JP4438880B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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。

ところで燃料内には硫黄が含まれており、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。

そこでＮＯ_X吸蔵触媒にＳＯ_Xが送り込まれるのを阻止するためにＮＯ_X吸蔵触媒上流の機関排気通路内に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１参照）。この内燃機関では排気ガス中に含まれるＳＯ_XがＳＯ_Xトラップ触媒に捕獲され、斯くしてＮＯ_X吸蔵触媒にＳＯ_Xが流入するのが阻止される。その結果、ＳＯ_Xの吸蔵によりＮＯ_Xの吸蔵能力が低下するのを阻止することができる。

ところでこのＳＯ_Xトラップ触媒ではＳＯ_Xトラップ触媒の温度が上昇したときに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にされるとＳＯ_Xトラップ触媒からＳＯ_Xが放出されてしまう。また、このＳＯ_Xトラップ触媒ではＳＯ_Xトラップ触媒の表面近傍に捕獲されているＳＯ_Xの濃度が高くなった場合にはＳＯ_Xトラップ触媒の温度が高くない場合でも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にされるとＳＯ_Xトラップ触媒からＳＯ_Xが放出されてしまう。

従って上述の内燃機関ではＳＯ_Xトラップ触媒からＳＯ_Xが放出されることがないようにＳＯ_Xトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比は常時リーンに維持され、ＮＯ_X吸蔵触媒からＮＯ_Xを放出すべきときにはＳＯ_Xトラップ触媒の下流であってＮＯ_X吸蔵触媒の上流に配置された燃料供給弁から燃料を供給して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ようにしている。
特開２００５−１３３６１０号公報

ところでＮＯ_X吸蔵触媒から放出されたＮＯ_Xは排気ガス中に含まれるＨＣやＣＯのような還元成分によって還元される。この場合、ＣＯはＮＯ_X吸蔵触媒の温度が低いときでもＮＯ_Xに対して強い還元力を有するがＨＣはＮＯ_X吸蔵触媒の温度が或る程度高くならないとＮＯ_Xに対して強い還元力を発揮しない。一方、上述のようにＮＯ_X吸蔵触媒からＮＯ_Xを放出すべきときにＮＯ_X吸蔵触媒の上流に配置された燃料供給弁から燃料を供給するようにした場合には排気ガス中に含まれる還元成分の大部分はＨＣとなる。従ってこの場合にはＮＯ_X吸蔵触媒から放出されたＮＯ_XはＮＯ_X吸蔵触媒の温度が或る程度以上高くならないと十分に還元されず、斯くしてＮＯ_X吸蔵触媒の温度が或る程度以上高くならないと高いＮＯ_X浄化率が得られないことになる。

一方、ＮＯ_X吸蔵触媒からＮＯ_Xを放出すべく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方法として、機関出力を発生させるための燃焼室内への燃料噴射完了後であって燃焼可能な時期に燃焼室内に補助燃料を噴射する方法がある。この方法では燃焼室内における燃焼ガスの空燃比をリッチにすることによってＮＯ_X吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチにされる。この場合、補助燃料は酸素の少ない状態で燃焼せしめられるので還元力の強いＣＯが多量に生成される。その結果、ＮＯ_X吸蔵触媒の温度が低くてもＮＯ_X吸蔵触媒から放出されたＮＯ_Xが良好に還元され、斯くしてＮＯ_X吸蔵触媒の温度が低くても高いＮＯ_X浄化率が得られることになる。

ところでこのように燃焼室内に補助燃料を噴射することによって燃焼室内における燃焼ガスの空燃比をリッチにすると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になる。ところがこのように燃焼ガスの空燃比をリッチにすることによって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ようにした場合、ＮＯ_X吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしたとしてもＳＯ_Xトラップ触媒からＳＯ_Xが放出することのない広い領域が存在することが判明したのである。

本発明は、判明したＳＯ_X放出領域に基づいてＳＯ_Xトラップ触媒からのＳＯ_Xの放出を招くことなく燃焼ガスの空燃比を低下させるようにした内燃機関の排気浄化作用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を捕獲する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排気浄化触媒を配置した内燃機関において、機関出力を発生させるための燃焼室内への燃料噴射完了後であって燃焼可能な時期に燃焼室内に補助燃料を噴射する補助燃料噴射手段を具備しており、補助燃料が噴射されたときに低下する燃焼室内の燃焼ガスの空燃比であってＳＯ_Xトラップ触媒に捕獲されているＳＯ_Xが放出されることのない最小許容空燃比が予め求められており、排気浄化触媒の浄化処理のために必要な量の補助燃料を噴射しても燃焼ガスの空燃比が最小許容空燃比まで低下しないときにはこの必要な量の補助燃料を噴射し、排気浄化触媒の浄化処理のために必要な量の補助燃料を噴射すると燃焼ガスの空燃比が最小許容空燃比以下まで低下するときには補助燃料の噴射量を上述の必要な量よりも減少させて燃焼ガスの空燃比が最小許容空燃比以下まで低下しないようにしている。

ＳＯ_Xトラップ触媒からのＳＯ_Xの放出を阻止することができる。

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の出口は排出管１２を介してＳＯ_Xトラップ触媒１３の入口に連結される。また、ＳＯ_Xトラップ触媒１３の出口は排気管１４を介して排気浄化触媒１５に連結される。図１に示される実施例ではこの排気浄化触媒１５はＮＯ_X吸蔵触媒からなる。図１に示されるようにＳＯ_Xトラップ触媒１３の下流であってＮＯ_X吸蔵触媒１５上流の排気管１４内には燃料供給弁１６が配置される。なお、この排気浄化触媒１５としては例えばＮＯ_X吸蔵触媒を担持したパティキュレートフィルタを用いることもできる。

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２２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。

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。ＳＯ_Xトラップ触媒１３にはＳＯ_Xトラップ触媒１３の温度を検出するための温度センサ２３が取付けられ、この温度センサ２３およびエアフローメータ８の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、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駆動用ステップモータ、燃料供給弁１６、ＥＧＲ制御弁１８および燃料ポンプ２２に接続される。

まず初めに図１に示されるＮＯ_X吸蔵触媒１５について説明すると、このＮＯ_X吸蔵触媒１５の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１５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１５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１５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。

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１５に流入するとこのＳＯ₂は白金Ｐｔ４６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４７内に吸収されて炭酸バリウムＢａＣＯ₃と結合しながら、硫酸イオンＳＯ₄ ^2-の形でＮＯ_X吸収剤４７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４７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４７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４７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１５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１５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４７からＳＯ_Xが放出される。ただし、この場合ＮＯ_X吸収剤４７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４７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。また、ＮＯ_X吸収剤４７から放出されたＳＯ_Xは大気中に排出されることになり、このことも好ましいことではない。

そこで本発明ではＮＯ_X吸蔵触媒１５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１５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。

このＳＯ_Xトラップ触媒１３は例えばハニカム構造のモノリス触媒からなり、ＳＯ_Xトラップ触媒１３の軸線方向にまっすぐに延びる多数の排気ガス流通孔を有する。このようにＳＯ_Xトラップ触媒１３をハニカム構造のモノリス触媒から形成した場合には、各排気ガス流通孔の内周壁面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３はこの触媒担体５０の表面部分の断面を図解的に示している。図３に示されるように触媒担体５０の表面上にはコート層５１が形成されており、このコート層５１の表面上には金属触媒又は貴金属触媒５２が分散して担持されている。

図３に示される実施例では触媒５２として白金のような貴金属触媒が用いられており、コート層５１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５１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Ｐｔ５２において酸化され、次いでコート層５１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５１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５１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５１内に捕獲される。

図３においてコート層５１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５１内におけるＳＯ_X濃度はコート層５１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５１の表面近傍におけるＳＯ_X濃度が高くなるとコート層５１の表面の塩基性が弱まり、ＳＯ_Xの捕獲能力が弱まる。このような状態のときに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の温度が上昇せしめられるとＳＯ_Xトラップ率が回復する。

即ち、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の温度が上昇せしめられるとコート層５１内の表面近傍に集中的に存在するＳＯ_Xはコート層５１内におけるＳＯ_X濃度が均一となるようにコート層５１の奥部に向けて拡散していく。即ち、コート層５１内に生成されている硝酸塩はコート層５１の表面近傍に集中している不安定な状態からコート層５１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５１内の表面近傍に存在するＳＯ_Xがコート層５１の奥部に向けて拡散するとコート層５１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ＳＯ_Xトラップ率が回復することになる。

次に図４を参照しつつＮＯ_X吸蔵触媒１５からＮＯ_Xを放出すべきときに噴射される補助燃料の噴射時期とＮＯ_X浄化率との関係について説明する。図４（Ａ）は燃料噴射弁３から燃焼室２内への燃料噴射時期を示しており、図４（Ａ）に示される例では機関出力を発生するために圧縮上死点ＴＤＣ前に複数回のパイロット噴射Ｐ１，Ｐ２が行われ、圧縮上死点ＴＤＣ付近で主噴射Ｍが行われる。

一方、本発明においては図４（Ａ）においてＡで示されるように機関出力を発生させるための燃焼室２内への燃料噴射Ｐ１，Ｐ２，Ｍの完了後であって燃焼可能な時期に燃焼室２内に補助燃料が噴射される。図４（Ａ）からわかるようにこの補助燃料Ａの噴射時期は圧縮上死点ＴＤＣ後９０度の範囲内であって機関出力の発生にほとんど寄与しない時期に設定されている。

一方、図４（Ｂ）はＮＯ_X吸蔵触媒１５の温度ＴＮとＮＯ_X浄化率との関係を示しており、図４（Ｃ）は低温時におけるＮＯ_X吸蔵触媒１５に流入する排気ガス中のＮＯ_X濃度ＱｉｎとＮＯ_X吸蔵触媒１５から流出する排気ガス中のＮＯ_X濃度ＱｏｕｔＡ，ＱｏｕｔＢを示している。図４（Ｂ）においてＡ，図４（Ｃ）においてＱｏｕｔＡは図４（Ａ）においてＡで示される時期に補助燃料が噴射された場合を示しており、図４（Ｂ）においてＢ、図４（Ｃ）においてＱｏｕｔＢは図４（Ａ）においてＢで示される時期に、即ち膨張行程の後半か又は排気行程中に補助燃料が噴射された場合を示している。

図４（Ａ）において主噴射Ｍが行われると燃焼室２内の大部分の酸素が消費される。従って補助燃料Ａが噴射されるとこの補助燃料Ａは酸素が不十分な状態で燃焼せしめられ、斯くして多量のＣＯが発生することになる。このＣＯはＮＯ_X吸蔵触媒１５から放出されるＮＯ_Xに対する還元力が強く、従ってＮＯ_Xは放出されるや否やＣＯによってただちに還元されるのでＮＯ_X吸蔵触媒１５からは次から次へとＮＯ_Xが放出されることになる。その結果図４（Ｃ）に示されるように低温時でのＮＯ_X濃度ＱｏｕｔＡは低くなり、斯くして図４（Ｂ）においてＡで示されるように低温時でも高いＮＯ_X浄化率が得られる。

一方、図４（Ａ）においてＢで示される時期に補助燃料が噴射されるとこの補助燃料Ｂは小さな分子に分解されるがほとんど燃焼はしない。従ってこのときには小さな分子量のＨＣは増大するがＣＯはあまり増大しない。この場合、ＨＣはＣＯに比べて還元力が弱く、従ってこの場合には図４（Ｃ）に示されるように低温時におけるＮＯ_X濃度ＱｏｕｔＢが高くなるために図４（Ｂ）においてＢで示されるように低温時におけるＮＯ_X浄化率が低下する。

このように補助燃料を図４（Ａ）においてＢで示される時期に噴射した場合に比べてＡで示される時期に噴射した場合の方が低温時におけるＮＯ_X浄化率が高くなる。従って本発明では図４（Ａ）においてＡで示されるように機関出力を発生させるための燃焼室２内への燃料噴射完了後であって燃焼可能な時期に燃焼室２内に補助燃料を噴射するようにしている。

さて、補助燃料Ａを噴射すると燃焼室２における燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆが低下し、このとき空燃比Ａ／Ｆが或る限度まで低下するとＳＯ_Xトラップ触媒１３からＳＯ_Xが放出される。図５（Ａ），（Ｂ）において実線Ａは補助燃料Ａを噴射したときにＳＯ_Xトラップ触媒１３からＳＯ_Xが放出することのない最小限界空燃比を示しており、補助燃料Ａを噴射したときに燃焼ガスの空燃比がこの最小限界空燃比Ａ以下になるとＳＯ_Xトラップ触媒１３からＳＯ_Xが放出される。

なお、図５（Ａ），（Ｂ）において横軸ＴＳはＳＯ_Xトラップ触媒１３の温度を示している。また、図５（Ａ）はＳＯ_Xトラップ触媒１３に捕獲されているＳＯ_X捕獲量がほぼ飽和状態にある場合を示しており、図５（Ｂ）はＳＯ_Xトラップ触媒１３に捕獲されているＳＯ_X捕獲量が少ない場合を示している。

一方、図５（Ａ），（Ｂ）において破線Ｂは図４（Ａ）においてＢで示される時期に補助燃料を噴射したときの最小限界空燃比を示しており、鎖線ＣはＳＯ_Xトラップ触媒１３上流の排気通路内に燃料を噴射したときの最小限界空燃比を示している。破線Ｂや鎖線Ｃで示される場合には排気ガス中に比較的大きなＨＣ分子が含まれており、この比較的大きなＨＣ分子がＳＯ_Xトラップ触媒１３の表面に付着すると局所的に極めてリッチとなるためにＳＯ_Xトラップ触媒１３からＳＯ_Xが放出されてしまう。即ち、図５（Ａ），（Ｂ）からわかるように破線Ｂや鎖線Ｃで示される場合には実線Ａで示される場合に比べてかなりリーンでもＳＯ_Xトラップ触媒１３からＳＯ_Xが放出されることになる。

このように図４（Ａ）においてＡで示される時期に補助燃料を噴射すると図５（Ａ），（Ｂ）に示されるように最小限界空燃比が低くなり、図５（Ａ）に示される場合にはＳＯ_Xトラップ触媒１３の温度ＴＳが比較的低いときに、図５（Ｂ）に示される場合にはＳＯ_Xトラップ触媒１３の広い温度範囲に亘ってＳＯ_Xトラップ触媒１３からＳＯ_Xを放出させることなく燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆをリッチにすることができる。その結果、低温時であっても良好なＮＯ_X浄化率を得られることになる。

さて、前述したように図５（Ａ）において実線ＡはＳＯ_Xトラップ触媒１３へのＳＯ_X捕獲量がほぼ飽和状態にあるときの最小限界空燃比を示しており、この最小限界空燃比Ａが図６にも示されている。燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆを予め定められたリッチ空燃比まで低下させたときに燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆが図６に示される最小限界空燃比Ａ以下にならなければＳＯ_Xトラップ触媒１３へのＳＯ_X捕獲量の大小にかかわらずにＳＯ_Xトラップ触媒１３からＳＯ_Xが放出されることはない。そこで本発明ではこの最小限界空燃比Ａを上限とする、或いはこの最小限界空燃比Ａよりも若干高い空燃比を上限とする最小許容空燃比を予め定めておき、燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆをこの最小許容空燃比以下まで低下させないようにしている。

この最小許容空燃比の一例が図６において破線Ｍで示されている。図６に示される例では燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆが図６においてハッチングで示される最小許容空燃比Ｍ以下になることが禁止される。具体的に言うと図６に示される例では燃焼ガスの空燃比Ａ／ＦはＳＯ_Xトラップ触媒１３の温度ＴＳが３５０℃以上のときに１５．５以下にならないようにしている。

図６からわかるようにＳＯ_Xトラップ触媒１３の温度ＴＳが３５０℃以下であるときには矢印Ｘ₁で示されるように燃焼ガスの空燃比Ａ／ＦがリッチにされてもＳＯ_Xトラップ触媒１３からＳＯ_Xが放出されることはない。従ってこのときには図７（Ａ）に示されるように補助燃料Ａを噴射することによって燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆがリッチにされる。これに対し、ＳＯ_Xトラップ触媒１３の温度ＴＳが３５０℃以上であるときには矢印Ｘ₂で示されるように燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆは最小許容空燃比Ｍ以下にならないように低下せしめられる。このときには図７（Ｂ）に示されるようにＮＯ_X吸蔵触媒１５に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするのに補助燃料Ａでは不足している分の燃料Ｄが燃料噴射弁１６から噴射される。

即ち、本発明では図６の矢印Ｘ₁および図７（Ａ）に示されるようにＮＯ_X吸蔵触媒１５からＮＯ_Xを放出すべくＮＯ_X吸蔵触媒１５に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするのに必要な量の補助燃料Ａを噴射しても燃料ガスの空燃比Ａ／Ｆが最小許容空燃比Ｍまで低下しないときにはこの必要な量の補助燃料Ａを噴射して燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆがリッチにされ、図６の矢印Ｘ₂および図７（Ｂ）に示されるようにＮＯ_X吸蔵触媒１５からＮＯ_Xを放出すべくＮＯ_X吸蔵触媒１５に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするのに必要な量の補助燃料を噴射すると燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆが最小許容空燃比Ｍ以下まで低下するときには補助燃料Ａの噴射量を上述の必要な量よりも減少させて燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆが最小許容空燃比Ｍ以下まで低下しないように制御される。

更に本発明ではこのように補助燃料Ａの噴射量が必要な量よりも減少せしめられたときには減少分の燃料が燃料供給弁１６から噴射される。

なお、補助燃料Ａを噴射すると排気温が上昇する。従って例えば排気浄化触媒１５を昇温させるために補助燃料Ａを噴射する場合にも本発明を適用することができる。

従ってこのような場合も含めると本発明では、補助燃料Ａが噴射されたときに低下する燃焼室２内の燃焼ガスの空燃比であってＳＯ_Xトラップ触媒１３に捕獲されているＳＯ_Xが放出されることのない最小許容空燃比Ｍが予め求められており、排気浄化触媒１５の浄化処理のために必要な量の補助燃料を噴射しても燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆが最小許容空燃比Ｍまで低下しないときにはこの必要な量の補助燃料Ａが噴射され、排気浄化触媒１５の浄化処理のために必要な量の補助燃料を噴射すると燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆが最小許容空燃比Ｍ以下まで低下するときには補助燃料Ａの噴射量を上述必要な量よりも減少させて燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆが最小許容空燃比Ｍ以下まで低下しないように制御される。

なお、このように補助燃料の噴射量が必要な量よりも減少せしめられたときには減少分の燃料がＳＯ_Xトラップ触媒１３と排気浄化触媒１５間の排気通路内に供給される。

図８（Ａ），（Ｂ）は最小限界空燃比Ａの上限を最小許容空燃比Ｍとした場合を示している。なお、図８（Ａ）はＳＯ_Xトラップ触媒１３に捕獲されているＳＯ_X捕獲量が少ない場合を示しており、図８（Ｂ）はＳＯ_Xトラップ触媒１３に捕獲されているＳＯ_X捕獲量がほぼ飽和状態にある場合を示している。

図８（Ａ），（Ｂ）からわかるように最小許容空燃比ＭはＳＯ_Xトラップ触媒１３のＳＯ_X捕獲量およびＳＯ_Xトラップ触媒１３の温度ＴＳの関数となり、この最小許容空燃比ＭはＳＯ_Xトラップ触媒１３のＳＯ_X捕獲量が増大するにつれてリッチ空燃比からリーン空燃比へと大きくなる。また、最小許容空燃比ＭはＳＯ_Xトラップ触媒１３のＳＯ_X捕獲量が増大するにつれて低温側に寄って行く。

図８（Ａ），（Ｂ）に示される実施例ではＳＯ_Xトラップ触媒１３のＳＯ_X捕獲量が少ない場合には図８（Ａ）において矢印Ｘで示されるようにＮＯ_X吸蔵触媒１５からＮＯ_Xを放出すべきときには常に燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆがリッチにされる。また、ＳＯ_Xトラップ触媒１３のＳＯ_X捕獲量が多くなると図８（Ｂ）において矢印Ｘ₁で示されるようにＳＯ_Xトラップ触媒１３の温度ＴＳが低いときにはＮＯ_X吸蔵触媒１５からＮＯ_Xを放出すべきときに燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆがリッチにされ、図８（Ｂ）において矢印Ｘ₂で示されるようにＳＯ_Xトラップ触媒１３の温度ＴＳが高いときには燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆが最小許容空燃比Ｍまで低下せしめられる。このように燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆの低下が最小許容空燃比Ｍで制限されたときにはＮＯ_X吸蔵触媒１５に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするのに必要な燃料が燃料供給弁１６から噴射される。

ＳＯ_Xトラップ触媒１３のＳＯ_X捕獲量は時間が経過するにつれて増大する。従って図８（Ａ），（Ｂ）からわかるように本発明ではＮＯ_X吸蔵触媒１５からＮＯ_Xを放出すべきときに最初はＳＯ_Xトラップ触媒１３の温度ＴＳにかかわらずに燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆがリッチにされるが時間が経過するとＳＯ_Xトラップ触媒１３の一部の温度領域のみで燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆがリッチにされる。

図８（Ａ），（Ｂ）に示される実施例では前述したようにＳＯ_Xトラップ触媒１３のＳＯ_X捕獲量が多くなると図８（Ｂ）において矢印Ｘ₂で示される如くＳＯ_Xトラップ触媒１３の温度ＴＳが高いときには燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆが最小許容空燃比Ｍまで低下せしめられる。即ち、ＮＯ_X吸蔵触媒１５に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするのに必要な量の補助燃料を噴射すると燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆが最小許容空燃比Ｍ以下まで低下するときには補助燃料Ａの噴射量は燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆが最小許容空燃比Ｍとなるまで減少せしめられる。

前述したようにＮＯ_X吸蔵触媒１５に吸蔵されているＮＯ_Xは排気ガス中の酸素濃度が低下すると放出される。即ち、ＮＯ_X吸蔵触媒１５からＮＯ_Xを良好に放出させるには排気ガス中に含まれる酸素全体を供給した燃料により消費してしまうことが必要となる。この場合、燃料を燃焼させた場合に最も排気ガス中に含まれる酸素全体を消費できるのでＮＯ_X吸蔵触媒１５からＮＯ_Xを放出させるときにはできる限り燃料の燃焼により排気ガス中に含まれる酸素を消費することが好ましい。そこでこの実施例では図８の矢印Ｘ₂で示されるように補助燃料の燃焼によって燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆが可能な限り、即ち最小許容空燃比Ｍまで減少せしめられる。

図９（Ａ）は実験により求められた、ＳＯ_Xトラップ触媒１３に捕獲されたＳＯ_Xの代表的なＳＯ_X捕獲量Ｓ₁〜Ｓ₅（Ｓ₁＜Ｓ₂＜Ｓ₃＜Ｓ₄＜Ｓ₅）に対する最小許容空燃比Ｍの変化を示しており、この最小許容空燃比ＭはＳＯ_Xトラップ触媒１３のＳＯ_X捕獲量ＳおよびＳＯ_Xトラップ触媒１３の温度ＴＳの関数として図９（Ｂ）に示されるマップのような形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

ここでＳＯ_X捕獲量Ｓについて説明すると、燃料中には或る割合で硫黄が含まれており、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９（Ｃ）に示されるようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、このＳＯ_X量ＳＯＸＡを積算することによってＳＯ_X捕獲量Ｓが算出される。

図１０に排気浄化処理ルーチンを示す。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１０を参照するとまず初めにステップ６０においてＮＯ_X吸蔵触媒１５に単位時間当り吸蔵されるＮＯ_X量ＮＯＸＡが算出される。この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１１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６１ではこのＮＯＸＡがＮＯ_X吸蔵触媒１５に吸蔵されているＮＯ_X量ΣＮＯＸに加算される。次いでステップ６２では図９（Ｃ）に示すマップから単位時間当り捕獲されるＳＯ_X量ＳＯＸＡが算出される。次いでステップ６３ではこのＳＯＸＡがＳＯ_Xトラップ触媒１３に捕獲されているＳＯ_X捕獲量Ｓに加算される。

次いでステップ６４では吸蔵ＮＯ_X量ΣＮＯＸが許容値ＭＡＸを越えたか否かが判別され、ΣＮＯＸ＞ＭＡＸとなったときにはステップ６５に進んでＮＯ_X吸蔵触媒１５に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリーンからリッチに切換えるリッチ処理が行われる。即ち、ステップ６５では図９（Ｂ）に示されるマップから最小許容空燃比Ｍが算出され、次いでステップ６６ではＮＯ_X放出のために予め定められている目標リッチ空燃比ＡＦＲが最小許容空燃比Ｍよりも大きいか否かが判別される。

目標リッチ空燃比ＡＦＲが最小許容空燃比Ｍよりも大きいとき、即ち燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆを目標リッチ空燃比ＡＦＲとしてもＳＯ_Xトラップ触媒１３からＳＯ_Xが放出されないときにはステップ６７に進んで燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆを目標リッチ空燃比ＡＦＲとするのに必要な補助燃料Ａの量が算出される。次いでステップ６８では燃料噴射弁３から補助燃料Ａを噴射する処理が行われる。次いでステップ７３ではΣＮＯＸがクリアされる。

これに対し、ステップ６６において目標リッチ空燃比ＡＦＲが最小許容空燃比Ｍよりも小さいと判断されたとき、即ち燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆを目標リッチ空燃比ＡＦＲするとＳＯ_Xトラップ触媒１３からＳＯ_Xが放出されるときにはステップ６９に進んで燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆを最小許容空燃比Ｍとするのに必要な補助燃料Ａの量が算出される。次いでステップ７０では燃料噴射弁３から補助燃料Ａを噴射する処理が行われる。

次いでステップ７１ではＮＯ_X吸蔵触媒１５に流入する排気ガスの空燃比を目標リッチ空燃比ＡＦＲとするのに必要な燃料供給弁１６からの燃料Ｄの供給量が算出される。次いでステップ７２では燃料供給弁１６から燃料Ｄを供給する処理が行われる。次いでステップ７３に進む。

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トラップ触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。 補助燃料の噴射時期を説明するための図である。 燃焼ガスの最小限界空燃比を説明するための図である。 燃焼ガスの最小限界空燃比および最小許容空燃比を説明するための図である。 補助燃料Ａおよび燃料供給弁からの供給燃料Ｄ等を示す図である。 燃焼ガスの最小限界空燃比および最小許容空燃比を説明するための図である。 燃焼ガスの最小許容空燃比を説明するための図である。 排気浄化処理を行うためのフローチャートである。 吸蔵ＮＯ_X量ＮＯＸＡのマップを示す図である。

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
１３ ＳＯ_Xトラップ触媒
１５ 排気浄化触媒
１６ 燃料供給弁

Claims (9)

1. 機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＳＯ_Xを捕獲する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排気浄化触媒を配置した内燃機関において、機関出力を発生させるための燃焼室内への燃料噴射完了後であって燃焼可能な時期に燃焼室内に補助燃料を噴射する補助燃料噴射手段を具備しており、該補助燃料が噴射されたときに低下する燃焼室内の燃焼ガスの空燃比であって該ＳＯ_Xトラップ触媒に捕獲されているＳＯ_Xが放出されることのない最小許容空燃比が予め求められており、排気浄化触媒の浄化処理のために必要な量の該補助燃料を噴射しても該燃焼ガスの空燃比が該最小許容空燃比まで低下しないときには該必要な量の該補助燃料を噴射し、排気浄化触媒の浄化処理のために必要な量の該補助燃料を噴射すると該燃焼ガスの空燃比が該最小許容空燃比以下まで低下するときには該補助燃料の噴射量を該必要な量よりも減少させて該燃焼ガスの空燃比が該最小許容空燃比以下まで低下しないようにした内燃機関の排気浄化装置。
2. 上記補助燃料の噴射時期は圧縮上死点後９０度の範囲内であって機関出力の発生にほとんど寄与しない時期である請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 該補助燃料の噴射量が上記必要な量よりも減少せしめられたときには減少分の燃料をＳＯ_Xトラップ触媒を排気浄化触媒間の排気通路内に供給するようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 上記ＳＯ_Xトラップ触媒は、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ときには排気ガス中に含まれるＳＯ_Xを捕獲し、排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_Xトラップ触媒の温度が上昇すると捕獲したＳＯ_Xが次第にＳＯ_Xトラップ触媒の内部に拡散していく性質を有する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 上記最小許容空燃比はＳＯ_Xトラップ触媒のＳＯ_X捕獲量およびＳＯ_Xトラップ触媒の温度の関数として予め記憶されている請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 上記最小許容空燃比はＳＯ_Xトラップ触媒のＳＯ_X捕獲量が増大するにつれてリッチ空燃比からリーン空燃比へと大きくなる請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 上記排気浄化触媒は、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吸蔵触媒からなり、ＮＯ_X吸蔵触媒からＮＯ_Xを放出すべく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のに必要な量の上記補助燃料を噴射しても上記燃焼ガスの空燃比が上記最小許容空燃比まで低下しないときには該必要な量の該補助燃料を噴射して該燃焼ガスの空燃比をリッチにし、ＮＯ_X吸蔵触媒からＮＯ_Xを放出すべく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のに必要な量の該補助燃料を噴射すると該燃焼ガスの空燃比が該最小許容空燃比以下まで低下するときには該補助燃料の噴射量を該必要な量よりも減少させて該燃焼ガスの空燃比が該最小許容空燃比以下まで低下しないようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 上記ＳＯ_Xトラップ触媒と上記ＮＯ_X吸蔵触媒間の機関排気通路内に燃料供給弁を配置し、上記補助燃料の噴射量が上記必要な量よりも減少せしめられたときには減少分の燃料を該燃料供給弁から供給するようにした請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 上記必要な量の補助燃料を噴射すると上記燃焼ガスの空燃比が上記最小許容空燃比以下まで低下するときには該補助燃料の噴射量を該燃焼ガスの空燃比が該最小許容空燃比となるまで減少させるようにした請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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