JP4333803B1

JP4333803B1 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP4333803B1
Application number: JP2008111433A
Authority: JP
Inventors: 耕平吉田; 孝充浅沼; 伸基大橋; 優一祖父江; 隆行遠藤; 一伸石橋; 信之高木; 雅王渡部; 正倫桑島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-04-22
Filing date: 2008-04-22
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2028-04-22
Also published as: EP2282024A1; US8522534B2; JP2009264131A; EP2282024B1; EP2282024A4; WO2009131080A1; US20100287914A1

Abstract

【課題】ＮＯ_x吸着触媒から強制的にＮＯ_xを脱離させてＮＯ_x吸蔵触媒に吸蔵させる。
【解決手段】機関排気通路内に、低温のときには排気ガス中に含まれるＮＯ_xを吸着し温度上昇すると吸着したＮＯ_xを脱離するＮＯ_x吸着触媒１２とＮＯ_x吸蔵触媒１４とを配置する。ＮＯ_x吸蔵触媒１４がＮＯ_xを吸蔵しうるときにはＮＯ_x吸蔵触媒１４が吸蔵しうる量のＮＯ_xを脱離させる目標温度までＮＯ_x吸着触媒１２の温度を強制的に上昇させてＮＯ_x吸着触媒１２から脱離したＮＯ_xをＮＯ_x吸蔵触媒１４に吸蔵させる。
【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。

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をＮＯ_x吸蔵触媒に吸蔵させ、それによってＮＯ_xが大気中に排出されるのを阻止するようにしている。

しかしながらこのＮＯ_x吸蔵触媒のＮＯ_x吸蔵能力はＮＯ_x吸蔵触媒の温度が低くなると低下し、斯くしてＮＯ_x吸蔵触媒の温度が低いときにはＮＯ_xが大気中に排出されてしまうことになる。そこでＮＯ_x吸蔵触媒上流の機関排気通路内に、低温のときには排気ガス中に含まれるＮＯ_xを吸着し温度上昇すると吸着したＮＯ_xを脱離するＮＯ_x吸着触媒を配置した内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。

この内燃機関では例えば機関始動時におけるようにＮＯ_x吸着触媒の温度が低いときには機関から排出されたＮＯ_xをＮＯ_x吸着触媒に吸着し、ＮＯ_x吸着触媒の温度が上昇したときにＮＯ_x吸着触媒からＮＯ_xを脱離させてこの脱離したＮＯ_xをＮＯ_x吸蔵触媒に吸蔵させるようにしている。
特開２００７−２４５０５０号公報

しかしながらこのようにＮＯ_x吸着触媒からのＮＯ_xの脱離作用をなりゆきに任せておくと例えばＮＯ_x吸着触媒の温度がなかなか高くならないような場合にはＮＯ_x吸着触媒のＮＯ_x吸着能力が飽和してしまい、斯くして排気ガス中のＮＯ_xをもはやＮＯ_x吸着触媒に吸着しえなくなるという問題を生ずる。

上記問題を解決するために本発明によれば、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、ＮＯ_x吸蔵触媒上流の機関排気通路内に、低温のときには排気ガス中に含まれるＮＯ_xを吸着し温度上昇すると吸着したＮＯ_xを脱離するＮＯ_x吸着触媒を配置した内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯ_x吸蔵触媒がＮＯ_xを吸蔵しうるときにはＮＯ_x吸蔵触媒が吸蔵しうる量のＮＯ_xを脱離させる目標温度までＮＯ_x吸着触媒の温度を強制的に上昇させてＮＯ_x吸着触媒から脱離したＮＯ_xをＮＯ_x吸蔵触媒に吸蔵させるようにしている。

ＮＯ_x吸着触媒の温度が強制的に上昇せしめられてＮＯ_xがＮＯ_x吸着触媒から脱離せしめられるのでＮＯ_x吸着触媒のＮＯ_x吸着能力が飽和するのを回避することができる。

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エアフローメータ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ＮＯ_x吸着触媒１２の入口に連結される。また、ＮＯ_x吸着触媒１２の出口は排気管１３を介してＮＯ_x吸蔵触媒１４に連結される。

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１５を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１５内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１６が配置される。また、ＥＧＲ通路１５周りにはＥＧＲ通路１５内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１７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１７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１８を介してコモンレール１９に連結される。このコモンレール１９内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２０から燃料が供給され、コモンレール１９内に供給された燃料は各燃料供給管１８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。ＮＯ_x吸着触媒１２にはＮＯ_x吸着触媒１２の温度を検出するための温度センサ２１が取付けられ、ＮＯ_x吸蔵触媒１４にはＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度を検出するための温度センサ２２が取付けられる。これら温度センサ２１，２２およびエアフローメータ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１６および燃料ポンプ２０に接続される。

まず初めに図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は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２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２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。

本発明による実施例では貴金属触媒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４７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２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内に吸収される。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、ＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する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ＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する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。

さて、上述したように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に吸収される。言い換えると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吸蔵触媒１４に吸蔵される。ただし、この場合排気ガス中のＮＯ_x量に対してＮＯ_x吸蔵触媒１４に吸蔵されるＮＯ_x量の割合を示すＮＯ_x吸蔵率はＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度に応じて変化し、ＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度ＴＣに対するこのＮＯ_x吸蔵率ＲＢの変化が図３に示されている。

図３に示される例ではＮＯ_x吸蔵率ＲＢはＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度ＴＣがほぼ３００℃からほぼ５００℃の範囲内のときにピークとなる。これに対し、ＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度ＴＣが低くなるとそれに伴なってＮＯに対する貴金属４６の酸化力が低下するためにＮＯ_x吸蔵率ＲＢはＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度ＴＣが低くなるほど低下する。図３に示される例ではＮＯ_x吸蔵率ＲＢはＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度ＴＣがほぼ３００℃以下になると低下しはじめ、このＮＯ_x吸蔵率ＲＢはＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度ＴＣがほぼ１３０℃になると零になる。

図３に示されるＮＯ_x吸蔵率ＲＢは一例を示すものであってＮＯ_x吸蔵触媒１４の種類によってはもっと低い温度までＮＯ_x吸蔵率ＲＢのピークが延びているＮＯ_x吸蔵触媒も存在する。しかしながらどのようなＮＯ_x吸蔵触媒１４を用いてもＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度ＴＣが低くなればＮＯ_x吸蔵率ＲＢが低下し、排気ガス中に含まれるＮＯ_xを十分に吸蔵しえなくなる。

そこで本発明ではＮＯ_x吸蔵触媒１４上流の機関排気通路内に、低温のときには排気ガス中に含まれるＮＯ_xを吸着し温度上昇すると吸着したＮＯ_xを脱離するＮＯ_x吸着触媒１２を配置している。このＮＯ_x吸着触媒１２は室温、即ち１５℃から２５℃程度においても十分にＮＯ_xを吸着可能な例えばセリウムＣｅを含有した材料から形成されている。このＮＯ_x吸着触媒１２においても、排気ガス中のＮＯ_x量に対してＮＯ_x吸着触媒１２に吸着されるＮＯ_x量の割合を示すＮＯ_x吸着率はＮＯ_x吸着触媒１２の温度に応じて変化し、ＮＯ_x吸着触媒１２の温度ＴＣに対するこのＮＯ_x吸着率ＲＡの変化が図３に示されている。

図３に示される例ではＮＯ_x吸着率ＲＡはＮＯ_x吸着触媒１２の温度ＴＣが室温、即ち１５℃から２５℃程度のときにピークとなり、ＮＯ_x吸着率ＲＡはＮＯ_x吸着触媒１２の温度ＴＣが高くなるにつれて減少する。図３に示される例ではＮＯ_x吸着触媒１２の温度ＴＣがほぼ１７０℃まで上昇するとＮＯ_x吸着率ＲＡは零となる。図３から、ＮＯ_x吸着触媒１２の温度ＴＣが低いときにはＮＯ_x吸着率ＲＡは高く、従ってこのとき排気ガス中に含まれるＮＯ_xをＮＯ_x吸着触媒１２に良好に吸着しうることがわかる。

一方、図５には、ＮＯ_x吸着触媒１２から単位時間当り脱離されるＮＯ_x量を表すＮＯ_x脱離速度ＤＡがＮＯ_x吸着触媒１２の温度ＴＣの関数として示されており、またＮＯ_x吸蔵触媒１４に単位時間当り吸蔵されるＮＯ_x量を表すＮＯ_x吸蔵速度ＤＢがＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度ＴＣの関数として示されている。また、図５にはＮＯ_x吸着触媒１２へのＮＯ_x吸着量がＷ₁，Ｗ₂，Ｗ₃のときのＮＯ_x脱離速度ＤＡを表す曲線が示されており、この場合Ｗ₁からＷ₃に向かうに従ってＮＯ_x吸着量が多くなっている。また、図５にはＮＯ_x吸蔵触媒１４へのＮＯ_x吸蔵量がＱ₁，Ｑ₂，Ｑ₃のときのＮＯ_x吸蔵速度ＤＢを表す曲線が示されており、この場合Ｑ₁からＱ₃に向かうに従ってＮＯ_x吸蔵量が多くなっている。

ＮＯ_x吸着触媒１２は或る触媒温度ＴＣを境にしてＮＯ_xの吸着作用とＮＯ_xの脱離作用を行う。本発明による実施例ではこの或る触媒温度ＴＣはほぼ１７０℃であり、従って図３に示されるように触媒温度ＴＣがほぼ１７０℃まで上昇するとＮＯ_x吸着率ＲＡが零となり、図５に示されるように触媒温度ＴＣが１７０℃よりも高くなると触媒温度ＴＣの上昇に伴ないＮＯ_x脱離速度ＤＡが指数関数的に増大する。なお、ＮＯ_x吸着量Ｗが多いほどＮＯ_xの脱離量も増大するので同一の触媒温度ＴＣにおいてはＮＯ_x吸着量Ｗが多いほどＮＯ_x脱離速度ＤＡが高くなる。

一方、図５に示されるＮＯ_x吸蔵速度ＤＢはＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度ＴＣに対して図３に示されるＮＯ_x吸蔵率ＲＢと同じ様な変化をする。即ち、ＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度ＴＣがほぼ１３０℃以上になるとＮＯ_x吸蔵速度ＤＢが上昇しはじめ、ＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度ＴＣがほぼ３００℃まで上昇するとＮＯ_x吸蔵速度ＤＢがピークとなる。なお、ＮＯ_x吸蔵量Ｑが増大するほどＮＯ_xが吸蔵されずらくなるので同一の触媒温度ＴＣにおいてはＮＯ_x吸蔵量Ｑが増大するほどＮＯ_x吸蔵速度ＤＢは低くなる。

さて、機関始動時や機関低負荷運転時のようにＮＯ_x吸着触媒１２の温度ＴＣが低いときにはＮＯ_x吸着触媒１２にＮＯ_xが吸着され続ける。この場合、ＮＯ_x吸着触媒１２に或る程度のＮＯ_xが吸着したときにはＮＯ_x吸着触媒１２からＮＯ_xを脱離させることが好ましい。と言うのは、ＮＯ_xを脱離させておくと次にＮＯ_x吸着触媒１２の温度ＴＣが低くなったときにＮＯ_xを十分に吸着しうるからである。ただしこの場合、ＮＯ_xを脱離させると言ってもＮＯ_x吸蔵触媒１４がＮＯ_x吸蔵能力を有しないときＮＯ_x吸着触媒１２からＮＯ_xを脱離させるとこのＮＯ_xはＮＯ_x吸蔵触媒１４に吸蔵されることなく大気中に排出されてしまう。

そこで本発明では、ＮＯ_x吸蔵触媒１４がＮＯ_xを吸蔵しうるときにはＮＯ_x吸蔵触媒１４が吸蔵しうる量のＮＯ_xを脱離させる目標温度までＮＯ_x吸着触媒１２の温度ＴＣを強制的に上昇させてＮＯ_x吸着触媒１２から脱離したＮＯ_xをＮＯ_x吸蔵触媒１４に吸蔵させるようにしている。

ただしこの場合、ＮＯ_x吸着触媒１２からのＮＯ_x脱離量がＮＯ_x吸蔵触媒１４に吸蔵しうるＮＯ_x量よりも多いと脱離したＮＯ_xの一部がＮＯ_x吸蔵触媒１４に吸蔵されることなく大気中に放出されることになる。本発明ではこのようにＮＯ_xが大気中に放出されるのを阻止するためにＮＯ_x吸着触媒１２からのＮＯ_x脱離量がＮＯ_x吸蔵触媒１４に吸蔵しうるＮＯ_x量以下となるようにＮＯ_x吸着触媒１２からＮＯ_xが脱離せしめられる。

即ち本発明では、ＮＯ_x吸着触媒１２からＮＯ_xを脱離させるために上昇すべきＮＯ_x吸着触媒１２の目標温度ＴＯは、ＮＯ_x吸着触媒１２からのＮＯ_x脱離量がＮＯ_x吸蔵触媒１４に吸蔵しうるＮＯ_x量以下となる温度とされている。言い換えると本発明では上昇すべきＮＯ_x吸着触媒１２の目標温度ＴＯは、ＮＯ_x脱離速度ＤＡがＮＯ_x吸蔵速度ＤＢ以下となる温度とされている。

次にこの目標温度ＴＯの求め方について図５を参照しつつ説明する。図５はＮＯ_x吸着量がＷ₃であり、ＮＯ_x吸蔵量がＱ₁であり、ＮＯ_x吸蔵速度ＤＢが予め定められたＮＯ_x吸蔵速度ＤＢ₀を越えたときに、即ちＮＯ_x吸蔵触媒１４が図５の黒丸ｂ₁で示される状態であるときにＮＯ_x吸着触媒１２を昇温させてＮＯ_xを脱離させるようにした場合を示している。図５に示される例ではこのときＮＯ_x吸着触媒１２は図５の黒丸ａ₁で示される状態にある。また、この例ではこのときＮＯ_x吸着触媒１２の温度ＴＣの方がＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度ＴＣよりも高くなっている。

さて、ＮＯ_x吸蔵触媒１４が黒丸ｂ₁で示される状態にあるときのＮＯ_x吸蔵速度ＤＢは黒丸ｂ₁を通る横線ＤＢ₁で表され、この横線ＤＢ₁と実線Ｗ₃との交点における触媒温度Ｔ₁はＮＯ_x吸着量がＷ₃のときのＮＯ_x吸着触媒１２のＮＯ_x脱離速度ＤＡがＮＯ_x吸蔵速度ＤＢ₁と等しくなるときの温度を示している。即ち、ＮＯ_x吸蔵触媒１４が黒丸ｂ₁で示される状態にあり、ＮＯ_x吸着触媒１２のＮＯ_x吸着量がＷ₃のときにＮＯ_x吸着触媒１２の温度ＴＣがＴ₁になるとＮＯ_x脱離速度ＤＡがＮＯ_x吸蔵速度ＤＢ₁に等しくなくなる。このとき理論的にはＮＯ_x吸着触媒１２から脱離した全ＮＯ_xがＮＯ_x吸蔵触媒１４に吸蔵される。

この場合、ＮＯ_x吸着触媒１２の温度ＴＣがＴ₁よりも高くなるとＮＯ_x脱離速度ＤＡがＮＯ_x吸蔵速度ＤＢ₁よりも高くなって脱離したＮＯ_x量の方が吸蔵されるＮＯ_x量よりも多くなる。従ってＮＯ_x吸着触媒１２の温度ＴＣはＴ₁よりも高くすることはできない。これに対し、ＮＯ_x吸着触媒１２の温度ＴＣがＴ₁よりも低いときにはＮＯ_x脱離速度ＤＡはＮＯ_x吸蔵速度ＤＢ₁よりも低くなり、斯くしてこのときには脱離したＮＯ_xが確実にＮＯ_x吸蔵触媒１４に吸蔵される。

さて、図５に示す例では前述したようにＮＯ_x吸蔵触媒１４が黒丸ｂ₁で示される状態にあるときにはＮＯ_x吸着触媒１２は黒丸ａ₁で示される状態にある。このときにはＮＯ_x脱離速度ＤＡがＮＯ_x吸蔵速度ＤＢ₁よりもかなり低くなっている。このときＮＯ_x吸着触媒１２の温度ＴＣをＴ₁を越えない範囲でＴ₁近くまで上昇させるとＮＯ_x脱離速度ＤＡはＮＯ_x吸蔵速度ＤＢ₁を越えない範囲で高くなり、斯くしてＮＯ_x吸着触媒１２から急速にＮＯ_xを脱離できることになる。

そこで本発明ではＮＯ_x吸着触媒１２の温度ＴＣをＴ₁よりも若干低い温度に向けて上昇せしめるようにしている。即ち、上昇すべきＮＯ_x吸着触媒１２の目標温度ＴＯがＴ₁より若干低い温度とされる。なお、ＮＯ_x吸着触媒１２の昇温作用は例えば燃料噴射弁３からの燃料噴射時期を遅角して排気ガス温を上昇させることにより、或いは膨張行程時に燃焼室２内に追加の燃料を供給して排気ガスを上昇させることにより行われる。

昇温作用が開始されてから一定時間経過したときのＮＯ_x吸着触媒１２の状態およびＮＯ_x吸蔵触媒１４の状態が夫々黒丸ａ₂，ｂ₂で示されている。昇温作用が開始されてから一定時間を経過すると図５に示されるようにＮＯ_x吸着触媒１２の温度ＴＣは黒丸ａ₂で示される温度まで上昇すると共にＮＯ_xの脱離によりＮＯ_x吸着量はＷ₂′まで減少する。一方、ＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度ＴＣは黒丸ｂ₂で示される温度まで上昇すると共に脱離したＮＯ_xおよび機関から排出されたＮＯ_xの吸蔵によりＮＯ_x吸蔵量はＱ₁′まで増大する。

ＮＯ_x吸着触媒１２およびＮＯ_x吸蔵触媒１４が夫々黒丸ａ₂，ｂ₂で示される状態になるとＮＯ_x吸着触媒１２の目標温度ＴＯが更新される。即ち、黒丸ｂ₂を通る横線ＤＢ₂と黒丸ａ₂を通る実線Ｗ₂′との交点における触媒温度Ｔ₂が求められ、この触媒温度Ｔ₂よりも若干低い温度が新たな目標温度ＴＯとされる。新たな目標温度ＴＯが定まるとＮＯ_x吸着触媒１２の温度ＴＣがこの新たな目標温度ＴＯに向けて上昇せしめられる。図５にはこの新たな目標温度ＴＯに向けての昇温作用が開始されてから一定時間経過したときのＮＯ_x吸着触媒１２の状態およびＮＯ_x吸蔵触媒１４の状態が夫々黒丸ａ₃，ｂ₃で示されている。

ＮＯ_x吸着触媒１２およびＮＯ_x吸蔵触媒１４が夫々黒丸ａ₃，ｂ₃で示される状態になるとＮＯ_x吸着触媒１２の目標温度ＴＯが再び更新される。即ち、黒丸ｂ₃を通る横線ＤＢ₃と黒丸ａ₃を通る実線Ｗ₂との交点における触媒温度Ｔ₃が求められ、この触媒温度Ｔ₃よりも若干低い温度が新たな目標温度ＴＯとされる。新たな目標温度ＴＯが定まるとＮＯ_x吸着触媒１２の温度ＴＣがこの新たな目標温度ＴＯに向けて上昇せしめられる。図５にはこの新たな目標温度ＴＯに向けての昇温作用が開始されてから一定時間経過したときのＮＯ_x吸着触媒１２の状態およびＮＯ_x吸蔵触媒１４の状態が夫々黒丸ａ₄，ｂ₄で示されている。

ＮＯ_x吸着触媒１２およびＮＯ_x吸蔵触媒１４が夫々黒丸ａ₄，ｂ₄で示される状態になるとＮＯ_x吸着触媒１２の目標温度ＴＯが再度更新され、触媒温度Ｔ₄よりも若干低い温度が新たな目標温度ＴＯとされる。このようにＮＯ_x吸着触媒１２からのＮＯ_xの脱離作用中、目標温度ＴＯが繰返し更新され、それによってＮＯ_x吸着触媒１２からすみやかにＮＯ_xが脱離せしめられる。

なお、本発明による実施例では図５に示されるＮＯ_x吸着触媒１２からのＮＯ_x脱離速度ＤＡがＮＯ_x吸着触媒１２に吸着しているＮＯ_x吸着量ＷおよびＮＯ_x吸着触媒１２の温度ＴＣの関数として予めＲＯＭ３２内に記憶されており、ＮＯ_x吸蔵触媒１４へのＮＯ_x吸蔵速度ＤＢがＮＯ_x吸蔵触媒１４に吸蔵されているＮＯ_x吸蔵量ＱおよびＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度ＴＣの関数として予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

図６および図７は図５に示される昇温制御も含めた排気浄化処理を実行するためのルーチンを示しており、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６を参照するとまず初めにステップ１００において機関から単位時間当り排出される排出ＮＯ_x量ＮＯＸＡが算出される。この排出ＮＯ_x量ＮＯＸＡは要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図４に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。次いでステップ１０１では図３に示す関係からＮＯ_x吸着率ＲＡが算出され、次いでステップ１０２では図５に示す関係からＮＯ_x脱離速度ＤＡが算出される。

次いでステップ１０３では次式に基づいてＮＯ_x吸着触媒１２に吸着されているＮＯ_x吸着量Ｗが算出される。
Ｗ←Ｗ＋ＮＯＸＡ・ＲＡ−ＤＡ
即ち、単位時間当りＮＯ_x吸着触媒１２に吸着されるＮＯ_x吸着量はＮＯＸＡ・ＲＡとなり、単位時間当りＮＯ_x吸着触媒１２から脱離されるＮＯ_x脱離量はＤＡであるのでＮＯ_x吸着触媒１２へのＮＯ_x吸着量Ｗは上式で表されることになる。

次いでステップ１０４では図３に示す関係からＮＯ_x吸蔵率ＲＢが算出され、次いでステップ１０５では次式に基づいてＮＯ_x吸蔵触媒１４に吸蔵されているＮＯ_x吸蔵量Ｑが算出される。
Ｑ←Ｑ＋〔ＮＯＸＡ・（１−ＲＡ）＋ＤＡ〕・ＲＢ
即ち、単位時間当りＮＯ_x吸着触媒１２をすり抜けるＮＯ_x量はＮＯＸＡ・（１−ＲＡ）であり、単位時間当りＮＯ_x吸着触媒１２から脱離するＮＯ_x脱離量はＤＡであるので単位時間当りＮＯ_x吸蔵触媒１４に吸蔵されるＮＯ量は〔ＮＯＸＡ・（１−ＲＡ）＋ＤＡ〕・ＲＢとなり、斯くしてＮＯ_x吸蔵触媒１４へのＮＯ_x吸蔵量Ｑは上式で表されることになる。

次いでステップ１０６ではＮＯ_x吸着触媒１２からＮＯ_xを脱離するための昇温制御を実行すべきことを示す昇温フラグがセットされているか否かが判別される。昇温フラグがセットされていないときにはステップ１０７に進んでＮＯ_x吸着量Ｗが予め定められた下限量ＭＩＮよりも小さいか否かが判別される。ＮＯ_x吸着量Ｗが少なく、Ｗ＜ＭＩＮのときには昇温制御しても意味がないのでステップ１１０にジャンプする。

ステップ１１０ではＮＯ_x吸蔵触媒１４からＮＯ_xを放出するためにＮＯ_x吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチにするリッチ制御が行われる。このリッチ制御はＮＯ_x吸蔵量Ｑが予め定められた許容値を越えかつＮＯ_x吸蔵触媒１４が十分に活性化しているときに行われる。このリッチ制御が行われるとＮＯ_x吸蔵量Ｑは零にされる。

一方、ステップ１０７においてＷ≧ＭＩＮであると判別されたときにはステップ１０８に進んでＮＯ_x吸蔵量ＱとＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度ＴＣから定まるＮＯ_x吸蔵速度ＤＢが図５に示される予め定められたＮＯ_x吸蔵速度ＤＢ₀を越えているか否かが判別される。ＤＢ＞ＤＢ₀のときにはステップ１１１に進んで昇温フラグがセットされ、次いでステップ１１２において昇温制御が行われる。昇温フラグがセットされるとその後はステップ１００６からステップ１１２にジャンプする。

一方、ステップ１０８においてＤＢ≦ＤＢ₀であると判別されたときにはステップ１０９に進んでＮＯ_x吸着量Ｗが許容最大限界値ＭＡＸを越えたか否かが判別される。Ｗ＞ＭＡＸであると判別されたときにはステップ１１１に進んで昇温フラグがセットされる。即ち、ＮＯ_x吸着量Ｗが飽和吸着量に近ずいたときにはＮＯ_x吸蔵速度ＤＢが低いときでも昇温制御が開始される。

ステップ１１２における昇温制御は図７に示されている。図７を参照するとステップ１２０ではＮＯ_x吸蔵量ＱとＮＯ_x吸蔵触媒１４の温度ＴＣからＮＯ_x吸蔵速度ＤＢが算出される。次いでステップ１２１ではＮＯ_x吸蔵速度ＤＢとＮＯ_x吸着量Ｗから図５においてＴ₁，Ｔ₂，Ｔ₃，Ｔ₄で代表される触媒温度Ｔｉが算出される。次いでステップ１２２では触媒温度Ｔｉから小さな一定値αを減算することによって目標温度ＴＯが算出される。次いでステップ１２３ではＮＯ_x吸着触媒１２を昇温するために例えば膨張行程時に燃焼室２内に噴射される追加燃料の基本噴射量Ｑｆ₀が算出される。この基本噴射量Ｑｆ₀は現在のＮＯ_x吸着触媒１２の温度ＴＣと目標温度ＴＣとの温度差の関数として予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

次いでステップ１２４ではＮＯ_x吸着触媒１２の温度ＴＣが目標温度ＴＯよりも低いか否かが判別される。ＴＣ＞ＴＯのときにはステップ１２５に進んで基本噴射量Ｑｆ₀に対する補正量ΔＱｆに一定量βが加算され、次いでステップ１２７に進む。これに対し、ＴＣ≧ＴＯのときにはステップ１２６に進んで補正量ΔＱｆから一定値βが減算され、次いでステップ１２７に進む。ステップ１２７では基本噴射量Ｑｆ₀に補正量ΔＱｆを加算することによって最終的な追加燃料の噴射量Ｑｆが算出され、この噴射量Ｑｆでもって追加燃料の噴射作用が実行される。次いでステップ１２８ではＮＯ_x吸着量Ｗが零になったか否かが判別され、Ｗ＝０になったと判断されたときにはステップ１２９に進んで昇温フラグがリセットされる。

図８に別の実施例を示す。
この実施例ではＮＯ_x吸着触媒１２上流の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２３が配置されており、このＳＯ_xトラップ触媒２３にはＳＯ_xトラップ触媒２３の温度を検出するための温度センサ２４が取付けられている。

即ち、排気ガス中にはＳＯ_xが含まれており、このＳＯ_xがＮＯ_x吸着触媒１２に吸着するとＮＯ_x吸着触媒１２のＮＯ_x吸着能力が低下する。そこでこの実施例ではＮＯ_x吸着触媒１２にＳＯ_xが流入しないようにＮＯ_x吸着触媒１２の上流にＳＯ_xトラップ触媒２３が配置されている。このＳＯ_xトラップ触媒２３は通常はＳＯ_xを捕獲し続け、ＳＯ_xトラップ触媒２３からＳＯ_xが放出されることはない。

しかしながらＳＯ_xトラップ触媒２３の温度ＴＳが高くなるとＳＯ_xトラップ触媒２３からＳＯ_xが放出される。このようにＳＯ_xの放出される触媒温度ＴＳＯＸはＳＯ_xトラップ触媒２３の種類によるが通常５００℃以上である。ところでＮＯ_x吸着触媒１２からＮＯ_xを脱離すべきときに排気ガス温を上昇させることによってＮＯ_x吸着触媒１２を昇温させるようにした場合にはこのとき同時にＳＯ_xトラップ触媒２３も昇温せしめられることになる。

従ってこの場合、ＮＯ_x吸着触媒１２の温度ＴＣが目標温度ＴＯに向けて上昇せしめられたときにＳＯ_xトラップ触媒２３の温度ＴＳがＳＯ_xの放出される温度ＴＳＯＸよりも高くなるとＳＯ_xトラップ触媒２３からＳＯ_xが放出されることになる。従ってこの実施例ではＮＯ_x吸着触媒１２からＮＯ_xを脱離するために排気ガス温が上昇せしめられるときにはＳＯ_xトラップ触媒２３の温度ＴＳがＳＯ_xの放出される温度ＴＳＯＸ以下となるように目標温度ＴＯが定められる。

図９はこの実施例を実行するための昇温制御ルーチンを示している。このルーチンは図７に示されるルーチンのステップ１２３と１２４との間に鎖線で囲まれた部分Ｋが追加されただけであり、この部分Ｋ以外は図７に示すルーチンと同一であるので以下鎖線で囲まれた部分Ｋについてのみ説明する。鎖線で囲まれた部分Ｋを参照するとステップ１２３ａではＳＯ_xトラップ触媒２３の温度ＴＳがＳＯ_xの放出される温度ＴＳＯＸよりも高いか否かが判別される。ＴＳ≦ＴＳＯＸのときにはステップ１２４に進む。これに対しＴＳ＞ＴＳＯＸのときにはステップ１２３ｂに進んでＴＳ＜ＴＳＯＸとなるように目標温度ＴＯが予め定められた温度ΔＴＯだけ減少せしめられる。

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。ＮＯ_x吸着率およびＮＯ_x吸蔵率を示す図である。排出ＮＯ_x量ＮＯＸＡのマップを示す図である。ＮＯ_x脱離速度およびＮＯ_x吸蔵速度を示す図である。排気浄化処理を行うためのフローチャートである。昇温制御を行うためのフローチャートである。圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す全体図である。昇温制御を行うためのフローチャートである。

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
１２ＮＯ_x吸着触媒
１４ＮＯ_x吸蔵触媒

Claims

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、ＮＯ_x吸蔵触媒上流の機関排気通路内に、低温のときには排気ガス中に含まれるＮＯ_xを吸着し温度上昇すると吸着したＮＯ_xを脱離するＮＯ_x吸着触媒を配置した内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯ_x吸蔵触媒がＮＯ_xを吸蔵しうるときにはＮＯ_x吸蔵触媒が吸蔵しうる量のＮＯ_xを脱離させる目標温度までＮＯ_x吸着触媒の温度を強制的に上昇させてＮＯ_x吸着触媒から脱離したＮＯ_xをＮＯ_x吸蔵触媒に吸蔵させるようにした内燃機関の排気浄化装置。
上記目標温度は、ＮＯ_x吸着触媒からのＮＯ_x脱離速度がＮＯ_x吸蔵触媒へのＮＯ_x吸蔵速度以下となる温度とされる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記ＮＯ_x吸着触媒からのＮＯ_x脱離速度がＮＯ_x吸着触媒に吸着しているＮＯ_x吸着量およびＮＯ_x吸着触媒の温度の関数として予め記憶されており、上記ＮＯ_x吸蔵触媒へのＮＯ_x吸蔵速度がＮＯ_x吸蔵触媒に吸蔵されているＮＯ_x吸蔵量およびＮＯ_x吸蔵触媒の温度の関数として予め記憶されており、上記目標温度は、ＮＯ_x吸着触媒に吸着しているＮＯ_x吸着量、ＮＯ_x吸蔵触媒に吸蔵されているＮＯ_x吸蔵量およびＮＯ_x吸蔵触媒の温度に基づいて決定される請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
ＮＯ_x吸着触媒からのＮＯ_xの脱離作用中、上記目標温度が繰返し更新される請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記ＮＯ_x吸着触媒上流の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、ＮＯ_x吸着触媒からＮＯ_xを脱離すべきときにはＳＯ_xトラップ触媒に流入する排気ガス温を上昇させることによってＮＯ_x吸着触媒を昇温させ、このときＳＯ_xトラップ触媒の温度がＳＯ_xの放出される温度以下となるように上記目標温度が定められる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。