JP4349361B2

JP4349361B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP4349361B2
Application number: JP2005349805A
Authority: JP
Inventors: 俊祐利岡; 孝充浅沼; 伸基大橋; 佳久塚本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-12-02
Filing date: 2005-12-02
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2025-12-02
Also published as: EP1956209B1; EP1956209A4; JP2007154731A; US7845163B2; EP1956209A1; CN101107431A; WO2007064047A1; CN100582454C; US20080098729A1

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

特許文献１に、酸化触媒を備えると共に該酸化触媒の下流にディーゼルパティキュレートフィルタ（以下「ＤＰＦ」という）を備える排気浄化装置が開示されている。この排気浄化装置では、酸化触媒によって排気ガス中のＮＯをＮＯ_２に酸化させ、ＤＰＦにおいてこのＮＯ_２を酸化剤として利用してパティキュレートを連続的に酸化・燃焼除去するようにしている。また、この排気浄化装置では、ＤＰＦに堆積しているパティキュレート量が一定量を超えてしまったときには、酸化触媒にＨＣ（炭化水素）を供給し、該酸化触媒にてＨＣを燃焼させて排気ガスの温度を上昇させることによって、ＤＰＦの温度を上昇させ、該ＤＰＦに堆積しているパティキュレートを酸化・燃焼除去するようにしている。

ところで、特許文献１に開示されている排気浄化装置では、酸化触媒にＨＣを供給しているときに、酸化触媒にＨＣが吸着されることがある。ここで、酸化触媒に多量のＨＣが吸着されていると、このＨＣが急激に燃焼して酸化触媒が熱劣化する可能性がある。そこで、特許文献１に開示されている排気浄化装置では、酸化触媒に吸着されているＨＣ量が一定値を超えたときには、酸化触媒に供給するＨＣ量を少なくするか或いは酸化触媒へのＨＣの供給を中止するようにしている。

特開２００４−３６５４３号公報（段落００２０，００２１）特開平１１−６２５５９号公報特開平１１−１５３０２２号公報

このように、特許文献１に開示されている排気浄化装置では、ＤＰＦの温度を上昇させる目的でもって酸化触媒にＨＣを供給するときに、酸化触媒の熱劣化を抑制しようとしている。そして、内燃機関の排気浄化装置の分野においては、排気浄化装置の構成要素の１つに特定の目的でもってＨＣを供給したときに、該排気浄化装置の構成要素の熱劣化を抑制するという要請の他に、該排気浄化装置の構成要素においてＨＣが消費されずにそのままそこから流出してしまうことを抑制するという要請もある。

そこで、本発明の目的は、ＨＣを酸化する能力を有するＨＣ触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置において、ＨＣ触媒にＨＣを供給したときにＨＣ触媒においてＨＣが消費されずにＨＣ触媒から多量のＨＣが流出してしまうことを抑制することにある。

上記課題を解決するために、１番目の発明では、ＨＣを酸化する能力を有すると共にＨＣを保持したり該保持したＨＣを放出したりする能力をも有し、ＨＣを酸化する量よりも保持したＨＣを放出する量のほうが多くなる特定の条件が存在するＨＣ触媒を具備し、特定の目的で該ＨＣ触媒にＨＣを供給するＨＣ供給制御を実行する内燃機関の排気浄化装置において、上記ＨＣ供給制御を実行したときに上記特定の条件が成立した場合には該ＨＣ供給制御によってＨＣ触媒に供給するＨＣ量を少なくするか或いは該ＨＣ供給制御を中止する。

２番目の発明では、１番目の発明において、上記特定の条件がＨＣ触媒が保持している総ＨＣ量が所定量よりも多く且つＨＣ触媒の温度上昇率と内燃機関に吸入される空気量の増大率と内燃機関の燃焼室に供給される燃料量の増大率とアクセルペダル踏込量の増大率との少なくとも１つが所定値よりも大きいことである。

上記課題を解決するために、３番目の発明では、ＨＣを酸化する能力を有し、ＨＣを酸化するのに要する時間よりもＨＣが留まる時間のほうが短くなる特定の条件が存在するＨＣ触媒を具備し、特定の目的で該ＨＣ触媒にＨＣを供給するＨＣ供給制御を実行する内燃機関の排気浄化装置において、上記ＨＣ供給制御を実行したときに上記特定の条件が成立した場合には該ＨＣ供給制御によってＨＣ触媒に供給するＨＣ量を少なくするか或いは該ＨＣ供給制御を中止する。

４番目の発明では、１または３番目の発明において、上記特定の条件がＨＣ触媒が保持している総ＨＣ量が所定量よりも多く且つＨＣ触媒を通過する排気ガス量とその増大率と内燃機関の燃焼室に吸入される空気量とその増大率とアクセルペダル踏込量とその増大率との少なくとも１つが所定値よりも大きいことである。

５番目の発明では、１〜４番目の発明のいずれか１つにおいて、流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときにはＮＯｘを保持し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチとなると保持しているＮＯｘを還元するＮＯｘ触媒を上記ＨＣ触媒下流に具備し、上記特定の目的が該ＮＯｘ触媒に理論空燃比またはリッチの排気ガスを流入させることである。

６番目の発明では、１〜４番目の発明のいずれか１つにおいて、流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときにはＮＯｘを保持し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチとなると保持しているＮＯｘを還元するＮＯｘ触媒を上記ＨＣ触媒下流に具備し、上記特定の目的が上記ＨＣ触媒の温度を上昇させると共に上記ＮＯｘ触媒に理論空燃比またはリッチの排気ガスを流入させることであり、上記ＨＣ触媒の温度を上昇させるために上記ＨＣ供給制御を実行するときには該ＨＣ触媒の温度上昇率が所定値よりも小さく維持されるように上記ＨＣ供給制御によってＨＣ触媒に供給するＨＣ量を制御する。

７番目の発明では、１〜５番目の発明のいずれか１つにおいて、上記特定の目的が上記ＨＣ触媒の温度を上昇させることであり、該特定の目的でもって上記ＨＣ供給制御を実行するときには該ＨＣ触媒の温度上昇率が所定値よりも小さく維持されるように上記ＨＣ供給制御によってＨＣ触媒に供給するＨＣ量を制御する。

８番目の発明では、７番目の発明において、上記特定の目的が内燃機関が始動されたときに上記ＨＣ触媒の温度を上昇させることである。

本発明によれば、ＨＣ供給制御が実行されたときにＨＣ触媒から多量のＨＣが流出することが抑制される。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の排気浄化装置を備えた圧縮自着火式内燃機関（いわゆるディーゼルエンジン）を示している。しかしながら、大部分の運転領域において混合気の空燃比がリーンとなっている内燃機関（例えば、いわゆるリーンバーンエンジン）にも本発明は適用可能である。

図１において、１は内燃機関の本体、２は燃焼室、３は燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドを示している。吸気マニホルド４には、吸気管６が接続されている。吸気管６には、インタークーラ７が配置されている。一方、排気マニホルド５には、排気管８が接続されている。また、図１において、９は、吸気管６内に配置されるコンプレッサ１０と排気管８内に配置される排気タービン１１とを有する排気ターボチャージャを示している。コンプレッサ１０よりも上流の吸気管６内には、スロットル弁１２が配置されている。そして、スロットル弁１２よりも上流の吸気管６には、エアフローメータ１３が取り付けられている。このエアフローメータ１３によって、燃焼室２内に吸入される空気の量が検出される。

さらに、排気タービン１１よりも下流の排気管８内には、ＨＣ触媒１４が配置されている。そして、ＨＣ触媒１４の直ぐ下流の排気管８内には、ＮＯｘ触媒１５が配置されている。また、排気タービン１１とＨＣ触媒１４との間の排気管８には、温度センサ１６が取り付けられている。この温度センサ１６によって、ＨＣ触媒１４に流入する排気ガスの温度が検出される。また、排気マニホルド５には、炭化水素（ＨＣ）を排気ガス中に添加するＨＣ添加装置１７が取り付けられている。なお、本実施形態では、ＨＣ添加装置１７が排気ガス中に添加するＨＣとして、内燃機関の駆動用に燃焼室２に供給される燃料が使用される。

ところで、ＨＣ触媒１４は、その温度が或る温度よりも高いときにＨＣを酸化する能力を有する。そして、ＨＣ触媒は、その温度が上記或る温度（以下「活性温度」という）よりも低いときにＨＣを吸着などによって保持する能力をも有する。もちろん、ＨＣ触媒は、その温度が活性温度よりも高くてもＨＣを全く保持しないわけではく、また、その温度が活性温度よりも低くてもＨＣを全く酸化しないわけではない。すなわち、ＨＣ触媒は、正確には、その温度が活性温度よりも高いときには、ＨＣを高い率で酸化し、その温度が活性温度よりも低いときには、ＨＣを高い率で保持するものであると言える。

一方、ＮＯｘ触媒１５は、その温度が或る温度よりも高いときにそこに流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときにはＮＯｘ（窒素酸化物）を吸収または吸着などによって保持し、一方、その温度が上記或る温度（以下「活性温度」という）よりも高いときにそこに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチになるとそこに保持しているＮＯｘを放出して還元浄化する能力を有する。

ところで、図１に示した圧縮自着火式の内燃機関は、ほとんどの運転領域において、混合気の空燃比がリーンの状態で運転せしめられることから、ほとんどの運転領域において、ＮＯｘ触媒１５に流入する排気ガスの空燃比もリーンである。したがって、機関運転中、ＮＯｘ触媒に保持されているトータルのＮＯｘ量（以下「総ＮＯｘ保持量」という）は、徐々に増大することになる。ところが、ＮＯｘ触媒が保持可能なＮＯｘの量には限界があり、総ＮＯｘ保持量がこの限界値（以下「ＮＯｘ保持限界値」という）を超えてしまうと、ＮＯｘ触媒は、もはや、新たにＮＯｘを保持することができず、ＮＯｘ触媒下流へＮＯｘが流出してしまうことになる。

そこで、本実施形態では、基本的には、機関運転中、総ＮＯｘ保持量を監視し、この総ＮＯｘ保持量がＮＯｘ保持限界値に達したとき、或いは、ＮＯｘ保持限界値に達する直前に、ＮＯｘ触媒１５に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチとなるようにＨＣ添加装置１７から排気ガス中にＨＣを添加する制御（以下「還元ＨＣ添加制御」という）を実行する。これによれば、ＮＯｘ触媒に理論空燃比またはリッチの排気ガスが供給されることになるので、ＮＯｘ触媒に保持されているＮＯｘは、ＮＯｘ触媒から放出され、排気ガス中のＨＣを還元剤として還元浄化される。そして、その結果、総ＮＯｘ保持量が少なくなり、ＮＯｘ触媒は、新たにＮＯｘを保持することができるようになる。

なお、還元ＨＣ添加制御を実行する場合、ＨＣ添加装置１７から排気ガス中へのＨＣの添加は、総ＮＯｘ保持量が零になるまで行われることが好ましい。

また、本実施形態では、還元ＨＣ添加制御を実行するとき、ＨＣ触媒１４の温度がその活性温度よりも高くなっていることを前提としている（ＨＣ触媒の温度がその活性温度よりも低い場合における還元ＨＣ添加制御については後述する）。したがって、還元ＨＣ添加制御が実行されたとき、ＨＣ添加装置１７から排気ガス中に添加されたＨＣ（以下「添加ＨＣ」ともいう）は、まず、ＨＣ触媒１４に流入する。このとき、ＨＣ触媒の温度がその活性温度よりも高くなっているので、ＨＣ触媒に流入したＨＣは、ＨＣ触媒で酸化される。このとき、排気ガス中の酸素が消費されることから、排気ガス中の酸素濃度が確実に低下する。これによれば、ＮＯｘ触媒１５に流入する排気ガスの空燃比を確実に理論空燃比またはリッチとすることができる。

ところで、還元ＨＣ添加制御が実行されたとき、添加ＨＣは、まず、ＨＣ触媒１４に流入する。ここで、本実施形態では、ＨＣ触媒の温度がその活性温度よりも高くなっていることから、ＨＣ触媒に流入したＨＣは、基本的には、ＨＣ触媒において酸化されることになるのであるが、このとき、実際には、ＨＣ触媒は、流入してきたＨＣを保持したり該保持したＨＣを放出したりを繰り返しつつＨＣを酸化している。したがって、ＨＣ触媒の温度がその活性温度よりも高いときであっても、ＨＣ触媒には、定常的に一定量のＨＣが保持されていることになる。

そして、このとき、ＨＣ触媒１４が酸化可能なＨＣ量（以下「ＨＣ触媒のＨＣ酸化可能量」という）が、ＨＣ触媒が放出するＨＣ量（以下「ＨＣ触媒のＨＣ放出量」という）よりも多ければ、ＨＣ触媒から多量のＨＣが流出することはない。しかしながら、ＨＣ触媒が定常的に保持しているＨＣ量（すなわち、総ＨＣ保持量）が比較的多く且つＨＣ触媒の温度上昇率が比較的大きいと、ＨＣ触媒のＨＣ放出量が多くなり、ＨＣ触媒のＨＣ酸化可能量よりも、ＨＣ触媒のＨＣ放出量のほうが多くなることがある。この場合、ＨＣ触媒から比較的多量のＨＣが流出してしまうことになる。すなわち、本実施形態のＨＣ触媒には、還元ＨＣ添加制御が実行されたときに、ＨＣ触媒のＨＣ酸化可能量よりも、ＨＣ触媒のＨＣ放出量のほうが多くなる条件が存在する。

そこで、本実施形態では、還元ＨＣ添加制御が実行されたときに、ＨＣ触媒１４の総ＨＣ保持量が所定量よりも多く且つＨＣ触媒の温度上昇率が所定値よりも大きい場合には、ＨＣ添加装置１７から排気ガス中に添加するＨＣの量（以下「ＨＣ添加装置からのＨＣ添加量」という）を通常の量よりも少なくするか、或いは、還元ＨＣ添加制御自体を中止する。これによれば、還元ＨＣ添加制御の実行中、ＨＣ触媒から多量のＨＣが流出してしまうことが抑制される。

なお、ＨＣ添加装置１７からのＨＣ添加量に関する上記通常の量とは、ＨＣ触媒１４の総ＨＣ保持量が所定量よりも少ないとき、或いは、ＨＣ触媒の温度上昇率が所定値よりも小さいときに、還元ＨＣ添加制御においてＨＣ添加装置から排気ガス中に添加するＨＣの量であり、以下の説明における通常の量も同様である。

ところで、上述した実施形態では、還元ＨＣ添加制御を実行しようとしたとき、ＨＣ触媒１４の温度がその活性温度よりも高くなっていることを前提としていたが、もちろん、還元ＨＣ添加制御を実行しようとしたとき、ＨＣ触媒の温度がその活性温度よりも低いこともある。このとき、還元ＨＣ添加制御を実行したとしても、添加ＨＣがＨＣ触媒に保持されてしまい、ＨＣ触媒に保持されてしまうＨＣ量が多ければ、ＮＯｘ触媒１５に理論空燃比またはリッチの排気ガスを供給することができないし、上述したように、ＮＯｘ触媒に流入する排気ガスの空燃比を確実に理論空燃比またはリッチにするためには、ＨＣ触媒においてＨＣを酸化させることによって排気ガス中の酸素を消費することが好ましい。いずれにしても、還元ＨＣ添加制御を実行するときには、ＨＣ触媒の温度がその活性温度よりも高くなっていることが好ましい。

そこで、上述した実施形態では、還元ＨＣ添加制御を実行しようとしたときに、ＨＣ触媒１４の温度がその活性温度よりも低い場合には、まず、ＨＣ触媒の温度を上昇させるのに必要な分だけＨＣ添加装置１７から排気ガス中にＨＣを添加する制御（以下「予備ＨＣ添加制御」という）を実行する。これによれば、添加ＨＣがＨＣ触媒にて徐々にではあるが酸化され、ＨＣ触媒の温度が上昇する。そして、ＨＣ触媒の温度がその活性温度よりも高くなったときに、還元ＨＣ添加制御を実行する。

ところで、予備ＨＣ添加制御の実行中においてＨＣ触媒１４の温度上昇率が比較的大きいと、ＨＣ触媒のＨＣ酸化可能量よりもＨＣ触媒のＨＣ放出量のほうが多くなる可能性がある。この場合、ＨＣ触媒から比較的多量のＨＣが流出してしまう。また、予備ＨＣ添加制御の実行中においてＨＣ触媒の温度上昇率が比較的大きいと、その後に続く還元ＨＣ添加制御の少なくとも初期段階においてもＨＣ触媒の温度上昇率が比較的大きいことになる。この場合、還元ＨＣ添加制御の初期段階においてＨＣ触媒のＨＣ酸化可能量よりもＨＣ触媒のＨＣ放出量のほうが多くなる可能性がある（実際には、予備ＨＣ添加制御の実行中、すなわち、ＨＣ触媒の温度がその活性温度よりも低いときには、ＨＣ触媒のＨＣ保持量が増大する傾向にあり、その後に続く還元ＨＣ添加制御の実行中は、ＨＣ触媒のＨＣ放出量が比較的多いことから、ＨＣ触媒のＨＣ酸化可能量よりもＨＣ触媒のＨＣ放出量のほうが多くなる可能性は、予備ＨＣ添加制御の実行中よりも、還元ＨＣ添加制御の実行中のほうが高い）。

いずれにしても、ＨＣ触媒１４から多量のＨＣが流出することを抑制するという観点では、予備ＨＣ添加制御の実行中にＨＣ触媒の温度上昇率が大きいことは好ましくない。ここで、ＨＣ触媒に供給されるＨＣ量が多いと、ＨＣ触媒の温度上昇率が大きくなる傾向にあり、逆に、ＨＣ触媒に供給されるＨＣ量が少ないと、ＨＣ触媒の温度上昇率が小さくなる傾向にある。そこで、本実施形態では、予備ＨＣ添加制御の実行中におけるＨＣ触媒の温度上昇率が所定値以下となるように、ＨＣ添加装置１７からのＨＣ添加量を制御する。

なお、上述した予備ＨＣ添加制御の実行中におけるＨＣ触媒１４の温度上昇率に関する所定値は、そのときのＨＣ触媒の総ＨＣ保持量に応じて設定され、ＨＣ触媒の総ＨＣ保持量が多いと小さく設定される傾向にある。

ところで、燃焼室２に吸入される空気の量（以下「吸気量」という）が増大すると、多くの場合、燃料噴射弁３から燃焼室２に供給される燃料の量が増大し、その結果、燃焼室２から排出される排気ガスの温度が上昇し、その排気ガスが流入するＨＣ触媒１４の温度も上昇する。したがって、吸気量の増大率が大きいことは、ＨＣ触媒の温度上昇率も大きいことを意味する。このため、ＨＣ触媒の総ＨＣ保持量が比較的多いときに吸気量の増大率が大きい場合、ＨＣ触媒のＨＣ酸化可能量よりもＨＣ触媒のＨＣ放出量のほうが多くなる可能性が高い。

そこで、上述した実施形態において、還元ＨＣ添加制御が実行されたときに、ＨＣ触媒１４の総ＨＣ保持量が所定量よりも多く且つ吸気量の増大率が所定値よりも大きい場合に、ＨＣ添加装置１７からのＨＣ添加量を通常の量よりも少なくするか、或いは、還元ＨＣ添加制御自体を中止するようにしてもよい。

もちろん、燃料噴射弁３から燃焼室２に供給される燃料の量が増大すると、燃焼室２から排出される排気ガスの温度が上昇し、その排気ガスが流入するＨＣ触媒１４の温度も上昇することから、上述した実施形態において、還元ＨＣ添加制御が実行されたときに、ＨＣ触媒の総ＨＣ保持量が所定量よりも多く且つ燃料噴射弁３から燃焼室２に供給される燃料の量の増大率が所定値よりも大きい場合に、ＨＣ添加装置１７からのＨＣ添加量を通常の量よりも少なくするか、或いは、還元ＨＣ添加制御自体を中止するようにしてもよい。

また、アクセルペダルの踏込量が増大すると、多くの場合、吸気量が増大し、燃料噴射弁３から燃焼室２に供給される燃料の量が増大し、その結果、燃焼室２から排出される排気ガスの温度が上昇し、その排気ガスが流入するＨＣ触媒１４の温度も上昇する。したがって、上述した実施形態において、還元ＨＣ添加制御が実行されたときに、ＨＣ触媒の総ＨＣ保持量が所定量よりも多く且つアクセルペダル踏込量の増大率が所定値よりも大きい場合に、ＨＣ添加装置１７からのＨＣ添加量を通常の量よりも少なくするか、或いは、還元ＨＣ添加制御自体を中止するようにしてもよい。

なお、上述した実施形態および後述する実施形態において、ＨＣ触媒１４の総ＨＣ保持量に関する所定量、ＨＣ触媒の温度上昇率に関する所定値、吸気量の増大率に関する所定値、燃焼室２に供給される燃料の量に関する所定値、および、アクセルペダル踏込量に関する所定値は、それぞれ、ＨＣ触媒の性能（例えば、ＨＣ触媒のＨＣ保持能力やＨＣ酸化能力）の劣化度合に応じて設定され、ＨＣ触媒の性能の劣化度合が大きくなると小さく設定される傾向にある。

また、上述した実施形態および後述する実施形態において、ＨＣ触媒１４の温度は、温度センサ１６によって検出されるＨＣ触媒に流入する排気ガスの温度から推定される。

また、ＨＣ触媒１４の総ＨＣ保持量は、例えば、以下のようにして算出される。すなわち、ＨＣ触媒の温度がその活性温度よりも低いときに燃焼室２から排出されたＨＣのうちＨＣ触媒に保持されるＨＣの量を機関回転数や機関負荷などの機関運転状態毎に予め実験などによって求めてＥＣＵなどに記憶しておくと共に、ＨＣ触媒の温度がその活性温度よりも高くなったときにＨＣ触媒に保持されているＨＣのうち酸化除去されるＨＣの量を予め実験などによって求めてＥＣＵなどに記憶しておく。そして、機関運転中、ＨＣ触媒の温度がその活性温度よりも低い間は、機関運転状態に応じて燃焼室２から排出されたＨＣのうちＨＣ触媒に保持されるＨＣの量をＥＣＵから読み出し、この読み出したＨＣ量を積算し、ＨＣ触媒の温度がその活性温度よりも高い間は、ＨＣ触媒に保持されているＨＣのうち酸化除去されるＨＣの量をＥＣＵから読み出し、この読み出したＨＣ量を差し引く。斯くして、総ＨＣ保持量が算出される。

また、予備ＨＣ添加制御の実行中にＨＣ触媒の温度上昇率が所定値以下となるようにＨＣ添加装置１７からのＨＣ添加量を制御する場合、ＨＣ添加装置は、例えば、ＨＣ触媒１４の温度上昇率を所定値以下に維持することができるＨＣの量とＨＣ添加装置からＨＣを添加する時間間隔との組合せを予め実験などによって求めてＥＣＵに記憶しておき、予備ＨＣ添加制御の実行中、ＨＣ触媒の温度上昇率に関する所定値に応じて、ＨＣ添加装置から添加すべきＨＣの量とＨＣ添加装置からＨＣを添加する時間間隔との組合せをＥＣＵから読み出し、読み出された時間間隔でもって読み出された量だけＨＣ添加装置からＨＣが添加されるように制御される。

なお、予備ＨＣ添加制御において、ＨＣ添加装置１７から添加すべきＨＣの量を吸気量に応じて決定し、ＨＣ添加装置からＨＣを添加する時間間隔をＨＣ触媒１４の総ＨＣ保持量に応じて決定するようにしてもよい。この場合、ＨＣ添加装置から添加すべきＨＣの量と吸気量との関係として、例えば、図２（Ａ）に示した関係を採用することができる。図２（Ａ）に示されている関係では、吸気量が多いほど、ＨＣ添加装置から添加すべきＨＣの量が多く設定される。また、ＨＣ添加装置からＨＣを添加する時間間隔と総ＨＣ保持量との関係として、例えば、図２（Ｂ）に示した関係を採用することができる。図２（Ｂ）に示されている関係では、総ＨＣ保持量が多いほど、ＨＣ添加装置からＨＣを添加する時間間隔が長く設定される。

また、予備ＨＣ添加制御の実行中にＨＣ触媒１４の温度上昇率が所定値以下となるようにＨＣ添加装置１７からのＨＣ添加量を制御する場合、温度センサによってＨＣ触媒の温度を検出し、或いは、温度推定ロジックによってＨＣ触媒の温度を推定し、斯くして得られたＨＣ触媒の温度に基づいて、ＨＣ触媒の温度上昇率が所定値以下となるように、ＨＣ添加装置からのＨＣ添加量とＨＣ添加装置からＨＣを添加する時間間隔とをフィードバック制御してもよい。

なお、上述した実施形態では、還元ＨＣ添加制御が実行されたときに、ＨＣ触媒１４の総ＨＣ保持量が所定量よりも多く且つＨＣ触媒の温度上昇率、吸気量の増大率、燃焼室２に供給される燃料量の増大率、または、アクセルペダル踏込量の増大率が所定値よりも大きいという特定の条件が成立した場合に、ＨＣ添加装置１７からのＨＣ添加量が通常の量よりも少なくされるか、或いは、還元ＨＣ添加制御自体が中止される。ここで、こうした特定の条件が成立した場合とは、ＨＣ触媒のＨＣ酸化可能量よりもＨＣ触媒のＨＣ放出量のほうが多い場合であるが、上述した具体的な条件以外の条件が成立した場合にも、ＨＣ触媒のＨＣ酸化可能量よりもＨＣ触媒のＨＣ放出量のほうが多くなることがあり、この場合にも本発明を適用可能である。したがって、本発明は、広くは、還元ＨＣ添加制御が実行されたときに、ＨＣ触媒のＨＣ酸化可能量よりもＨＣ触媒のＨＣ放出量のほうが多くなる条件が成立した場合に、ＨＣ添加装置からのＨＣ添加量を通常の量よりも少なくするか、或いは、還元ＨＣ添加制御自体を中止するものであると言える。

また、上述では、ＮＯｘ触媒１５に保持されているＮＯｘを還元浄化する目的で、ＨＣ添加装置１７からのＨＣ添加（還元ＨＣ添加制御）が行われる場合に本発明を適用した例を説明した。しかしながら、ＨＣ触媒１４にＨＣが供給されれば、ＨＣ触媒の温度が上昇することから、単に、ＨＣ触媒の温度を上昇させる目的で、ＨＣ添加装置からのＨＣ添加を行う場合にも本発明を適用可能である。また、ＨＣ触媒におけるＨＣの酸化によって該ＨＣ触媒において排気ガスの温度が上昇せしめられ、この排気ガスでもってＨＣ触媒下流に配置されている触媒の温度が上昇せしめられることから、ＨＣ触媒下流に排気浄化用の要素が配置されている場合において、この要素の温度を上昇させる目的で、ＨＣ添加装置からのＨＣ添加を行う場合にも本発明を適用可能である。

また、ＮＯｘ触媒１５は、ＮＯｘを保持する場合と同じメカニズムで、硫黄酸化物（ＳＯｘ）をも吸収または吸着などによって保持する。こうした保持されたＳＯｘをＮＯｘ触媒から除去するためには、ＮＯｘ触媒の温度をその活性温度よりも高い温度にまで上昇させると共にＮＯｘ触媒に理論空燃比またはリッチの排気ガスを供給すればよい。したがって、ＮＯｘ触媒に保持されているＳＯｘを除去する目的で、ＨＣ添加装置１７からのＨＣ添加を行う場合にも本発明を適用可能である。

また、以上挙げた目的以外の目的で、ＨＣ添加装置１７からのＨＣ添加を行うこともあることから、本発明は、広くは、或る特定の目的でＨＣ添加装置からのＨＣ添加を行う場合に適用可能であると言える。すなわち、本発明は、広くは、或る特定の目的で、ＨＣ触媒１４にＨＣを供給したときに、上述した特定の条件（例えば、ＨＣ触媒の総ＨＣ保持量が所定量よりも多く且つＨＣ触媒の温度上昇率が所定値よりも大きいという条件）が成立したときに、ＨＣ触媒に供給するＨＣ量を通常の量よりも少なくするか、或いは、ＨＣ触媒へのＨＣの供給自体を中止するものであると言える。

ところで、ＨＣ触媒１４においてＨＣが酸化されるには、或る一定の時間がかかる。一方、ＨＣ触媒においてＨＣが酸化されている間も、ＨＣ触媒内を排気ガスが流れていることから、ＨＣ触媒において酸化されていないＨＣは、排気ガスに乗ってＨＣ触媒内を移動し、場合によっては、ＨＣ触媒から流出する。すなわち、ＨＣがＨＣ触媒内にある時間は、或る時間に限られている。

そして、このとき、ＨＣ触媒１４においてＨＣが酸化されるのに要する時間（以下「ＨＣ触媒によるＨＣ酸化時間」という）が、ＨＣがＨＣ触媒内に留まっている時間（以下「ＨＣ触媒におけるＨＣ滞留時間」という）よりも短ければ、ＨＣ触媒から多量のＨＣが流出することはない。しかしながら、ＨＣ触媒の総ＨＣ保持量が比較的多く且つＨＣ触媒を通過する排気ガスの量が比較的多い（すなわち、ＨＣ触媒を通過する排気ガスの流量が多く、したがって、ＨＣ触媒を通過する排気ガスの流束が速い）と、ＨＣ触媒によるＨＣ酸化時間よりも、ＨＣ触媒におけるＨＣ滞留時間のほうが短くなることがある。この場合、ＨＣ触媒から比較的多量のＨＣが流出してしまうことになる。すなわち、本実施形態のＨＣ触媒には、還元ＨＣ添加制御が実行されたときに、ＨＣ触媒によるＨＣ酸化時間よりも、ＨＣ触媒におけるＨＣ滞留時間のほうが短くなる条件が存在する。

そこで、本実施形態では、還元ＨＣ添加制御が実行されたときに、ＨＣ触媒１４の総ＨＣ保持量が所定量よりも多く且つＨＣ触媒内を通過する排気ガスの量が所定量よりも多い場合には、ＨＣ添加装置１７からのＨＣ添加量を通常の量よりも少なくするか、或いは、還元ＨＣ添加制御自体を中止する。これによれば、還元ＨＣ添加制御の実行中、ＨＣ触媒から多量のＨＣが流出してしまうことが抑制される。

なお、ＨＣ触媒１４の総ＨＣ保持量が比較的多く且つＨＣ触媒を通過する排気ガスの量の増大率が比較的大きい場合にも、ＨＣ触媒によるＨＣ酸化時間よりも、ＨＣ触媒におけるＨＣ滞留時間のほうが短くなることがある。

そこで、上述した実施形態において、還元ＨＣ添加制御が実行されたときに、ＨＣ触媒１４の総ＨＣ保持量が所定量よりも多く且つＨＣ触媒内を通過する排気ガスの量の増大率が所定値よりも大きい場合に、ＨＣ添加装置１７からのＨＣ添加量を通常の量よりも少なくするか、或いは、還元ＨＣ添加制御自体を中止してもよい。

ところで、吸気量が多いと、燃焼室２から排出される排気ガスの量も多く、その結果、ＨＣ触媒１４内を通過する排気ガスの量も多い。また、吸気量の増大率が大きいと、燃焼室２から排出される排気ガスの量の増大率も大きく、その結果、ＨＣ触媒内を通過する排気ガスの量の増大率も大きい。

そこで、還元ＨＣ添加制御が実行されたときに、ＨＣ触媒１４の総ＨＣ保持量が所定量よりも多く且つ吸気量が所定量よりも多いか或いは吸気量の増大率が所定値よりも大きい場合に、ＨＣ添加装置１７からのＨＣ添加量を通常の量よりも少なくするか、或いは、還元ＨＣ添加制御自体を中止するようにしてもよい。

また、アクセルペダルの踏込量が大きいと、多くの場合、吸気量が多く、その結果、ＨＣ触媒１４内を通過する排気ガスの量が多い。また、アクセルペダルの踏込量の増大率が大きいと、多くの場合、吸気量の増大率が大きく、その結果、ＨＣ触媒内を通過する排気ガスの量の増大率も大きい。

そこで、還元ＨＣ添加制御が実行されたときに、ＨＣ触媒１４の総ＨＣ保持量が所定量よりも多く且つアクセルペダル踏込量が所定量よりも多いか或いはアクセルペダル踏込量の増大率が所定値よりも大きい場合に、ＨＣ添加装置１７からのＨＣ添加量を通常の量よりも少なくするか、或いは、還元ＨＣ添加制御自体を中止するようにしてもよい。

なお、上述した実施形態において、ＨＣ触媒１４内を通過する排気ガスの量に関する所定量、ＨＣ触媒内を通過する排気ガスの量の増大率に関する所定値、および、吸気量に関する所定量、アクセルペダル踏込量に関する所定量は、それぞれ、ＨＣ触媒の性能の劣化度合に応じて設定され、ＨＣ触媒の性能の劣化度合が大きくなると小さく設定される傾向にある。

また、上述した実施形態では、還元ＨＣ添加制御が実行されたときに、ＨＣ触媒１４の総ＨＣ保持量が所定量よりも多く且つＨＣ触媒内を通過する排気ガスの量またはその増大率、吸気量またはその増大率、或いは、アクセルペダル踏込量またはその増大率が所定量または所定値よりも多い或いは大きいという条件が成立した場合に、ＨＣ添加装置１７からのＨＣ添加量が通常の量よりも少なくされるか、或いは、還元ＨＣ添加制御自体が中止される。ここで、こうした特定の条件が成立した場合とは、ＨＣ触媒によるＨＣ酸化時間よりもＨＣ触媒におけるＨＣ滞留時間のほうが短い場合であるが、上述した具体的な条件以外の条件が成立した場合にも、ＨＣ触媒によるＨＣ酸化時間よりもＨＣ触媒におけるＨＣ滞留時間のほうが短くなることがあり、この場合にも本発明を適用可能である。したがって、本発明は、広くは、還元ＨＣ添加制御が実行されたときに、ＨＣ触媒によるＨＣ酸化時間よりもＨＣ触媒におけるＨＣ滞留時間のほうが短くなる条件が成立した場合に、ＨＣ添加装置からのＨＣ添加量を通常の量よりも少なくするか、或いは、還元ＨＣ添加制御自体を中止するものであると言える。

なお、上述した実施形態において、ＮＯｘ触媒１５の代わりに採用可能な排気浄化用の要素としては、排気ガス中の微粒子を捕集するパティキュレートフィルタであって、貴金属触媒と活性酸素生成剤とを担持し、これら貴金属触媒と活性酸素生成剤とによって生成される活性酸素によって、捕集された微粒子を比較的短時間のうちに酸化除去することができるパティキュレートフィルタ（以下「フィルタ」という）がある。

ここでの貴金属触媒としては、白金（Ｐｔ）が用いられる。一方、活性酸素生成剤としては、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）、ルビジウム（Ｒｂ）のようなアルカリ金属、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）のようなアルカリ土類金属、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）、セリウム（Ｃｅ）のような希土類、鉄（Ｆｅ）のような遷移金属、およびスズ（Ｓｎ）のような炭素族元素から選ばれた少なくとも１つが用いられる。

そして、排気ガスがフィルタに流入すると、図３（Ａ）に示したように、排気ガス中の酸素（Ｏ₂）がＯ₂ ^-またはＯ^2-の形で白金６０の表面に付着する。排気ガス中のＮＯはこれらＯ₂ ^-またはＯ^2-と反応し、ＮＯ₂となる。斯くして生成されたＮＯ₂の一部は、白金上で酸化されつつ活性酸素生成剤６１内に吸収によって保持され、図３（Ａ）に示したように、カリウム（Ｋ）と結合しながら硝酸イオン（ＮＯ₃ ^-）の形で活性酸素生成剤６１内に拡散し、硝酸カリウム（ＫＮＯ₃）を生成する。すなわち、排気ガス中の酸素が硝酸カリウム（ＫＮＯ₃）の形で活性酸素生成剤６１内に吸収によって保持される。

ここで、図３（Ｂ）において６２で示したように、微粒子が活性酸素生成剤の表面上に接触して付着すると、微粒子６２と活性酸素生成剤６１との接触面では酸素濃度が低下する。すなわち、活性酸素生成剤６１の周囲の酸素濃度が低下する。酸素濃度が低下すると酸素濃度の高い活性酸素生成剤６１内との間で濃度差が生じ、斯くして、活性酸素生成剤６１内の酸素が微粒子６２と活性酸素生成剤６１との接触面に向けて移動しようとする。その結果、活性酸素生成剤６１内に形成されている硝酸カリウム（ＫＮＯ₃）がカリウム（Ｋ）と酸素（Ｏ）とＮＯとに分解され、酸素（Ｏ）が微粒子６２と活性酸素生成剤６１との接面に向かい、その一方で、ＮＯが活性酸素生成剤６１から外部に放出される。

ここで、微粒子６２と活性酸素生成剤６１との接触面に向かう酸素は、硝酸カリウムといった化合物から分解された酸素であるので、不対電子を有し、したがって、極めて高い反応性を有する活性酸素となっている。こうして活性酸素生成剤６１は、活性酸素を生成する。なお、外部に放出されたＮＯは下流側の白金上において酸化され、再び活性酸素生成剤６１内に保持される。

活性酸素生成剤６１によって生成される活性酸素はそこに付着した微粒子６２を酸化除去するために消費される。すなわち、フィルタに捕集された微粒子６２は、活性酸素生成剤６１によって生成される活性酸素によって酸化除去される。

このように、フィルタに捕集されている微粒子が反応性の高い活性酸素によって輝炎を発することなく酸化除去されるので、フィルタの温度が過剰に高くなることがなく、したがって、フィルタが熱劣化することがない。

図４は、上述した実施形態に従って還元ＨＣ添加制御を実行するルーチンの一例を示している。図４のルーチンでは、始めに、ステップ１０において、ＮＯｘ触媒１５に保持されているＮＯｘの量ΣＮＯＸが所定量αよりも多い（ΣＮＯＸ＞α）か否かが判別される。ここで、ΣＮＯＸ≦αであると判別されたときには、ルーチンを終了する。一方、ΣＮＯＸ＞αであると判別されたときには、ステップ１１に進んで、ＨＣ触媒１４の総ＨＣ保持量ΣＨＣが所定量βよりも多い（ΣＨＣ＞β）か否かが判別される。ここで、ΣＨＣ≦βであると判別されたときには、ステップ１３に進んで、ＮＯｘ触媒に保持されているＮＯｘを還元浄化するために、ＨＣ添加装置１７からのＨＣの添加が行われる。一方、ΣＨＣ＞βであると判別されたときには、ステップ１２に進む。

ステップ１２では、ＨＣ触媒１４の温度上昇率ΔＴｈｃが所定値Ｘよりも大きい（ΔＴｈｃ＞Ｘ）か、或いは、ＨＣ触媒に流入する排気ガスの量の増大率ΔＧａが所定値Ｙよりも大きい（ΔＧａ＞Ｙ）か、或いは、アクセルペダル踏込量の増大率ΔＡｃが所定値Ｚよりも大きい（ΔＡｃ＞Ｚ）か否かが判別される。ここで、ΔＴｈｃ＞Ｘであり、或いは、ΔＧａ＞Ｙであり、或いは、ΔＡｃ＞Ｚであると判別されたときには、ルーチンを終了する。すなわち、このときには、ＨＣ添加装置１７からのＨＣの添加は行われない（還元ＨＣ添加制御が中止される）。

一方、ステップ１２において、ΔＴｈｃ≦Ｘであって且つΔＧａ≦Ｙであって且つΔＡｃ≦Ｚであると判別されたときには、ステップ１３に進んで、ＮＯｘ触媒１５に保持されているＮＯｘを還元浄化するために、ＨＣ添加装置１７からのＨＣの添加が行われる。

そして、ステップ１４では、ＮＯｘ触媒１５が保持しているＮＯｘの量ΣＮＯＸが零になった（ΣＮＯＸ＝０）か否かが判別される。ここで、ΣＮＯＸ≠０であると判別されたときには、ステップ１１に戻って、ここで、ΣＨＣ＞βであると判別され、次のステップ１２において、ΔＴｈｃ＞Ｘであり、或いは、ΔＧａ＞Ｙであり、或いは、ΔＡｃ＞Ｚであると判別されたときには、ルーチンを終了する（還元ＨＣ添加制御を中止する）。

しかしながら、ステップ１１において、ΣＨＣ≦βであると判別された場合、または、ステップ１１において、ΣＨＣ＞βであると判別されたが、次のステップ１２において、ΔＴｈｃ≦Ｘであって且つΔＧａ≦Ｙであって且つΔＡｃ≦Ｚであると判別された場合には、ステップ１３に進んで、ＨＣ添加装置１７からのＨＣの添加が行われる（還元ＨＣ添加制御が継続される）。

そして、ステップ１４において、ΣＮＯＸ＝０であると判別されたときには、ルーチンを終了する（還元ＨＣ添加制御を終了する）。

図５は、上述した実施形態に従って還元ＨＣ添加制御および予備ＨＣ添加制御を実行するルーチンの一例を示している。図５のルーチンでは、始めに、ステップ２０において、ＮＯｘ触媒１５に保持されているＮＯｘの量ΣＮＯＸが所定量αよりも多い（ΣＮＯＸ＞α）か否かが判別される。ここで、ΣＮＯＸ≦αであると判別されたときには、ルーチンを終了する。一方、ΣＮＯＸ＞αであると判別されたときには、ステップ２１に進んで、ＨＣ触媒１４に流入する排気ガスの温度Ｔｉｎが所定値Ａよりも高い（Ｔｉｎ＞Ａ）か否かが判別される。

ステップ２１において、Ｔｉｎ≦Ａであると判別されたときには、ルーチンを終了する。一方、Ｔｉｎ＞Ａであると判別されたときには、ステップ２２に進んで、ＨＣ触媒１４の温度Ｔｈｃが所定値Ｂよりも低い（Ｔｈｃ＜Ｂ）か否かが判別される。ここで、Ｔｈｃ＜Ｂであると判別されたときには、ステップ２７以降のステップによって、予備ＨＣ添加制御が行われる。すなわち、ステップ２７において、ＨＣ添加装置１７からのＨＣ添加量が算出され、ステップ２８において、ＨＣ添加装置からＨＣを添加する時間間隔が算出され、ステップ２９において、算出されたＨＣ添加量と時間間隔とに従って、ＨＣ添加装置から排気ガス中に、ＨＣ触媒の温度を上昇させるためのＨＣが添加される。

一方、ステップ２２において、Ｔｈｃ≧Ｂであると判別されたときには、ステップ２３〜ステップ２６が実行される。これらステップ２３〜ステップ２６は、図４のステップ１１〜ステップ１４と同じであるので、これらステップの説明は省略する。

本発明の排気浄化装置を備えた内燃機関を示す図である。予備ＨＣ添加制御において採用可能な関係を示す図である。微粒子の酸化除去作用を説明するための図である。本発明に従って還元ＨＣ添加制御を行うルーチンの一例を示す図である。本発明に従って還元ＨＣ添加制御および予備ＨＣ添加制御を行うルーチンの一例を示す図である。

符号の説明

１機関本体
２燃焼室
３燃料噴射弁
５排気マニホルド
８排気管
１４ＨＣ触媒
１５ＮＯｘ触媒
１６温度センサ
１７ＨＣ添加装置

Claims

ＨＣを酸化する能力を有すると共にＨＣを保持したり該保持したＨＣを放出したりする能力をも有し、ＨＣを酸化する量よりも保持したＨＣを放出する量のほうが多くなる特定の条件が存在するＨＣ触媒を具備し、特定の目的で該ＨＣ触媒にＨＣを供給するＨＣ供給制御を実行する内燃機関の排気浄化装置において、上記ＨＣ供給制御を実行したときに上記特定の条件が成立した場合には該ＨＣ供給制御によってＨＣ触媒に供給するＨＣ量を少なくするか或いは該ＨＣ供給制御を中止することを特徴とする排気浄化装置。
上記特定の条件がＨＣ触媒が保持している総ＨＣ量が所定量よりも多く且つＨＣ触媒の温度上昇率と内燃機関に吸入される空気量の増大率と内燃機関の燃焼室に供給される燃料量の増大率とアクセルペダル踏込量の増大率との少なくとも１つが所定値よりも大きいことである請求項１に記載の排気浄化装置。
ＨＣを酸化する能力を有し、ＨＣを酸化するのに要する時間よりもＨＣが留まる時間のほうが短くなる特定の条件が存在するＨＣ触媒を具備し、特定の目的で該ＨＣ触媒にＨＣを供給するＨＣ供給制御を実行する内燃機関の排気浄化装置において、上記ＨＣ供給制御を実行したときに上記特定の条件が成立した場合には該ＨＣ供給制御によってＨＣ触媒に供給するＨＣ量を少なくするか或いは該ＨＣ供給制御を中止することを特徴とする排気浄化装置。
上記特定の条件がＨＣ触媒が保持している総ＨＣ量が所定量よりも多く且つＨＣ触媒を通過する排気ガス量とその増大率と内燃機関の燃焼室に吸入される空気量とその増大率とアクセルペダル踏込量とその増大率との少なくとも１つが所定値よりも大きいことである請求項１または３に記載の排気浄化装置。
流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときにはＮＯｘを保持し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチとなると保持しているＮＯｘを還元するＮＯｘ触媒を上記ＨＣ触媒下流に具備し、上記特定の目的が該ＮＯｘ触媒に理論空燃比またはリッチの排気ガスを流入させることであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の排気浄化装置。
流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときにはＮＯｘを保持し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチとなると保持しているＮＯｘを還元するＮＯｘ触媒を上記ＨＣ触媒下流に具備し、上記特定の目的が上記ＨＣ触媒の温度を上昇させると共に上記ＮＯｘ触媒に理論空燃比またはリッチの排気ガスを流入させることであり、上記ＨＣ触媒の温度を上昇させるために上記ＨＣ供給制御を実行するときには該ＨＣ触媒の温度上昇率が所定値よりも小さく維持されるように上記ＨＣ供給制御によってＨＣ触媒に供給するＨＣ量を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の排気浄化装置。
上記特定の目的が上記ＨＣ触媒の温度を上昇させることであり、該特定の目的でもって上記ＨＣ供給制御を実行するときには該ＨＣ触媒の温度上昇率が所定値よりも小さく維持されるように上記ＨＣ供給制御によってＨＣ触媒に供給するＨＣ量を制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の排気浄化装置。
上記特定の目的が内燃機関が始動されたときに上記ＨＣ触媒の温度を上昇させることであることを特徴とする請求項７に記載の排気浄化装置。