JP4172520B2 - 圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置に関する。

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吸蔵触媒を機関排気通路内に配置した内燃機関が公知である。この内燃機関ではリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときに発生するＮＯ_xがＮＯ_x吸蔵触媒に吸蔵される。一方、ＮＯ_x吸蔵触媒のＮＯ_x吸蔵能力が飽和に近づくと排気ガスの空燃比が一時的にリッチにされ、それによってＮＯ_x吸蔵触媒からＮＯ_xが放出され還元される。

ところで燃料および潤滑油内にはイオウが含まれており、従って排気ガス中にはＳＯ_xが含まれている。このＳＯ_xはＮＯ_xと共にＮＯ_x吸蔵触媒に吸蔵される。ところがこのＳＯ_xは排気ガスの空燃比を単にリッチにしただけではＮＯ_x吸蔵触媒から放出されず、従ってＮＯ_x吸蔵触媒に吸蔵されているＳＯ_xの量が次第に増大していく。その結果吸蔵しうるＮＯ_x量が次第に減少してしまう。

ところがこの場合、ＮＯ_x吸蔵触媒に吸蔵されたＳＯ_xはＮＯ_x吸蔵触媒の温度を上昇させかつＮＯ_x吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするとＮＯ_x吸蔵触媒から徐々に放出される。そこで電動モータを具備し、ＮＯ_x吸蔵触媒からＳＯ_xを放出すべきときには排気ガスの空燃比をリッチにすると共に、電動モータにより膨張行程時にクランクシャフトの回転速度を早めて後燃え期間を長くすることにより排気ガス温を高めるようにしたハイブリッド内燃機関が公知である（例えば特許文献１参照）。

一方、ＮＯ_x吸蔵触媒上流の機関排気通路内に排気ガス中のＳＯ_xを捕獲しうるＳＯ_xトラップ触媒を配置した内燃機関が公知である（特許文献２参照）。この内燃機関では排気ガスに含まれるＳＯ_xをＳＯ_xトラップ触媒により捕獲することによってＮＯ_x吸蔵触媒にＳＯ_xが流入するのを阻止するようにしている。
特開２００５−６１２３４号公報 特開２００５−１３３６１０号公報

ところでこのようなＳＯ_xトラップ触媒を用いた場合でもＳＯ_xトラップ触媒のＳＯ_xトラップ率が低下してきたときにはＳＯ_xトラップ触媒を再生する必要がある。この場合、ＳＯ_xトラップ触媒は昇温することによって再生することができる。しかしながらこのＳＯ_xトラップ触媒に捕獲されるＳＯ_x量はＮＯ_x吸蔵触媒に吸蔵されるＳＯ_x量に比べて極めて多く、ＳＯ_xトラップ触媒が少しでも過度に温度上昇せしめられると捕獲されているＳＯ_xが一気に放出される。その結果、ＳＯ_xトラップ触媒から流出する排気ガス中のＳＯ_x濃度が極めて高くなってしまう。

ＳＯ_xはそれ自体が有害であり、また温度が高くなると有害な硫化水素Ｈ₂Ｓに変化することもあるので排出される排気ガス中のＳＯ_x濃度が高くなることだけは回避しなければならない。即ち、ＳＯ_xトラップ触媒を用いた場合にはＳＯ_xトラップ触媒から流出する排気ガス中のＳＯ_x濃度を一定限度以内に保持する必要がある。
本発明はＳＯ_xトラップ触媒から流出する排気ガス中のＳＯ_x濃度を一定限度以下に保持することのできる圧縮着火式内燃機関を提供することにある。

即ち、本発明によれば、機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＳＯ_xを捕獲しうるＳＯ_xトラップ触媒を配置し、ＳＯ_xトラップ触媒下流の排気通路内に、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吸蔵触媒を配置した圧縮着火式内燃機関において、機関による車両駆動力とは別個に車両駆動力を発生可能でかつ機関により発電可能な電動装置を具備しており、ＳＯ_xトラップ触媒を再生すべきときにはＳＯ_xトラップ触媒から流出する排気ガス中のＳＯ_x濃度が再生期間中、予め定められたＳＯ_x濃度以下となるように機関による車両駆動力と電動装置による車両駆動力とを調整するようにしている。

排気ガス中のＳＯ_x濃度を一定限度以下に保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を検出するための吸入空気量検出器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の出口は触媒コンバータ１２の入口に連結される。触媒コンバータ１２内には上流側から順にＳＯ_xトラップ触媒１３およびＮＯ_x吸蔵触媒１４が配置され、ＳＯ_xトラップ触媒１３とＮＯ_x吸蔵触媒１４間の触媒コンバータ１２内にはＳＯ_xトラップ触媒１３から流出する排気ガスの温度を検出するための温度センサ１５と、ＳＯ_xトラップ触媒１３から流出する排気ガス中のＳＯ_x濃度を検出するためのＳＯ_xセンサ１６とが配置される。本発明による実施例ではこの温度センサ１５の検出値からＳＯ_xトラップ触媒１３の温度が推定される。

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１７を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１７内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１８が配置される。また、ＥＧＲ通路１７周りにはＥＧＲ通路１７内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１９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１９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２０を介してコモンレール２１に連結される。このコモンレール２１内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２２から燃料が供給され、コモンレール２１内に供給された燃料は各燃料供給管２０を介して燃料噴射弁３に供給される。なお、排気マニホルド５内には排気マニホルド５内に例えば炭化水素からなる還元剤を供給するための還元剤供給弁２３が取付けられる。

一方、図１に示される実施例では機関の出力軸に変速機２５が連結され、変速機２５の出力軸２６に電気モータ２７が連結される。この場合、変速機２５としては、トルクコンバータを具えた通常の有段自動変速機、手動変速機、或いはクラッチを具えた手動変速機におけるクラッチ操作および変速操作を自動的に行うようにした形式の有段自動変速機等を用いることができる。

また、変速機２５の出力軸２６に連結された電気モータ２７は機関による車両駆動力とは別個に車両駆動力を発生可能でかつ機関により発電可能な電動装置を構成している。図１に示される実施例ではこの電気モータ２７は変速機２５の出力軸２６上に取付けられかつ外周面に複数個の永久磁石を取付けたロータ２８と、回転磁界を形成する励磁コイルを巻設したステータ２９とを具備した交流同期電動機からなる。ステータ２９の励磁コイルはモータ駆動制御回路３０に接続され、このモータ駆動制御回路３０は直流高電圧を発生するバッテリ３１に接続される。

電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５および出力ポート４６を具備する。吸入空気量検出器８、温度センサ１５およびＳＯ_xセンサ１６の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また、入力ポート４５には変速機２５の変速段、および出力軸２６の回転数等を表わす種々の信号が入力される。

一方、アクセルペダル３２にはアクセルペダル３２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３３が接続され、負荷センサ３３の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。更に入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば１０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ３４が接続される。一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して燃料噴射弁３、ＥＧＲ制御弁１８、燃料ポンプ２２、還元剤供給弁２３、変速機２５、モータ駆動制御回路３０等に接続される。

電気モータ２７のステータ２９の励磁コイルへの電力の供給は通常停止せしめられており、このときロータ２８は変速機２５の出力軸２６と共に回転している。一方、電気モータ２７を駆動せしめるときにはバッテリ３１の直流高電圧がモータ駆動制御回路３０において周波数がｆｍで電流値がＩｍの三相交流に変換され、この三相交流がステータ２９の励磁コイルに供給される。この周波数ｆｍは励磁コイルにより発生する回転磁界をロータ２８の回転に同期して回転させるのに必要な周波数であり、この周波数ｆｍは出力軸２６の回転数に基づいてＣＰＵ４４で算出される。モータ駆動制御回路３０ではこの周波数ｆｍが三相交流の周波数とされる。

一方、電気モータ２７の出力トルクは三相交流の電流値Ｉｍにほぼ比例する。この電流値Ｉｍは電気モータ２７の要求出力トルクに基づきＣＰＵ４４において算出され、モータ駆動制御回路３０ではこの電流値Ｉｍが三相交流の電流値とされる。

また、外力により電気モータ２７を駆動する状態にすると電気モータ２７は発電機として作動し、このとき発生した電力がバッテリ３１に回生される。外力により電気モータ２７を駆動すべきか否かはＣＰＵ４４において判断され、外力により電気モータ２７を駆動すべきであると判別されたときにはモータ制御回路３０により、電気モータ２７に発生した電力がバッテリ３１に回生されるように制御される。

次に図１に示されるＮＯ_x吸蔵触媒１４について説明すると、このＮＯ_x吸蔵触媒１４では基体上に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はこの触媒担体６０の表面部分の断面を図解的に示している。図２に示されるように触媒担体６０の表面上には貴金属触媒６１が分散して担持されており、更に触媒担体６０の表面上にはＮＯ_x吸収剤６２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６１として白金Ｐｔが用いられており、ＮＯ_x吸収剤６２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１４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６２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６２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に示されるように白金Ｐｔ６１上において酸化されてＮＯ₂となり、次いでＮＯ_x吸収剤６２内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形でＮＯ_x吸収剤６２内に拡散する。このようにしてＮＯ_xがＮＯ_x吸収剤６２内に吸収される。排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔ６１の表面でＮＯ₂が生成され、ＮＯ_x吸収剤６２のＮＯ_x吸収能力が飽和しない限りＮＯ₂がＮＯ_x吸収剤６２内に吸収されて硝酸イオンＮＯ₃ ^-が生成される。

これに対し、還元剤供給弁２３から還元剤を供給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ＮＯ_x吸収剤６２内の硝酸イオンＮＯ₃ ^-がＮＯ₂の形でＮＯ_x吸収剤６２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６２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６２のＮＯ_x吸収能力が飽和してしまい、斯くしてＮＯ_x吸収剤６２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６２の吸収能力が飽和する前に還元剤供給弁２３から還元剤を添加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６２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６２に流入するとこのＳＯ₂は白金Ｐｔ６１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６２内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、硫酸イオンＳＯ₄ ^2-の形でＮＯ_x吸収剤６２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６２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６２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６２が吸収しうるＮＯ_x量が低下することになる。

ところでこの場合、ＮＯ_x吸蔵触媒１４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１４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６２からＳＯ_xが放出される。ただし、この場合ＮＯ_x吸収剤６２からは少しずつしかＳＯ_xが放出されない。従ってＮＯ_x吸収剤６２から全ての吸収ＳＯ_xを放出させるには長時間に亘って空燃比をリッチにしなければならず、斯くして多量の燃料或いは還元剤が必要になるという問題がある。

そこで本発明による実施例ではＮＯ_x吸蔵触媒１４の上流にＳＯ_xトラップ触媒１３を配置してこのＳＯ_xトラップ触媒１３により排気ガス中に含まれるＳＯ_xを捕獲し、それによってＮＯ_x吸蔵触媒１４にＳＯ_xが流入しないようにしている。次にこのＳＯ_xトラップ触媒１３について説明する。

図３はこのＳＯ_xトラップ触媒１３の基体６５の表面部分の断面を図解的に示している。図３に示されるように基体６５の表面上にはコート層６６が形成されており、このコート層６６の表面上には貴金属触媒６７が分散して担持されている。本発明による実施例では貴金属触媒６７として白金が用いられており、コート層６６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。即ち、ＳＯ_xトラップ触媒１３のコート層６６は強塩基性を呈している。

さて、排気ガス中に含まれるＳＯ_x、即ちＳＯ₂は図３に示されるように白金Ｐｔ６７において酸化され、次いでコート層６６内に捕獲される。即ち、ＳＯ₂は硫酸イオンＳＯ₄ ^2-の形でコート層６６内に拡散し、硫酸塩を形成する。なお、上述したようにコート層６６は強塩基性を呈しており、従って図３に示されるように排気ガス中に含まれるＳＯ₂の一部は直接コート層６６内に捕獲される。

図３においてコート層６６内における濃淡は捕獲されたＳＯ_xの濃度を示している。図３からわかるようにコート層６６内におけるＳＯ_x濃度はコート層６６の表面近傍が最も高く、奥部に行くに従って次第に低くなっていく。コート層６６の表面近傍におけるＳＯ_x濃度が高くなるとコート層６６の表面の塩基性が弱まり、ＳＯ_xの捕獲能力が弱まる。ここで排気ガス中に含まれるＳＯ_xのうちでＳＯ_xトラップ触媒１３に捕獲されるＳＯ_xの割合をＳＯ_xトラップ率と称すると、コート層６６の表面の塩基性が弱まればそれに伴なってＳＯ_xトラップ率が低下することになる。

図４にＳＯ_xトラップ率の時間的変化を示す。図４に示されるようにＳＯ_xトラップ率は初めはほぼ１００パーセントに近いが時間が経過すると急速に低下する。そこで本発明ではＳＯ_xトラップ率が予め定められた率よりも低下したときには排気ガスの空燃比がリーン或いはリッチのもとでＳＯ_xトラップ触媒１３の温度を上昇させる昇温制御を行い、それによってＳＯ_xトラップ率を回復させるようにしている。

例えば、排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_xトラップ触媒１３の温度を上昇させるとコート層６６内の表面近傍に集中的に存在するＳＯ_xはコート層６６内におけるＳＯ_x濃度が均一となるようにコート層６６の奥部に向けて拡散していく。即ち、コート層６６内に生成されている硝酸塩はコート層６６の表面近傍に集中している不安定な状態からコート層６６内の全体に亘って均一に分散した安定した状態に変化する。コート層６６内の表面近傍に存在するＳＯ_xがコート層６６の奥部に向けて拡散するとコート層６６の表面近傍のＳＯ_x濃度が低下し、斯くしてＳＯ_xトラップ触媒１３の昇温制御が完了するとＳＯ_xトラップ率が回復する。

ＳＯ_xトラップ触媒１３の昇温制御を行ったときにＳＯ_xトラップ触媒１３の温度をほぼ４５０℃程度にすればコート層６６の表面近傍に存在するＳＯ_xをコート層６６内に拡散させることができ、ＳＯ_xトラップ触媒１３の温度を６００℃程度まで上昇させるとコート層６６内のＳＯ_x濃度をかなり均一化することができる。従って本発明による実施例ではＳＯ_xトラップ触媒１３の昇温制御時にはＳＯ_xトラップ触媒１３の温度が６００℃程度まで上昇され、６００℃程度に維持される。

一方、ＳＯ_xトラップ触媒１３を昇温した状態でＳＯ_xトラップ触媒１３に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしてもＳＯ_xトラップ率を回復することができる。即ち、ＳＯ_xトラップ触媒１３を昇温した状態でＳＯ_xトラップ触媒１３に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするとＳＯ_xトラップ触媒１３から捕獲されているＳＯ_xが放出され、斯くしてＳＯ_xトラップ率が回復される。従ってＳＯ_xトラップ触媒１３を昇温した状態でＳＯ_xトラップ触媒１３に流入する排気ガスの空燃比をリーンにしてもリッチにしてもＳＯ_xトラップ率を回復することができることになる。

次にＳＯ_xトラップ率を回復するためのＳＯ_xトラップ触媒１３の再生作用の開始時期について説明する。
本発明による実施例では、ＳＯ_xトラップ触媒１３に捕獲されたＳＯ_x量を推定し、ＳＯ_xトラップ触媒１３に捕獲されたＳＯ_x量が予め定められた量を越えたときにＳＯ_xトラップ率が予め定められた率よりも低下したと判断され、このときＳＯ_xトラップ率を回復するためのＳＯ_xトラップ触媒１３の再生作用が開始される。

即ち、燃料中には或る割合でイオウが含まれており、従って排気ガス中に含まれるＳＯ_x量、即ちＳＯ_xトラップ触媒１３に捕獲されるＳＯ_x量は燃料噴射量に比例する。燃料噴射量は要求トルクおよび機関回転数の関数であり、従ってＳＯ_xトラップ触媒１３に捕獲されるＳＯ_x量も要求トルクおよび機関回転数の関数となる。本発明による実施例ではＳＯ_xトラップ触媒１３に単位時間当り捕獲されるＳＯ_x量ＳＯＸＡが要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図５（Ａ）に示されるようなマップの形で予めＲＯＭ４２内に記憶されている。

また、潤滑油内にも或る割合でイオウが含まれており、燃焼室２内で燃焼せしめられる潤滑油量、即ち排気ガス中に含まれていてＳＯ_xトラップ触媒１３に捕獲されるＳＯ_x量も要求トルクおよび機関回転数の関数となる。本発明による実施例では潤滑油に含まれていてＳＯ_xトラップ触媒１３に単位時間当り捕獲されるＳＯ_x量ＳＯＸＢが要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図５（Ｂ）に示されるようなマップの形で予めＲＯＭ４２内に記憶されており、ＳＯ_x量ＳＯＸＡおよびＳＯ_x量ＳＯＸＢの和を積算することによってＳＯ_xトラップ触媒１３に捕獲されているＳＯ_x量ΣＳＯＸが算出される。

また、本発明による実施例では図６に示されるようにＳＯ_x量ΣＳＯＸと、ＳＯ_xトラップ触媒１３を再生すべきときの予め定められたＳＯ_x量ＳＯ（ｎ）との関係が予め記憶されており、ＳＯ_x量ΣＳＯＸが予め定められたＳＯ（ｎ）（ｎ＝１，２，３，…）を越えたときにＳＯ_xトラップ触媒１３の再生処理が行われる。なお、図６においてはｎは何回目の再生処理であるかを示している。なお、図６において最初の再生処理は走行距離が５万km程度のときに行われる。

図７はＳＯ_xトラップ触媒１３の再生時期を決定するためのルーチンを示している。
図７を参照するとまず初めにステップ７０において図５（Ａ），（Ｂ）から夫々単位時間当り捕獲されるＳＯ_x量ＳＯＸＡおよびＳＯＸＢが読み込まれる。次いでステップ７１ではこれらＳＯＸＡおよびＳＯＸＢの和がＳＯ_x量ΣＳＯＸに加算される。次いでステップ７２ではＳＯ_x量ΣＳＯＸが図６に示される予め定められた量ＳＯ（ｎ）（ｎ＝１，２，３，…）に達したか否かが判別される。ＳＯ_x量ΣＳＯＸが予め定められた量ＳＯ（ｎ）に達したときにはステップ７３に進んで再生制御が行われる。

次に図７のステップ７３において行われるＳＯ_xトラップ触媒１３の再生制御について説明する。
図８はＳＯ_xトラップ触媒１３に捕獲されているＳＯ_x量ΣＳＯＸと、ＳＯ_xトラップ触媒１３からのＳＯ_x放出温度ＴＳと、ＳＯ_xトラップ触媒１３に流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆとの関係を示している。図８から捕獲ＳＯ_x量ΣＳＯＸが多いほどＳＯ_x放出温度ＴＳが低くなり、排気ガスの空燃比が小さくなるほどＳＯ_x放出温度ＴＳが低くなることがわかる。

さて、図８においてＳＯ_xトラップ触媒１３の温度が捕獲ＳＯ_x量ΣＳＯＸから定まるＳＯ_x放出温度ＴＳよりも過度に高くなるとＳＯ_xトラップ触媒１３から多量のＳＯ_xが急激に放出され、その結果ＳＯ_xトラップ触媒１３から流出する排気ガス中のＳＯ_x濃度が極めて高くなる。しかしながら前述したようにＳＯ_xはそれ自体が有害であり、また温度が高くなると有害な硫化水素Ｈ₂Ｓに変化することもあるので排出される排気ガス中のＳＯ_x濃度が高くなることだけは回避しなければならない。即ち、ＳＯ_xトラップ触媒１３から流出する排気ガス中のＳＯ_x濃度を一定限度以内に保持する必要がある。

ところが機関の負荷が大きくなったり小さくなったりするとそれに伴なって排気ガス温が大きく変動する。従って車両走行中にＳＯ_xトラップ触媒１３の温度が捕獲ＳＯ_x量ΣＮＯＸから定まるＳＯ_x放出温度ＴＳよりも過度に高くなるのを阻止するのは困難であり、斯くしてＳＯ_xトラップ触媒１３から流出する排気ガス中のＳＯ_x濃度が大巾に高くなるのを阻止するのは困難である。

そこで本発明では電動装置の力を借りて、ＳＯ_xトラップ触媒１３を再生すべきときにはＳＯ_xトラップ触媒１３から流出する排気ガス中のＳＯ_x濃度が再生期間中、予め定められたＳＯ_x濃度以下となるように機関による車両駆動力と電動装置による車両駆動力とを調整するようにしている。

もう少し具体的に言うと、ＳＯ_xトラップ触媒１３を再生すべきときにはＳＯ_xトラップ触媒１３から流出する排気ガス中のＳＯ_x濃度が再生期間中、予め定められたＳＯ_x濃度以下となるように機関の出力トルクが制御され、要求トルクに対するトルクの不足分又は過剰分を電動装置によって調整するようにしている。

ところで前述したようにＳＯ_xトラップ触媒１３の再生は排気ガスの空燃比Ａ／Ｆをリッチにした状態か又はリーンにした状態のいずれかの状態で行うことができる。そこでまず初めに排気ガスの空燃比Ａ／Ｆをリッチにした状態でＳＯ_xトラップ触媒１３の再生を行うようにした場合について説明する。

この場合には再生時にＳＯ_xトラップ触媒１３の温度がほぼＳＯ_x放出温度ＴＳに維持される。再生処理が進行するとＳＯ_xの放出作用により捕獲ＳＯ_x量ΣＳＯＸが減少するので図８からわかるようにＳＯ_x放出温度ＴＳが上昇する。従って本発明では捕獲ＳＯ_x量ΣＳＯＸが減少するほど排気ガス温を上昇させるために図９に示されるように再生処理が進行するにつれて機関の出力トルクが増大せしめられる。それによって図９に示されるようにＳＯ_xトラップ触媒１３から流出する排気ガス中のＳＯ_x濃度が再生期間中、予め定められた濃度ＳＸ以下に維持される。なお、図９に示される例ではＳＯ_x量ΣＳＯＸが予め定められた量ＳＯＲまで低下したときに再生処理が完了せしめられる。

一方、再生期間中、要求トルクに対するトルクの不足分又は過剰分は電気モータ２７によるトルクの発生又は消費によって調整される。このことを説明するために図１０にアクセルペダル３２の等踏込み量線ｄ₁〜ｄｉと、機関回転数Ｎと、機関の出力トルクＴＱとの関係を示す。なお、図１０においてアクセルペダル３２の踏込み量はｄ₁からｄｉに向けて大きくなる。図１０においてアクセルペダル３２の踏込み量と機関回転数Ｎが定まるとそのときの出力トルクＴＱが要求トルクとなる。

即ち、再生時においてＳＯ_xトラップ触媒１３の温度をほぼＳＯ_x放出温度ＴＳに維持するために今、機関が図１０のＡ点で示す運転状態で運転されていたとする。このとき車両を駆動するための要求トルクＴＱが図１０のＢ点で示されるトルクになったとするとトルクの不足分ΔＴＱｂを補うために電気モータ２７が駆動される。これに対し、車両を駆動するための要求トルクＴＱが図１０のＣ点で示されるトルクになったとするとトルクの過剰分ΔＴＱｃを消費するために電気モータ２７が発電機として作動せしめられる。

図１１は図７のステップ７３において実行されるＳＯ_xトラップ触媒１３の再生制御を示している。
図１１を参照するとまず初めにステップ８０において図１０からアクセルペダル３２の踏込み量と機関回転数Ｎに基づいて車両を駆動するための要求トルクＴＱが算出される。次いでステップ８１ではＳＯ_xトラップ触媒１３の温度をほぼＳＯ_x放出温度ＴＳとするのに必要な機関の出力トルクＴｅが算出される。この機関の出力トルクＴｅはＳＯ_x量ΣＳＯＸ、排気ガスの空燃比Ａ／Ｆ、機関回転数Ｎの関数として予めＲＯＭ４２内に記憶されている。

次いでステップ８２では要求トルクＴＱから機関の出力トルクＴｅを減算することによって電気モータ２７が発生又は消費すべきトルクＴｍが算出される。次いでステップ８３では出力トルクＴｅが得られるように燃料の噴射制御が行われる。次いでステップ８４ではトルクＴｍに応じて電気モータ２７が制御される。即ち、トルクＴｍが正のときには車両を駆動するためのトルクＴｍが発生するように電気モータ２７が駆動され、トルクＴｍが負のときにはトルクＴｍを消費するように電気モータ２７が発電機として作動せしめられる。

次いでステップ８５では再生処理が完了したか否かが判別される。再生処理が完了していないときにはステップ８０に戻る。これに対して再生処理が完了したときにはステップ８６に進んで再生完了時の残留ＳＯ_x量ＳＯＲがＳＯ_x量ΣＳＯＸとされる。

図１２は図７のステップ７３において実行されるＳＯ_xトラップ触媒１３の再生制御の別の実施例を示している。
この実施例でも基本的には機関の出力トルクＴｅがＳＯ_x量ΣＳＯＸ、排気ガスの空燃比Ａ／Ｆ、機関回転数Ｎの関数として予めＲＯＭ４２内に記憶されている出力トルクとされるが、この実施例ではＳＯ_xセンサ１６により検出されたＳＯ_x濃度が予め定められたＳＯ_x濃度範囲内となるように機関の出力トルクが修正される。

即ち、図１２を参照するとこの実施例ではまず初めにステップ９０において図１０からアクセルペダル３２の踏込み量と機関回転数Ｎに基づいて車両を駆動するための要求トルクＴＱが算出される。次いでステップ９１ではＳＯ_xトラップ触媒１３の温度をほぼＳＯ_x放出温度ＴＳとするのに必要な機関の出力トルクＴｅが算出される。次いでステップ９２では出力トルクＴｅに修正量ΔＴＱを加算することによって最終的な機関の出力トルクＴｅｏ（＝Ｔｅ＋ΔＴＱ）が算出される。

次いでステップ９３では要求トルクＴＱから最終的な機関の出力トルクＴｅｏを減算することによって電気モータ２７が発生又は消費すべきトルクＴｍが算出される。次いでステップ９４では最終的な機関の出力トルクＴｅｏが得られるように燃料の噴射制御が行われる。次いでステップ９５ではトルクＴｍに応じて電気モータ２７が制御される。即ち、前述したようにトルクＴｍが正のときには車両を駆動するためのトルクＴｍが発生するように電気モータ２７が駆動され、トルクＴｍが負のときにはトルクＴｍを消費するように電気モータ２７が発電機として作動せしめられる。

次いでステップ９６では再生処理が完了したか否かが判別される。再成処理が完了していないときにはステップ９６に進んでＳＯ_xセンサ１６によりＳＯ_xトラップ触媒１３から流出した排気ガス中のＳＯ_x濃度ＳＤが検出される。次いでステップ９８ではＳＯ_x濃度ＳＤが基準ＳＯ_x濃度ＳＤｏと一定値αとの和よりも大きいか否かが判別される。ＳＤ＞ＳＤｏ＋αのときにはステップ９９に進んで修正量ΔＴＱから一定値ｍが減算される。これに対し、ＳＤ≦ＳＤｏ＋αのときにはステップ１００に進み、ステップ１００においてＳＤ＜ＳＤｏ−αであると判断されたときにはステップ１０１に進んで修正量ΔＴＱに一定値ｍが加算される。即ち、ＳＯ_x濃度ＳＤがＳＤｏ−α＜ＳＤ＜ＳＤｏ＋αとなるように最終的な機関の出力トルクＴｅｏが制御される。一方、ステップ９６において再成処理が完了したと判断されたときにはステップ１０２に進んで再成完了時の残留ＳＯ_x量ＳＯＲがＳＯ_x量ΣＳＯＸとされる。

次に排気ガスの空燃比Ａ／Ｆをリーンにした状態でＳＯ_xトラップ触媒１３の再生を行うようにした場合について説明する。この場合には前述したようにＳＯ_xトラップ触媒１３の温度は６００℃程度まで上昇され、６００℃程度に維持される。しかしながらこの場合、図８のＡ／Ｆ＝１６の曲線からわかるようにＳＯ_x量ΣＳＯＸ量が多いときにはＳＯ_x放出温度ＴＳが低くなり、従ってこのときにＳＯ_xトラップ触媒１３の温度を６００℃程度まで上昇させると多量のＳＯ_xが放出されてしまう。即ち、このときにはＳＯ_xトラップ触媒１３の温度をほぼＳＯ_x放出温度ＴＳに維持する必要がある。

そこで排気ガスの空燃比Ａ／Ｆをリーンにした状態でＳＯ_xトラップ触媒１３の再生を行うようにした場合には図１３に示されるように再成処理の初期段階では機関の出力トルクを徐々に上昇せしめ、その後、機関の出力トルクをほぼ一定に維持するようにしている。即ちこの場合、機関の出力トルクは再成処理の初期段階を除いてほぼ一定に保持される。

次に図１４を参照しつつ電動装置の別の実施例について説明する。
図１４を参照するとこの実施例では電動装置が、電気モータおよび発電機として作動する一対のモータジェネレータ２００，２０１と遊星歯車機構２０２とにより構成される。この遊星歯車機構２０２はサンギア２０３と、リングギア２０４と、サンギア２０３とリングギア２０４間に配置されたプラネタリギア２０５と、プラネタリギア２０５を担持するプラネタリキャリア２０６とを具備する。サンギア２０３はモータジェネレータ２０１の回転軸２０７に連結され、プラネタリキャリア２０６は内燃機関１の出力軸２１１に連結される。また、リングギア２０４は一方ではモータジェネレータ２００の回転軸２０８に連結され、他方では駆動輪に連結された出力軸２１０にベルト２０９を介して連結される。従ってリングギア２０４が回転するとそれに伴なって出力軸２１０が回転せしめられることがわかる。

この電動装置の詳細な作動については説明を省略するが概略的に言うと、モータジェネレータ２００は主に電動モータとして作動し、モータジェネレータ２０１は主に発電機として作動する。

ＳＯ_xトラップ触媒１３の再成時に機関の出力トルクだけではトルクが不足するときにはモータジェネレータ２００が駆動され、モータジェネレータ２００の出力トルクが機関の出力トルクに重疊される。このときモータジェネレータ２０１は停止される。これに対し、ＳＯ_xトラップ触媒１３の再成時に機関の出力トルクが要求トルクに対して過剰になるときにはモータジェネレータ２０１による発電作用が行われ、トルクの過剰分がモータジェネレータ２０１の発電作用により消費される。このときモータジェネレータ２００は停止される。

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。 ＳＯ_xトラップ触媒の基体の表面部分の断面図である。 ＳＯ_xトラップ率を示す図である。 吸蔵ＳＯ_x量ＳＯＸＡ，ＳＯＸＢのマップを示す図である。 吸蔵ＳＯ_x量ΣＳＯＸと、再生制御を行うべき吸蔵ＳＯ_x量ＳＯ（ｎ）との関係を示す図である。 再生時期を決定するためのフローチャートである。 ＳＯ_x放出温度を示す図である。 再生制御を示すタイムチャートである。 機関の出力トルクを示す図である。 再生制御を行うためのフローチャートである。 再生制御を行うための別の実施例を示すフローチャートである。 再生制御を示すタイムチャートである。 電動装置の別の実施例を示す図である。

符号の説明

５ 排気マニホルド
１３ ＳＯ_xトラップ触媒
１４ ＮＯ_x吸蔵触媒
２５ 変速機
２７ 電気モータ

Claims (5)

1. 機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＳＯ_xを捕獲しうるＳＯ_xトラップ触媒を配置し、ＳＯ_xトラップ触媒下流の排気通路内に、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吸蔵触媒を配置した圧縮着火式内燃機関において、機関による車両駆動力とは別個に車両駆動力を発生可能でかつ機関により発電可能な電動装置を具備しており、ＳＯ_xトラップ触媒を再生すべきときにはＳＯ_xトラップ触媒から流出する排気ガス中のＳＯ_x濃度が再生期間中、予め定められたＳＯ_x濃度以下となるように機関による車両駆動力と電動装置による車両駆動力とを調整するようにした圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
2. ＳＯ_xトラップ触媒を再生すべきときにはＳＯ_xトラップ触媒から流出する排気ガス中のＳＯ_x濃度が再生期間中、予め定められたＳＯ_x濃度以下となるように機関の出力トルクが制御され、要求トルクに対するトルクの不足分又は過剰分を電動装置によって調整するようにした請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
3. ＳＯ_xトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチのもとでＳＯ_xトラップ触媒を再生が行われ、このとき再生処理が進行するにつれて機関の出力トルクが増大せしめられる請求項２に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
4. ＳＯ_xトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_xトラップ触媒を再生が行われ、このとき再成処理の初期段階を除いて機関の出力トルクがほぼ一定に保持される請求項２に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
5. ＳＯ_xトラップ触媒から流出する排気ガス中のＳＯ_x濃度を検出し、検出されたＳＯ_x濃度が予め定められたＳＯ_x濃度範囲内となるように機関の出力トルクが制御される請求項２に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。

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