JP4586911B2 - 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。

燃料および空気の混合ガスを触媒と接触させて火炎を生成させるようにした燃焼器において、触媒を電気的に加熱可能な小型の触媒と、混合ガスの流れ方向に対しこの小型の触媒の下流側に配置された大型の触媒とを具備しており、リーン空燃比の混合ガスを電気的に加熱された小型の触媒に連続的に供給して小型の触媒の下流に火炎を連続的に生成し、次いで混合ガスのリーンの度合を高めると共に混合ガス量を増大することにより大型の触媒において火炎を連続的に生成するようにした燃焼器が公知である（特許文献１を参照）。
特表２０００−５１４９１１号公報

一方、本発明者は触媒の昇温等のために、機関排気通路内に機関排気通路の断面積よりも小さな断面積を有する小型酸化触媒と、小型酸化触媒に燃料を供給するための燃料供給弁とを配置し、燃料供給弁から小型酸化触媒に燃料を供給することによって小型酸化触媒の下流に火炎を生成させることについて検討を重ねてきた。その結果、機関排気通路内において煤を発生することなく高温の火炎を生成するためには燃料供給弁から燃料を間欠的に供給して火炎を間欠的に生成させる必要があることが判明したのである。

即ち、上述の燃焼器ではリーン空燃比の混合ガスが小型の触媒に供給されるので燃料は空気過剰のもとで燃焼せしめられ、斯くして火炎を連続的に生成することができる。しかしながら燃料供給弁から小型酸化触媒に燃料を供給するようにした場合には小型酸化触媒から流出する排気ガスの空燃比はリーンの場合もあるが通常リッチとなる。即ち、小型酸化触媒から流出する排気ガスは通常燃料過剰となる。

従って上述の燃焼器のように火炎を連続的に生成するために小型酸化触媒から連続的に燃料を流出させると、空気不足のために全ての燃料が良好に燃焼せず、斯くして煤が発生するばかりでなく火炎温度が十分に高くならないという問題を生ずる。この場合、小型酸化触媒から流出した全ての燃料を良好に燃焼させるためには小型酸化触媒から間欠的に燃料を流出させて間欠的に火炎を生成する必要がある。

そこで本発明では、機関排気通路内に機関排気通路の断面積よりも小さな断面積を有しかつ機関排気通路内を流れる排気ガスの一部が流通する小型酸化触媒と、小型酸化触媒に燃料を供給するための燃料供給弁とを配置し、燃料供給弁から小型酸化触媒に間欠的に燃料を供給することによって小型酸化触媒の下流に間欠的に火炎を生成させるようにし、小型酸化触媒の下流に間欠的に順次生成される火炎塊が相互に重ならないように燃料供給弁からの燃料の供給時期が設定されている。
また本発明では、機関排気通路内に機関排気通路の断面積よりも小さな断面積を有しかつ機関排気通路内を流れる排気ガスの一部が流通する小型酸化触媒と、小型酸化触媒に燃料を供給するための燃料供給弁とを配置し、燃料供給弁から小型酸化触媒に間欠的に燃料を供給することによって小型酸化触媒の下流に間欠的に火炎を生成させるようにし、燃料供給弁からの燃料の供給開始時期の間隔が吸入空気量の減少に伴ない長くされる。
更に本発明では、機関排気通路内に機関排気通路の断面積よりも小さな断面積を有しかつ機関排気通路内を流れる排気ガスの一部が流通する小型酸化触媒と、小型酸化触媒に燃料を供給するための燃料供給弁とを配置し、小型酸化触媒下流の機関排気通路内に、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、燃料供給弁から小型酸化触媒に間欠的に燃料を供給することによって小型酸化触媒の下流に間欠的に火炎を生成させるようにし、ＮＯ _x 吸蔵触媒からＮＯ _x 又はＳＯ _x を放出すべきときには間欠的にリッチ空燃比の火炎を生成するようにしている。

機関排気通路内において煤の発生を抑制しつつ高温の火炎を生成することができる。

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の出口は排気管１２を介して酸化機能を有する排気浄化触媒１３に連結される。この排気浄化触媒１３上流の機関排気通路内には、即ち排気管１２内には排気浄化触媒１３よりも体積が小さくかつ排気浄化触媒１３に流入する排気ガスの一部が流通する小型酸化触媒１４が配置され、この小型酸化触媒１４上流の機関排気通路内には、即ち排気管１２内には小型酸化触媒１４に燃料を供給するための燃料供給弁１５が配置される。

図１に示される実施例ではこの排気浄化触媒１３は酸化触媒からなり、排気浄化触媒１３下流の、即ち酸化触媒１３下流の機関排気通路内には排気ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタ１６が配置される。また、図１に示される実施例ではパティキュレートフィルタ１６下流の機関排気通路内にＮＯ_x吸蔵触媒１７が配置される。

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１８を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１８内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１９が配置される。また、ＥＧＲ通路１８周りにはＥＧＲ通路１８内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２０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２０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２１を介してコモンレール２２に連結され、このコモンレール２２は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２３を介して燃料タンク２４に連結される。燃料タンク２４内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ２３によってコモンレール２２内に供給され、コモンレール２２内に供給された燃料は各燃料供給管２１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。小型酸化触媒１４には小型酸化触媒１４の温度を検出するための温度センサ２５が取付けられ、パティキュレートフィルタ１６にはパティキュレートフィルタ１６の前後差圧を検出するための差圧センサ２６が取付けられる。この温度センサ２５、差圧センサ２６および吸入空気量検出器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１９および燃料ポンプ２３に接続される。

図２（Ａ）は図１における小型酸化触媒１４周りの拡大図を示しており、図２（Ｂ）は図２（Ａ）においてＢ−Ｂ線に沿ってみた断面図を示している。図２（Ａ），（Ｂ）に示される実施例では小型酸化触媒１４は金属薄肉平板と金属薄肉波形板との積層構造からなる基体を有しており、この基体の表面上に例えばアルミナからなる触媒担体の層が形成されていると共にこの触媒担体上には白金Ｐｔ、ロジウムＲｄ、パラジウムＰｄのような貴金属触媒が担持されている。なお、この基体はコージライトから形成することもできる。

図２（Ａ），（Ｂ）からわかるようにこの小型酸化触媒１４は排気浄化触媒１３、即ち酸化触媒１３に向かう排気ガスの全流路断面よりも小さな断面、即ち排気管１２の断面よりも小さな断面を有していると共に、排気管１２内の中央において排気ガスの流れ方向に延びる筒状をなしている。なお、図２（Ａ），（Ｂ）に示される実施例では小型酸化触媒１４は円筒状外枠２７内に配置されており、この円筒状外枠２７は複数のステー２８によって排気管１２内に支持されている。

一方、図１および図２に示されるように排気管１２には排気管１２内に２次空気を供給するための２次空気供給装置４５が取付けられる。この２次空気供給装置４５は電子制御ユニット３０の出力信号に基づいて駆動制御されるエアポンプ４６と、エアポンプ４６から吐出された２次空気を排気管１２周りで環状をなす２次空気分配室４８まで送り込むための導管４７と、２次空気分配室４８から小型酸化触媒１４の下流に向けて延びる複数の２次空気供給ノズル４９とを具備する。

さて、図１に示される実施例では酸化触媒１３は例えば白金Ｐｔのような貴金属触媒を担持したモノリス触媒から形成されている。これに対し図１に示される実施例ではパティキュレートフィルタ１６上には貴金属触媒は担持されていない。しかしながらパティキュレートフィルタ１６上に白金Ｐｔのような貴金属触媒を担持させることもでき、この場合には酸化触媒１３を省略することもできる。

一方、図１に示されるＮＯ_x吸蔵触媒１７もそ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の表面上には貴金属触媒５１が分散して担持されており、更に触媒担体５０の表面上にはＮＯ_x吸収剤５２の層が形成されている。

図３に示される例では貴金属触媒５１として白金Ｐｔが用いられており、ＮＯ_x吸収剤５２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１７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５２は排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯ_xを吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸蔵した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５２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３に示されるように白金Ｐｔ５１上において酸化されてＮＯ₂となり、次いでＮＯ_x吸収剤５２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５２内に拡散する。このようにしてＮＯ_xがＮＯ_x吸収剤５２内に吸蔵される。排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔ５１の表面でＮＯ₂が生成され、ＮＯ_x吸収剤５２のＮＯ_x吸収能力が飽和しない限りＮＯ₂がＮＯ_x吸収剤５２内に吸収されて硝酸イオンＮＯ₃ ^-が生成される。

これに対し、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５２内の硝酸イオンＮＯ₃ ^-がＮＯ₂の形でＮＯ_x吸収剤５２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５２内に吸蔵される。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５２のＮＯ_x吸収能力が飽和してしまい、斯くしてＮＯ_x吸収剤５２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５２の吸収能力が飽和する前に燃料供給弁１５から燃料を供給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５２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１７に流入するとこのＳＯ₂は白金Ｐｔ５１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５２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５２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５２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５２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５２が吸収しうるＮＯ_x量が低下することになる。即ち、ＮＯ_x吸蔵触媒１７がイオウ被毒を生ずることになる。

ところでこの場合、ＮＯ_x吸蔵触媒１７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１７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５２からＳＯ_xが放出される。そこで本発明ではＮＯ_x吸蔵触媒１７がイオウ被毒を生じたときには燃料供給弁１５から燃料を供給することによってＮＯ_x吸蔵触媒１７の温度をＳＯ_x放出温度まで上昇させ、ＮＯ_x吸蔵触媒１７に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしてＮＯ_x吸蔵触媒１７からＳＯ_xを放出させるようにしている。

さて、図２に示される実施例では燃料供給弁１５のノズル口は排気管１２の断面の中央に配置されており、このノズル口から小型酸化触媒１４の上流側端面に向けて、燃料Ｆ、即ち軽油Ｆが噴射される。このとき小型酸化触媒１４が活性化していれば小型酸化触媒１４内で燃料が酸化せしめられ、このとき発生する酸化反応熱によって小型酸化触媒１４が昇温せしめられる。

ところで小型酸化触媒１４内は流路抵抗が大きいので小型酸化触媒１４内を流れる排気ガス量は少ない。また、小型酸化触媒１４内で酸化反応が生じると小型酸化触媒１４内でガスが膨張するために小型酸化触媒１４内を流れる排気ガス量が更に減少し、また酸化反応によりガス温が上昇するとガスの粘性が高くなるために小型酸化触媒１４内を流れる排気ガス量が更に減少する。従って小型酸化触媒１４内における排気ガスの流速は排気管１２内を流れる排気ガスの流速に比べてかなり遅い。

このように小型酸化触媒１４内における排気ガスの流速が遅いので小型酸化触媒１４内における酸化反応は活発となり、また小型酸化触媒１４の体積が小さいので小型酸化触媒１４の温度は急速にかなり高温まで上昇する。このとき小型酸化触媒１４の温度が燃料の着火温度よりも高くなると小型酸化触媒１４から流出した燃料は着火し、図２（Ａ）においてＨで示されるように小型酸化触媒１４の下流において火炎が生成される。

即ち、燃料供給弁１５から小型酸化触媒１４に燃料が供給されると一部の供給燃料は小型酸化触媒１４内において酸化せしめられる。一方、残りの供給燃料は小型酸化触媒１４内において分子量の小さな炭化水素に分解され、即ち改質され、斯くして改質された燃料が小型酸化触媒１４から流出する。このとき小型酸化触媒１４から流出する排気ガスの空燃比はリーンの場合もあるが通常リッチとなる。即ち、このとき小型酸化触媒１４から流出する排気ガスは通常燃料過剰となる。

このとき小型酸化触媒１４の温度が着火温度よりも高いと図２（Ａ）に示されるように火炎Ｈが生成されることになる。この場合、火炎Ｈが生成され続けるように小型酸化触媒１４から連続的に燃料を流出させると、空気不足のために全ての燃料を良好に燃焼させることができず、斯くして煤が発生するばかりでなく火炎温度が十分に高くならないという問題を生ずる。これに対し、このとき小型酸化触媒１４から間欠的に燃料を流出させて間欠的に火炎を生成させるようにすると小型酸化触媒１４から流出した燃料は過剰な空気の存在する中に供給されることになり、斯くして小型酸化触媒１４から流出した全ての燃料を良好に燃焼させることができる。

そこで本発明では図４（Ａ）に示されるように燃料供給弁１４から燃料を間欠的に供給して図４（Ｂ）に示されるように火炎Ｈを間欠的に生成させるようにしている。なお、図４（Ｂ）は排気通路５５内において間欠的に生成された火炎Ｈの塊まり、即ち火炎塊Ｈを図解的に示している。

図４（Ｂ）に示されるように本発明では火炎塊Ｈを相互に重ならないように順次生成させるようにしており、従って本発明では小型酸化触媒１４の下流に間欠的に順次生成される火炎塊が相互に重ならないように燃料供給弁１５からの燃料の供給時期が設定されている。

図４（Ｂ）に示されるように火炎塊Ｈが相互に重ならないようにするためには小型酸化触媒１４から間欠的に燃料を流出させる必要があり、従って別の言い方をすると本発明では小型酸化触媒１４から燃料が間欠的に流出するように燃料供給弁１５からの燃料の供給時期が設定されている。

なお、前述したように燃料供給弁１５から小型酸化触媒１４に燃料が供給されたときには小型酸化触媒１４から流出する排気ガスの空燃比はリッチとなるので火炎Ｈの生成時には小型酸化触媒１４から間欠的にリッチ空燃比の排気ガスが流出することになる。

次に火炎Ｈの生成領域について説明する。図５において実線ＨＸよりも上方の領域が火炎生成領域を示しており、図５に示されるように火炎生成領域は小型酸化触媒１４の温度ＴＣと排気ガス中の酸素濃度の関数となる。なお、図５において実線ＨＸは排気ガス中の酸素濃度と燃料が着火するときの触媒温度ＴＣとの関係を示しており、燃料が着火するときの触媒温度ＴＣは排気ガス中の酸素濃度が低くなるほど高くなる。

図５にアイドリングも含む軽負荷運転時および燃料噴射弁３からの燃料噴射が行われている減速運転時の排気ガス中の酸素濃度領域と、燃料噴射弁３からの燃料噴射が停止されたときの減速運転時の排気ガス中の酸素濃度とが示されている。燃料噴射が停止されたときの排気ガスは空気となるのでこのときには排気ガス中の酸素濃度はほぼ２１パーセントとなる。この酸素濃度よりも軽負荷・減速（燃料噴射）時における排気ガス中の酸素濃度は低く、軽負荷・減速（燃料噴射）時において燃料が着火する触媒温度ＴＣは８００℃前後となる。

酸化触媒１３等が活性化していない場合には酸化触媒１３等を活性化するために酸化触媒１３等を昇温させる必要がある。また、パティキュレートフィルタ１６上に堆積したパティキュレートを燃焼させるためにはパティキュレートフィルタ１６の温度を６００℃程度まで上昇させる必要があり、ＮＯ_x吸蔵触媒１７からＳＯ_xを放出させる場合にもＮＯ_x吸蔵触媒１７の温度を６００℃以上のＳＯ_x放出温度まで上昇させる必要がある。図６（Ａ），（Ｂ）は火炎Ｈを生成させることにより酸化触媒１３やパティキュレートフィルタ１６やＮＯ_x吸蔵触媒１７を昇温させるときの燃料供給弁１５からの燃料供給量を示している。

なお、図６（Ａ）は排気ガスの流速が遅いときを示しており、図６（Ｂ）は排気ガスの流速が速いときを示している。いずれの場合でも燃料は一定の時間間隔Δｔ毎に噴射される。この場合、火炎塊Ｈが相互に重ならないようにするには排気ガスの流速が遅くなるほど燃料の供給開始時期の間隔Δｔを長くする必要があり、従って図６（Ｃ）に示されるように排気ガスの流速が遅くなるほど、即ち吸入空気量Ｇａが少なくなるほど燃料の供給開始時期の間隔Δｔが長くされる。

図７（Ａ），（Ｂ）は間欠的に火炎Ｈを生成させつつ排気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１７からＮＯ_x又はＳＯ_xを放出させるときの燃料供給弁１５からの燃料供給量を示している。図６（Ａ），（Ｂ）に示すように酸化触媒１３、パティキュレートフィルタ１６、ＮＯ_x吸蔵触媒１７を昇温すべきときにはこれら酸化触媒１３、パティキュレートフィルタ１６、ＮＯ_x吸蔵触媒１７に流入する排気ガスの空燃比がリーンとなるように燃料供給弁１５から燃料が供給される。これに対し、図７（Ａ），（Ｂ）に示される場合にはＮＯ_x吸蔵触媒１７に流入する排気ガスの空燃比が間欠的にリッチとなるように燃料供給弁１５から燃料が供給される。従って、図７（Ａ），（Ｂ）に示す場合の方が図６（Ａ），（Ｂ）に示す場合に比べて燃料供給弁１５からの１回当りの燃料供給量は倍以上に増大する。

ＮＯ_x吸蔵触媒１７からＮＯ_x又はＳＯ_xを放出させる際に間欠的に火炎Ｈを生成させつつ排気ガスの空燃比をリッチにすると、即ち間欠的にリッチ空燃比の火炎を生成すると、ＮＯ_x吸蔵触媒１７からＮＯ_x又はＳＯ_xを極めて良好に放出させかつ放出されたＮＯ_x又はＳＯ_xを良好に還元することができる。即ち、火炎が生成されると排気ガス中のほとんど全ての酸素が消費されるので排気ガス中の酸素は一気に低下し、斯くしてＮＯ_x吸蔵触媒１７からＮＯ_xが一気に放出される。また火炎が生成されると熱分解が進行するために活性の強いＨＣ，ＣＯ，Ｈ₂等の還元成分が生成され、斯くしてＮＯ_x吸蔵触媒１７から放出されたＮＯ_xが良好に還元されることになる。ＳＯ_xについても同様である。

このようにＮＯ_x吸蔵触媒１７からＮＯ_x又はＳＯ_xを放出させる際には間欠的にリッチ空燃比の火炎を生成することが好ましく、従って本発明による実施例ではＮＯ_x吸蔵触媒１７からＮＯ_x又はＳＯ_xを放出すべきときにはできる限り、間欠的にリッチ空燃比の火炎を生成するようにしている。

なお、図７（Ａ）は排気ガスの流速が遅いときを示しており、図７（Ｂ）は排気ガスの流速が速いときを示している。いずれの場合でも燃料は一定の時間間隔Δｔ毎に噴射される。なお、この場合でも、火炎塊Ｈが相互に重ならないようにするには排気ガスの流速が遅くなるほど燃料の供給開始時期の間隔Δｔを長くする必要があり、従って図７（Ｃ）に示されるように排気ガスの流速が遅くなるほど、即ち吸入空気量Ｇａが少なくなるほど燃料の供給開始時期の間隔Δｔが長くされる。

ところで小型酸化触媒１４が活性化していれば小型酸化触媒１４の温度を容易に８００℃以上まで上昇させることができる。従って図５からわかるようにアイドリングを含む軽負荷時又は減速時には火炎を生成させることが可能となる。しかしながら機関負荷が高くなると燃料噴射弁３からの燃料噴射量が増大して空燃比が低くなるために排気ガス中の酸素濃度が図５に示す軽負荷、減速（燃料噴射）時の酸素濃度よりもかなり低下し、斯くして火炎を生成させるのが不可能となる。

そこで本発明による実施例では火炎を生成するのに酸素が不足するときには２次空気供給装置４５から機関排気通路内に２次空気を供給するようにしている。具体的に言うと機関中負荷運転時或いは機関高負荷運転時には例えば排気ガス中の酸素濃度を図５に示す軽負荷、減速（燃料噴射）時の酸素濃度とするのに必要な２次空気量が算出され、この算出された量の２次空気が２次空気供給ノズル４９から供給される。

このように火炎を生成するのに酸素が不足しているときに２次空気を供給するのは酸化触媒１３、パティキュレートフィルタ１６、ＮＯ_x吸蔵触媒１７を昇温させるときである。ＮＯ_x吸蔵触媒１７からＮＯ_x又はＳＯ_xを放出すべきときに２次空気を供給すると排気ガスの空燃比をリッチに維持できなくなる危険性があり、従ってＮＯ_x吸蔵触媒１７からＮＯ_x又はＳＯ_xを放出すべきときに火炎を生成するのに酸素が不足している場合には２次空気の供給は行わない。この場合には火炎を生成させることなく排気ガスの空燃比がリッチとされる。

即ち、本発明による実施例では、ＮＯ_x吸蔵触媒１７からＮＯ_x又はＳＯ_xを放出すべきときに機関の運転状態がリッチ空燃比の火炎Ｈを生成しうる運転状態であるか否かが判断され、ＮＯ_x吸蔵触媒１７からＮＯ_x又はＳＯ_xを放出すべきときに機関の運転状態がリッチ空燃比の火炎Ｈを生成しうる運転状態であるときには火炎Ｈが生成される。これに対し、ＮＯ_x吸蔵触媒１７からＮＯ_x又はＳＯ_xを放出すべきときに機関の運転状態がリッチ空燃比の火炎Ｈを生成しうる運転状態でないときには火炎Ｈを生成させることなくＮＯ_x吸蔵触媒１７に流入する排気ガスの空燃比がリッチにされる。

なおこの場合、本発明による実施例では、軽負荷運転時又は減速運転時に機関の運転状態がリッチ空燃比の火炎を生成しうる運転状態であると判断され、従ってＮＯ_x吸蔵触媒１７からＮＯ_x又はＳＯ_xを放出すべきときに軽負荷運転時又は減速運転時であればリッチ空燃比の火炎が生成される。

なお、図５からわかるように火炎を生成しうるのは排気ガス中の酸素濃度が例えば図５においてＤｏで示される予め定められた酸素濃度以上のとき、即ち排気ガスの空燃比のリーンの度合が予め定められたリーンの度合よりも大きくなったときである。従って別の言い方をすると、本発明による実施例では、排気ガスの空燃比のリーンの度合が予め定められたリーン度合よりも大きくなる機関の運転状態のときに機関の運転状態がリッチ空燃比の火炎を生成しうる運転状態であると判断されることになる。

次に、図８から図１０を参照しつつ本発明において実行されている燃料供給制御について説明する。なお、図８から図１０は燃料供給弁１５からの燃料噴射量、２次空気供給量および小型酸化触媒１４の温度ＴＣの変化を示しており、図８から図１０において時刻ｔ₀は昇温等何らかの目的のために燃料供給弁１５から燃料の噴射を開始すべき指令が発せられたときを示している。また、図８から図１０は小型酸化触媒１４が２００℃において活性化する場合を例にとって示している。

まず初めに図８を参照しつつ、間欠的に火炎を生成することによって酸化触媒１３、パティキュレートフィルタ１６、ＮＯ_x吸蔵触媒１７を昇温させる場合について説明する。
図８は小型酸化触媒１４の温度ＴＣからわかるように時刻ｔ₀において小型酸化触媒１４が活性化していない場合を示している。小型酸化触媒１４が活性化していないときに燃料供給弁１５から燃料を噴射させてもこの噴射燃料は小型酸化触媒１４において酸化反応せず、火炎を生成させることはできない。

従ってこの場合には小型酸化触媒１４が活性化するまで排気ガスの温度を上昇せしめる排気昇温制御が行われ、小型酸化触媒１４が活性化したときに燃料供給弁１５から間欠的に燃料が供給される。この排気昇温制御は例えば燃焼室２内への燃料噴射時期を遅らすことによって行われる。なお、火炎を生成するのに酸素が不足する場合には図８に示されるように間欠的に燃料が供給されている間、即ち火炎の生成制御が行われている間、２次空気が供給される。なお、火炎の生成は燃料が間欠的に供給されている途中から、即ち火炎生成制御中に開始され、この火炎生成制御中、酸化触媒１３、パティキュレートフィルタ１６、ＮＯ_x吸蔵触媒１７に流入する排気ガスの空燃比はリーンに維持されている。

図９は軽負荷時又は減速時にＮＯ_x吸蔵触媒１７からＮＯ_xを放出すべくリッチ空燃比の火炎を生成させる場合を示している。この場合にも時刻ｔ₀において小型酸化触媒１４が活性化していない場合には排気昇温制御が行われ、小型酸化触媒１４が活性化すると火炎を生成するために小型酸化触媒１４を昇温させる火炎生成準備制御が行われる。この火炎生成準備制御中は図８に示す火炎生成制御時と同じ量の燃料が間欠的に供給され、この火炎生成準備制御は火炎が生成されるまで続行される。この火炎生成準備制御中、酸化触媒１３、パティキュレートフィルタ１６、ＮＯ_x吸蔵触媒１７に流入する排気ガスの空燃比はリーンに維持されている。

火炎が生成されると燃料供給量が増量され、増量された燃料が間欠的に噴射される。このとき、即ちリッチ空燃比の火炎生成制御中、リッチ空燃比の火炎が生成され、ＮＯ_x吸蔵触媒１７からＮＯ_xが放出される。なお、ＮＯ_x吸蔵触媒１７からＳＯ_xを放出させるときにはリッチ空燃比の火炎生成制御期間は図９に示される場合よりも長くなる。

図１０は機関中高負荷運転時にＮＯ_x吸蔵触媒１７からＮＯ_xを放出させる場合を示している。機関中高負荷運転時には排気ガス温が高く、従ってこのとき小型酸化触媒１４は通常活性化している。また、機関中高負荷運転時には排気ガス中の酸素濃度が低いためにリッチ空燃比の火炎を生成することは困難である。従ってこのときには図１０に示されるように時刻ｔ₀になると図９のリッチ空燃比の火炎生成制御時と同じ量の燃料が燃料供給弁１５から供給され、火炎が生成されることなくＮＯ_x吸蔵触媒１７に流入する排気ガスの空燃比が間欠的にリッチにされる。

図１１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１１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１７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１２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１７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では吸蔵ＮＯ_x量ΣＮＯＸが許容値ＮＸを越えたか否かが判別され、ΣＮＯＸ≦ＮＸのときにはステップ６６にジャンプする。

これに対し、ステップ６２においてΣＮＯＸ＞ＮＸになったと判断されたときにはステップ６３に進んでリッチ空燃比の火炎が生成可能であるか否か、即ち機関の運転状態が軽負荷運転時又は減速運転時であるか否かが判別される。火炎が生成可能であるときにはステップ６４に進んで間欠的にリッチ空燃比の火炎Ｈを生成する処理、即ち図９に示される燃料供給制御が行われ、ΣＮＯＸがクリアされる。次いでステップ６６に進む。これに対し、火炎が生成可能でないときにはステップ６５に進んで火炎を生成することなく間欠的に排気ガスの空燃比をリッチにする処理、即ち図１０に示される燃料供給制御が行われ、ΣＮＯＸがクリアされる。次いでステップ６６に進む。

ステップ６６では差圧センサ２６によりパティキュレートフィルタ１６の前後差圧ΔＰが検出される。次いでステップ６７では差圧ΔＰが許容値ＰＸを越えたか否かが判別され、ΔＰ＞ＰＸとなったときにはステップ６８に進んで火炎を生成するのに必要な２次空気量が算出される。次いでステップ６９ではパティキュレートフィルタ１６を再生するために間欠的に火炎Ｈを生成してパティキュレートフィルタ１６を昇温させる処理、即ち図８に示される燃料供給制御が行われる。

圧縮着火式内燃機関の全体図である。 図１の小型酸化触媒周りの拡大図である。 ＮＯ_xの吸放出作用を説明するための図である。 火炎Ｈの生成を説明するための図である。 火炎の生成領域を示す図である。 燃料供給弁からの燃料の供給制御を示すタイムチャートである。 燃料供給弁からの燃料の供給制御を示すタイムチャートである。 燃料供給弁からの燃料の供給制御を示すタイムチャートである。 燃料供給弁からの燃料の供給制御を示すタイムチャートである。 燃料供給弁からの燃料の供給制御を示すタイムチャートである。 排気浄化処理を実行する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
１２ 排気管
１３ 排気浄化触媒
１４ 小型酸化触媒
１５ 燃料供給弁
１６ パティキュレートフィルタ
１７ ＮＯ_x吸蔵触媒
４５ ２次空気供給装置

Claims (12)

1. 機関排気通路内に機関排気通路の断面積よりも小さな断面積を有しかつ該機関排気通路内を流れる排気ガスの一部が流通する小型酸化触媒と、該小型酸化触媒に燃料を供給するための燃料供給弁とを配置し、該燃料供給弁から小型酸化触媒に間欠的に燃料を供給することによって小型酸化触媒の下流に間欠的に火炎を生成させるようにし、小型酸化触媒の下流に間欠的に順次生成される火炎塊が相互に重ならないように燃料供給弁からの燃料の供給時期が設定されている内燃機関の排気浄化装置。
2. 小型酸化触媒から燃料が間欠的に流出するように燃料供給弁からの燃料の供給時期が設定されている請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 小型酸化触媒から間欠的にリッチ空燃比の排気ガスが流出する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 小型酸化触媒は排気ガスの流れ方向に延びる筒状をなす請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 燃料供給弁から小型酸化触媒の上流側端面に向けて燃料が噴射される請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 機関排気通路内に２次空気を供給するための２次空気供給装置を具備しており、火炎を生成するのに酸素が不足するときには機関排気通路内に２次空気を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。
7. 小型酸化触媒下流の機関排気通路内に排気浄化触媒又はパティキュレートフィルタが配置され、排気浄化触媒又はパティキュレートフィルタを昇温すべきときに火炎が生成される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 機関排気通路内に機関排気通路の断面積よりも小さな断面積を有しかつ該機関排気通路内を流れる排気ガスの一部が流通する小型酸化触媒と、該小型酸化触媒に燃料を供給するための燃料供給弁とを配置し、該燃料供給弁から小型酸化触媒に間欠的に燃料を供給することによって小型酸化触媒の下流に間欠的に火炎を生成させるようにし、燃料供給弁からの燃料の供給開始時期の間隔が吸入空気量の減少に伴ない長くされる内燃機関の排気浄化装置。
9. 機関排気通路内に機関排気通路の断面積よりも小さな断面積を有しかつ該機関排気通路内を流れる排気ガスの一部が流通する小型酸化触媒と、該小型酸化触媒に燃料を供給するための燃料供給弁とを配置し、小型酸化触媒下流の機関排気通路内に、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、該燃料供給弁から小型酸化触媒に間欠的に燃料を供給することによって小型酸化触媒の下流に間欠的に火炎を生成させるようにし、ＮＯ _x 吸蔵触媒からＮＯ _x 又はＳＯ _x を放出すべきときには間欠的にリッチ空燃比の火炎を生成するようにした内燃機関の排気浄化装置。
10. ＮＯ _x 吸蔵触媒からＮＯ _x 又はＳＯ _x を放出すべきときに機関の運転状態がリッチ空燃比の火炎を生成しうる運転状態であるか否かが判断され、ＮＯ _x 吸蔵触媒からＮＯ _x 又はＳＯ _x を放出すべきときに機関の運転状態がリッチ空燃比の火炎を生成しうる運転状態であるときには火炎が生成され、ＮＯ _x 吸蔵触媒からＮＯ _x 又はＳＯ _x を放出すべきときに機関の運転状態がリッチ空燃比の火炎を生成しうる運転状態でないときには火炎を生成させることなく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ようにした請求項９に記載の内燃機関の排気浄化装置。
11. 排気ガスの空燃比のリーンの度合が予め定められたリーン度合よりも大きくなる機関の運転状態のときに機関の運転状態がリッチ空燃比の火炎を生成しうる運転状態であると判断される請求項１０に記載の内燃機関の排気浄化装置。
12. 軽負荷運転時又は減速運転時に機関の運転状態がリッチ空燃比の火炎を生成しうる運転状態であると判断される請求項１１に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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