｎ２に達していると判定された場合、つまりＮＯ_Xトラップ量を低減すべき条件にある場合、主に上流側ＮＯ_Xトラップ触媒７にトラップされているＮＯ_Xを低減するためのリッチ運転を開始する。なお、Ｓ１７における飽和量Ｎ２は、上述したＳ１１における所定量Ｎ２’と同じか、あるいは大きく設定されている。
【００５３】
より具体的には、図６の（１）に示すように、深いリッチスパイクを入れることにより、上流側ＮＯ_Xトラップ触媒７へ流入する排気の空燃比を一時的にリッチ側へ大きく変化させて（空気過剰率λ＜＜１）、上流側ＮＯ_Xトラップ触媒７にトラップされたＮＯ_Xを積極的に脱離させる。
【００５４】
このように排気の空燃比を一時的にリッチ化する手法としては、上述したように、ｐｏｓｔ噴射を行うことや、吸気絞り弁やスロットルチャンバを利用して必要な吸入空気量だけを機関に送り込む制御を行うことや、燃料噴射量を一時的に増量制御すること等が挙げられる。
【００５５】
続くＳ１９では、λ＜＜１のリッチ運転が続行中であることを示すために、上記フラグｒｉｃｈ２を１にする。このリッチ運転が所定時間ｔ２を経過すると、Ｓ２０からＳ２１へ進み、リッチ運転を終了する。つまり、排気の空燃比を通常のリーン状態へ復帰させる。そして、Ｓ２２において、上記のフラグｒｉｃｈ２を０に戻し、本ルーチンを終了する。
【００５６】
上記のＳ６において、ＤＰＦ９のＰＭ堆積量が上限値ＡＣＣ２以上であり、ＮＯ₂を用いたＰＭ連続燃焼だけでは排圧上昇を回避できず、ＰＭ堆積量をより確実に減らす必要があると判定された場合には、Ｓ２３へ進み、強制的にＤＰＦ９を再生する強制再生運転を開始する。具体的には、吸入空気量やＥＧＲ率を制御したり、ｐｏｓｔ噴射を行う等によって、ＤＰＦ９へ流入する排気温度をＰＭの自己燃焼温度である６００℃程度まで上昇させる。
【００５７】
続くＳ２４では、強制再生運転が続行中であることを示すために、上記フラグｒｅｇ．を１とする。この強制再生運転が所定時間ｔ３経過したと判定されると、Ｓ２５からＳ２６へ進み、強制再生運転を終了する。そして、Ｓ２７において、上記のフラグｒｅｇ．を０に戻し、本ルーチンを終了する。
【００５８】
このように本実施例では、ＰＭ堆積量が下限値ＡＣＣ１から上限値ＡＣＣ２までのＰＭ連続燃焼可能範囲内にあり、酸化触媒が活性化しておらず、かつ、上流側ＮＯ_Xトラップ触媒７にＮＯ_Xがある程度（Ｎ２’）トラップされているような場合には、空気過剰率λ≒１のスライトリッチ運転が所定時間ｔ１行われる。これにより、上流側ＮＯ_Xトラップ触媒７からＮＯ_Xが脱離してＮＯ_Xトラップ量が低減されるとともに、脱離したＮＯ_XがＮＯ₂の形で下流側のＤＰＦ９へ十分に供給され、この酸化力の強いＮＯ₂でＤＰＦ９に堆積しているＰＭが効率よく燃焼され、ＰＭ堆積量を効果的に低減することができる。
【００５９】
また、ＰＭ堆積量が下限値ＡＣＣ１に達しておらず、かつ、ＮＯ_Xトラップ量が飽和量Ｎ２に達しているような場合には、空気過剰率＜＜１のリッチ運転が所定時間ｔ２行われる。これにより、還元雰囲気内で上流側ＮＯ_Xトラップ触媒７から良好にＮＯ_Xが脱離し、ＮＯ_Xトラップ量が低減されるとともに、この脱離したＮＯ_Xが還元剤を用いて高効率で浄化される。
【００６０】
このようにリッチ運転を行う場合、脱離したＮＯ_Xが高効率で浄化されるため、上記のスライトリッチ運転を行う場合に比して、下流側のＤＰＦ９へ供給されるＮＯ₂の量は少なくなる。しかしながら、微粒子を捕捉するＤＰＦが本実施例のように深層濾過方式の場合、ＤＰＦ９のＰＭ堆積量が少なすぎる、つまり下限値ＡＣＣ１以下であると、かえってＰＭ浄化率が低下してしまうので、ＰＭ堆積量を増加させる必要があり、この点からも、上記のようにＤＰＦ９へ供給されるＮＯ₂の量が少なくなる方が良い。
【００６１】
このように本実施例では、ＤＰＦ９のＰＭ堆積量や上流側ＮＯ_Xトラップ触媒７のＮＯ_Xトラップ量に応じて、上流側ＮＯ_Xトラップ触媒７へ流入する排気中の空気過剰率を制御することにより、必要に応じて上流側ＮＯ_Xトラップ触媒７のＮＯ_Xトラップ量を有効に低減できるとともに、ＤＰＦ９のＰＭ堆積量を適宜に調整することができる。この結果、ＮＯ_X及びＰＭの双方を高いレベルで浄化することができる。
【００６２】
更に、ＰＭ堆積量が上限値ＡＣＣ２以上の場合には、上流側ＮＯ_Xトラップ触媒７のＮＯ_Xトラップ量にかかわらず、ＤＰＦ９へ流入する排気温度をＰＭ自己燃焼温度（約６００℃）程度まで上昇させる等により、ＤＰＦ９に堆積しているＰＭ堆積量を強制的に低減させる強制再生運転が所定時間ｔ３行われるため、確実にＰＭ堆積量を低減することができる。
【００６３】
図９は本発明の第２実施例に係る制御の流れを示すフローチャートの一部であり、図２に示すフローチャートに対し、Ｓ１７ａとＳ１７ｂとが追加されている。つまり、Ｓ１８においてリッチ運転（ＮＯ_X低減運転）を行う直前に、Ｓ１７ａにおいて、上流側ＮＯ_Xトラップ触媒７へ流入する排気温度Ｔが、このＮＯ_Xトラップ触媒が活性化する活性温度Ｔ１（≒Ｔｓ）を越えているかを判定する。越えていなければ、Ｓ１７ｂにおいて、触媒昇温手段を作動させて、上流側ＮＯ_Xトラップ触媒７の温度を活性温度Ｔ１を越えるまで上昇させる。これにより、リッチ運転を行う際のＮＯ_X浄化率が更に向上する。この触媒昇温手段としては、吸気絞り弁等により吸入空気量を制御することや、ｐｏｓｔ噴射を行うこと等が挙げられる。
【００６４】
図１０は、本発明の第３実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を示す概略構成図である。この第３実施例では、排気通路５におけるＤＰＦ９の下流側に、下流側ＮＯ_Xトラップ触媒２１が配設されている点で、上記第１実施例と異なっている。つまり、ＤＰＦ９の上流に上流側ＮＯ_Xトラップ触媒２０が配設されるとともに、ＤＰＦ９の下流に下流側ＮＯ_Xトラップ触媒２１が配置されている。
【００６５】
下流側ＮＯ_Xトラップ触媒２１は、第１実施例の上流側ＮＯ_Xトラップ触媒７と同様、流入する排気成分に応じて、排気中のＮＯ_Xをトラップするとともに、トラップしたＮＯ_Xを脱離するようになっている。
【００６６】
また、上流側ＮＯ_Xトラップ触媒２０は、流入する排気ガスの還元成分濃度が低いときにＮＯ_Xをトラップし、流入する排気ガスの還元成分濃度が高いときにＮＯ_Xを脱離，浄化する還元成分濃度変動型のＮＯ_Xトラップ触媒となっている。つまり、この上流側ＮＯ_Xトラップ触媒２０は、本出願人が先に出願した特願平１０−３１９６８９号に記載されているものと同様、Ｌａ等を主成分としており、ＨＣの濃度変動に応じてＮＯ_Xをトラップ又は脱離する特性を有している。より具体的には、上流側ＮＯ_Xトラップ触媒２０は、カリウム、ナトリウム、リチウム、セシウムからなるアルカリ金属、バリウム、カルシウム、ストロンチウムからなるアルカリ土類金属、ランタン、イットリウム、プラセオジウム、ネオジウム、サマリウムからなる希土類、マンガン、鉄、ニッケル、コバルトから選ばれた少なくとも一つと、白金、パラジウム、ロジウムから選ばれた少なくとも一つとを含んでいる。
【００６７】
このような還元成分濃度変動型の上流側ＮＯ_Xトラップ触媒２０では、ＮＯ_X脱離時の還元成分濃度（ＨＣ濃度）が高くなると、脱離したＮＯ_Xの浄化率が高くなって、ＤＰＦへ供給されるＮＯ₂の量が相対的に減少し、逆に還元成分濃度が低くなると、脱離したＮＯ_Xの浄化率が低くなり、ＤＰＦへ供給されるＮＯ₂供給量が相対的に増加する。このような特性を利用し、排気中の還元成分濃度を調整することによって、第１実施例と同様、ＮＯ_Xトラップ量及びＰＭ堆積量の双方を効果的に調整することができる。
【００６８】
また、ＤＰＦ９の下流に下流側ＮＯ_Xトラップ触媒２１を配置することで、ＤＰＦ９の下流に排出されるＮＯ_Xをトラップ・浄化することができるため、ＮＯ_X浄化性能が一段と向上する。
【００６９】
図１１は、この第３実施例の制御の流れを示すフローチャートで、このルーチンは、制御ユニット１５により所定時間毎に繰り返し実行される。なお、図２の第１実施例と実質的に同じステップについては適宜説明を省略する。
【００７０】
Ｓ３１〜Ｓ３６は、図２のＳ１〜Ｓ６とほぼ同様である。なお、Ｓ３３では、上流側ＮＯ_Xトラップ触媒２０及び下流側ＮＯ_Xトラップ触媒２１の双方のＮＯ_Xトラップ量が算出される。また、Ｓ３６において、ＰＭ堆積量が上限値ＡＣＣ２以上であると判定された場合には、Ｓ５３以降へ進み、ＰＭ堆積量を強制的に低減する強制再生制御が行われる。このＳ５３〜５７は、図２のＳ２３〜２７とほぼ同様である。
【００７１】
Ｓ３７では、主にＤＰＦ９のＰＭ堆積量を低減するためのＰＭ低減運転である還元成分濃度変動運転（ＨＣ変動運転）の状態を表すフラグＨＣ１が０であるかを判定する。フラグＨＣ１が０でない（１である）と判定された場合には、Ｓ４５へ進み、ＨＣ変動運転を続行する。
【００７２】
Ｓ３８，Ｓ３８ａ，Ｓ３９は、図２のＳ８，Ｓ８ａ，Ｓ９とほぼ同様である。すなわち、ＰＭ堆積量が上限値ＡＣＣ２未満であり、酸化触媒が活性温度Ｔｓ以下にあり、強制再生制御，ＨＣ変動運転，又はリッチ運転が続行中ではなく、かつ、空気過剰率が１以下のリッチ運転が可能であると判定された場合には、Ｓ４０へ進み、下流側ＮＯ_Xトラップ触媒２１のＮＯ_Xトラップ量が所定の飽和量Ｎ１以下であるかを判定する。
【００７３】
続くＳ４１において、ＤＰＦ９のＰＭ堆積量が所定の下限値ＡＣＣ１を越えていると判定され、かつ、Ｓ４２において、ＨＣ濃度変動型の上流側ＮＯ_Xトラップ触媒２０のＮＯ_Xトラップ量が所定量Ｎ２以上と判定された場合、Ｓ４３へ進み、ＨＣ変動運転を開始する。それ以外の場合には、本ルーチンを終了する。
【００７４】
ＨＣ濃度の変動は、ｐｏｓｔ噴射、早期ｐｉｌｏｔ噴射、ＥＧＲ濃度の変動等により行うことができる。一例として、ｐｏｓｔ噴射でＨＣ濃度を変動させる場合について説明すると、上死点から１００〜１８０°後に筒内に１ｍｍ³／ｓｔｃｙｌ（１気筒１ストローク）程度の燃料を噴射することで、排気中のＨＣ濃度は数百ｐｐｍ増加する。このようにしてＨＣ濃度を適切に増加させることにより、上流側ＮＯ_Xトラップ触媒２０にトラップされているＮＯ_XがＮＯ₂となって触媒から脱離し、ＤＰＦ９へ効率的に供給される。この高酸化力のあるＮＯ₂でＤＰＦ９に堆積しているＰＭを効率よく燃焼させて除去させることができる。
【００７５】
続くＳ４４では、ＨＣ変動運転が続行中であることを示すために、上記のフラグＨＣ１を１とする。このＨＣ変動運転が所定時間ｔ１経過したと判定されると、Ｓ４５からＳ４６へ進み、ＨＣ変動運転を終了する。つまり、ＨＣ濃度を通常の制御状態に復帰させる。そして、Ｓ４７で上記のフラグＨＣ１を０に戻し、本ルーチンを終了する。
【００７６】
Ｓ４０において、下流側ＮＯ_Xトラップ触媒２１のＮＯ_Xトラップ量が飽和量Ｎ１を越えていると判定された場合には、Ｓ４８へ進み、主として下流側ＮＯ_Xトラップ触媒２１にトラップされているＮＯ_Xトラップ量を低減するためのリッチ運転（ＮＯ_X低減運転）を開始する。つまり、空気過剰率λ＜＜１として、上述したＨＣ変動運転の場合よりも還元成分濃度を更に大きくする。これにより、下流側ＮＯ_Xトラップ触媒２１にも十分に還元剤（ＨＣ，ＣＯ）が供給され、この下流側ＮＯ_Xトラップ触媒２１を高効率で浄化することができる。なお、Ｓ４８〜Ｓ５２は、図２のＳ１８〜Ｓ２２とほぼ同様である。
【００７７】
図１２は、ＤＰＦの他の例を示している。このＤＰＦ３０は、上記実施例のＤＰＦ９と同様、一端が閉塞した中空円筒形状をなす深層濾過方式の構成となっており、有底円筒状をなす芯部材３１と、この芯部材にセラミックファイバーを幾層にも巻き回して形成される外層部３２と、を有している。そして、ＤＰＦ３０の芯部材３１の外周上に、ＮＯをＮＯ₂に酸化する機能を有する酸化触媒の成分と、流入する排気成分に応じてＮＯ_Xをトラップ又は脱離する上流側ＮＯ_Xトラップ触媒の成分と、が混入された触媒層３３が層状に配設されている。つまり、ＤＰＦ３０の芯部材３１と外層部３２との間に触媒層３３が介装されている。
【００７８】
また、このＤＰＦ３０は、底部として閉塞されている端部が下流側となるように配置され、芯部材３１の他方の開口端から排気が導入されるように取り付けられている。従って、排気は内側の触媒層３３から外層部３２へと半径方向外周側へ流れ、触媒層３３によって排気中のＮＯがＮＯ₂に酸化されるとともに、ＮＯ_Xが適宜にトラップ又は脱離され、かつ、下流側の外層部（セラミックファイバー）３２によって排気中のＰＭが捕集される。
【００７９】
この場合、ＤＰＦ３０の筐体内に酸化触媒と上流側ＮＯ_X触媒とが収容されることとなるため、装置の簡素化，小型化を図ることができる。また、ＤＰＦ３０を加熱することにより酸化触媒と上流側ＮＯ_Xトラップ触媒も加熱される形となり、活性化に必要な熱容量の低減化を図ることもできる。
【００８０】
以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、例えば排気温度を上昇させるために、触媒の上流側にバーナを配置したり、このバーナの使用と共に追加燃料を噴射しても良い。また、上流側ＮＯ_Xトラップ触媒と酸化触媒とを別々の筐体に配置しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を示す概略構成図。
【図２】第１実施例の制御の流れを示すフローチャート。
【図３】ＰＭ堆積量の上限値ＡＣＣ２に対応する排圧推定用のマップ。
【図４】ＰＭ堆積量の下限値ＡＣＣ１に対応する排圧推定用のマップ。
【図５】リッチ運転可能領域判定用のマップ。
【図６】上流側ＮＯ_Xトラップ触媒に流入する排気の空気過剰率と、この排気中のＮＯ_X濃度との関係を示す説明図。
【図７】機関回転数及び燃料噴射量に対するＤＰＦの自己再生領域を示す特性図。
【図８】上流側ＮＯ_Xトラップ触媒へ流入する排気温度と触媒から排出されるＮＯ₂濃度との関係を示す特性図。
【図９】本発明の第２実施例に係る制御の流れを示すフローチャート。
【図１０】本発明の第３実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を示す概略構成図。
【図１１】上記第３実施例の制御の流れを示すフローチャート。
【図１２】ＤＰＦの他の例を示す斜視図。
【符号の説明】
５…排気管（排気通路）
６…排気温度センサ
７…ＮＯ_X浄化触媒（上流側ＮＯ_Xトラップ触媒）
８…排圧センサ（排圧検出手段）
９…ＤＰＦ（パティキュレートフィルタ）
１５…制御ユニット

Claims (13)

1. 内燃機関の排気通路に配設される排気浄化装置であって、
   流入する排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、
   このパティキュレートフィルタよりも上流側に配設され、排気中のＮＯをＮＯ_２に酸化する機能を有する酸化触媒と、
   上記パティキュレートフィルタよりも上流側に配設され、流入する排気成分に応じて、排気中のＮＯ_Ｘをトラップするとともに、トラップしたＮＯ_Ｘを脱離する上流側ＮＯ_Ｘトラップと、を有し、
   所定のＮＯ _Ｘ 低減条件のときに、主として上記上流側ＮＯ _Ｘ トラップにトラップされているＮＯ _Ｘ トラップ量を低減させるように、上記上流側ＮＯ _Ｘ トラップへ流入する排気の空気過剰率を１よりも小さくするＮＯ _Ｘ 低減運転を行い、
   所定のパティキュレート低減条件のときに、主としてパティキュレートフィルタに堆積しているパティキュレート堆積量を低減させるように、上記空気過剰率を略１とするパティキュレート低減運転を行うことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 上記パティキュレートフィルタに堆積しているパティキュレート推積量に基づいて、上記上流側ＮＯ_ＸトラップからのＮＯ_Ｘ脱離量を制御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。
3. 上記上流側ＮＯ_ＸトラップにトラップされているＮＯ_Ｘトラップ量と、上記パティキュレートフィルタに堆積しているパティキュレート堆積量と、に基づいて、上記上流側ＮＯ_ＸトラップからのＮＯ_Ｘ脱離量と、上記パティキュレートフィルタへ供給されるＮＯ_２供給量と、を制御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。
4. 上記パティキュレートフィルタの入口の排圧を検出する排圧検出手段を有し、この排圧検出手段により検出される排圧に基づいて、上記パティキュレート堆積量を推定することを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 上記パティキュレート低減運転の運転時間を、上記ＮＯ _Ｘ 低減運転の運転時間よりも長くすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 上記内燃機関が、上記パティキュレート低減運転及びＮＯ _Ｘ 低減運転のときに上記排気の空気過剰率を一時的に小さくするディーゼル内燃機関であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 上記上流側ＮＯ_Ｘトラップは、流入する排気の還元成分濃度が低いときにＮＯ_Ｘをトラップし、上記還元成分濃度が高いときにＮＯ_Ｘを脱離する還元成分濃度変動型のＮＯ_Ｘトラップであり、
   上記ＮＯ_Ｘ低減運転を行う場合、上記パティキュレート低減運転を行う場合に比して、上記還元成分濃度を大きくすることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 上記上流側ＮＯ_Ｘトラップは、カリウム、ナトリウム、リチウム、セシウムからなるアルカリ金属、バリウム、カルシウム、ストロンチウムからなるアルカリ土類金属、ランタン、イットリウム、プラセオジウム、ネオジウム、サマリウムからなる希土類、マンガン、鉄、ニッケル、コバルトから選ばれた少なくとも一つと、白金、パラジウム、ロジウムから選ばれた少なくとも一つとを含むことを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 上記ＮＯ_Ｘ低減条件が、上記ＮＯ_Ｘトラップ量が所定の飽和量以上であることを含んでおり、
   上記パティキュレート低減条件が、上記パティキュレート堆積量が所定の下限値を越えていることを含んでいることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
10. 上記パティキュレート低減条件が、上記酸化触媒へ流入する排気温度が所定の活性温度以下であることを含んでいることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
11. 上記ＮＯ_Ｘ低減運転を行う場合、その直前に、上記上流側ＮＯ_Ｘトラップへ流入する排気の温度を所定の触媒活性温度以上に上昇させることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
12. 上記パティキュレートフィルタの下流側に配設され、流入する排気成分に応じて、排気中のＮＯ_Ｘをトラップするとともに、トラップされているＮＯ_Ｘを脱離する下流側ＮＯ_Ｘトラップを有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
13. 上記パティキュレートフィルタの芯部材上に、上記酸化触媒の成分と上記上流側ＮＯ_Ｘトラップの成分とを含む触媒層が設けられていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。

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