JP4737144B2

JP4737144B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP4737144B2
Application number: JP2007136910A
Authority: JP
Inventors: 寛真西岡; 信也広田; 孝充浅沼; 耕平吉田; 寛大月
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-05-23
Filing date: 2007-05-23
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2027-05-23
Also published as: JP2008291706A

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

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を放出する高温活性型ＮＯ_x吸蔵触媒と、排気ガスの空燃比がリーンのときにアンモニアによって排気ガス中のＮＯ_xを選択的に還元しうる低温活性型ＮＯ_x選択還元触媒とを配置し、ＮＯ_x吸蔵触媒にＮＯ_x放出用燃料を供給するＮＯ_x放出用燃料供給手段と、ＮＯ_x選択還元触媒にＮＯ_x還元用尿素水を供給する尿素水供給手段とを具備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温が低いときには低温活性型ＮＯ_x選択還元触媒により排気ガス中のＮＯ_xを浄化するためにＮＯ_x放出用燃料の供給を停止すると共に尿素水を供給し、排気ガス温が高いときには高温活性型ＮＯ_x吸蔵触媒により排気ガス中のＮＯ_xを浄化するために尿素水を供給することなくＮＯ_x放出用燃料を要求に応じ供給するようにしている。
特開２００６−２７４９８６号公報

ところがＮＯ_x吸蔵触媒およびＮＯ_x選択還元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吸蔵触媒からＮＯ_xを放出すべきときにはＮＯ_x放出用燃料をＳＯ_xトラップ触媒の上流に供給するようにした場合には例えばＳＯ_xトラップ触媒に捕獲されたＳＯ_x量が多くなり、ＳＯ_xトラップ触媒の温度が高くなるとＮＯ_x放出用燃料を供給したときにＳＯ_xトラップ触媒からＳＯ_xが放出されるという問題を生ずる。

即ち、このようなＳＯ_xトラップ触媒を用いた場合にはＳＯ_xトラップ触媒からのＳＯ_xの放出に対して常に考慮を払う必要がある。
本発明は、ＳＯ_xトラップ触媒を用いた場合にＳＯ_xトラップ触媒からのＳＯ_xの放出を抑制しつつ排気ガス中のＮＯ_xを良好に浄化することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

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吸蔵触媒と、排気ガスの空燃比がリーンのときにアンモニアによって排気ガス中のＮＯ_xを選択的に還元しうるＮＯ_x選択還元触媒とを配置し、ＮＯ_x吸蔵触媒にＮＯ_x放出用燃料を供給するＮＯ_x放出用燃料供給手段と、ＮＯ_x選択還元触媒にＮＯ_x還元用尿素水を供給する尿素水供給手段とを具備した内燃機関において、ＮＯ_x吸蔵触媒およびＮＯ_x選択還元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すると共に、ＮＯ_x吸蔵触媒からＮＯ_xを放出すべきときにはＮＯ_x放出用燃料をＳＯ_xトラップ触媒の上流に供給し、ＮＯ_x放出用燃料を供給したときにＳＯ_xトラップ触媒から放出されるＳＯ_x量が予め定められた量以下となるときには尿素水を供給することなくＮＯ_x放出用燃料を要求に応じ供給して排気ガス中のＮＯ_xをＮＯ_x吸蔵触媒により浄化し、ＮＯ_x放出用燃料を供給したときにＳＯ_xトラップ触媒から放出されるＳＯ_x量が予め定められた量以上となるときにはＮＯ_x放出用燃料の供給を停止すると共に尿素水を供給して排気ガス中のＮＯ_xをＮＯ_x選択還元触媒により浄化するようにしている。

ＳＯ_xトラップ触媒からのＳＯ_xの放出を抑制しつつ排気ガス中のＮＯ_xを良好に浄化することができる。

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ＳＯ_xトラップ触媒１２の入口に連結される。また、ＳＯ_xトラップ触媒１２の出口はＮＯ_x吸蔵触媒１３の入口に連結される。一方、ＮＯ_x吸蔵触媒１３の出口は排気管１４を介して酸化触媒１５の入口に連結され、酸化触媒１５の出口は排気管１６を介して、排気ガスの空燃比がリーンのときにアンモニアによって排気ガス中のＮＯ_xを選択的に還元しうるＮＯ_x選択還元触媒１７に連結される。このＮＯ_x選択還元触媒１７は低温で高いＮＯ_x浄化率を有するアンモニア吸着タイプのＦｅゼオライトから形成されるか、或いはアンモニアの吸着機能がないチタニア・バナジウム系の触媒から形成される。

ＮＯ_x選択還元触媒１７上流の排気管１６内には尿素水供給弁１８が配置され、この尿素水供給弁１８は供給管１９、供給ポンプ２０を介して尿素水タンク２１に連結される。尿素水を供給すべきときには尿素水タンク２１内に貯蔵されている尿素水が供給ポンプ２０によって尿素水供給弁１８から排気管１６内を流れる排気ガス中に噴射され、このとき尿素から発生したアンモニア（（ＮＨ₂）₂ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→２ＮＨ₃＋ＣＯ₂）によって排気ガス中に含まれるＮＯ_xがＮＯ_x選択還元触媒１７において還元される。

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２２を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２２内には電子制御式ＥＧＲ制御弁２３が配置される。また、ＥＧＲ通路２２周りにはＥＧＲ通路２２内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２４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２４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２５を介してコモンレール２６に連結され、このコモンレール２６は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２７を介して燃料タンク２８に連結される。燃料タンク２８内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ２７によってコモンレール２６内に供給され、コモンレール２６内に供給された燃料は各燃料供給管２５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１２にはＳＯ_xトラップ触媒１２の床温を検出するための温度センサ２９が取付けられ、この温度センサ２９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。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の駆動用ステップモータ、尿素水供給弁１８、供給ポンプ２０、ＥＧＲ制御弁２３および燃料ポンプ２７に接続される。

まず初めに図１に示されるＮＯ_x吸蔵触媒１３について説明すると、このＮＯ_x吸蔵触媒１３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１３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吸収剤４７からＮＯ_xを放出するためのＮＯ_x放出用燃料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。なお、本発明による実施例ではこのＮＯ_x放出用燃料は例えば排気行程に燃料噴射弁３から供給されるか、或いはＳＯ_xトラップ触媒１２上流の機関排気通路内に供給される。

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燃焼室２内、或いはＳＯ_xトラップ触媒１２上流の機関排気通路内にＮＯ_x放出用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１３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１３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１３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。

そこで本発明による実施例ではＮＯ_x吸蔵触媒１３の上流にＳＯ_xトラップ触媒１２を配置してこのＳＯ_xトラップ触媒１２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１３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１２について説明する。

このＳＯ_xトラップ触媒１２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１２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。図３にＳＯ_xトラップ触媒１２の基体５０の表面部分の断面を図解的に示す。図３に示されるように基体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の表面上には貴金属触媒５２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５２として白金が用いられており、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１２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。即ち、コート層５１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。しかしながらこの場合、排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_xトラップ触媒１２の温度を上昇させるとＳＯ_xトラップ率を回復させることができる。

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１２の温度を上昇させるとコート層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１２の昇温制御が完了するとＳＯ_xトラップ率が回復することになる。そこで本発明による実施例ではＳＯ_xトラップ率が低下し始めたときには排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_xトラップ触媒１２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。

ところでこのＳＯ_xトラップ触媒１２はどのような機関の運転状態でも捕獲したＳＯ_xを捕獲し続けるわけではなく、ＳＯ_xトラップ触媒１２の状態或いはＳＯ_xトラップ触媒１２に流入する排気ガスの状態によっては捕獲したＳＯ_xがＳＯ_xトラップ触媒１２から放出される。次にこのことについて図４（Ａ），（Ｂ）を参照しつつ説明する。

図４（Ａ）はＮＯ_x放出用燃料が供給されたときにＳＯ_xトラップ触媒１２から放出されるＳＯ_x量Ｍｉ（Ｍ₁＜Ｍ₂…＜Ｍｉ＜…）を示しており、このＳＯ_x量Ｍｉは図４（Ａ）からわかるようにＳＯ_xトラップ触媒１２にトラップされたＳＯ_x量が多くなるほど多くなり、ＮＯ_x放出用燃料の量が多いほど多くなる。

一方、図４（Ｂ）はＮＯ_x放出用燃料が供給されたときにＳＯ_xトラップ触媒１２から放出されるＳＯ_x量Ｍｉに対する補正値Ｋｉを示しており、ＳＯ_x量Ｍｉに補正値Ｋｉを乗算した値ＳＯＸＤ（＝Ｍｉ・Ｋｉ）が実際にＳＯ_xトラップ触媒１２から放出されるＳＯ_x量を表している。図４（Ｂ）からわかるようにこの補正値Ｋｉ（Ｋ₁＜Ｋ₂…＜Ｋｉ＜…）はＳＯ_xトラップ触媒１２の床温が高くなるほど大きくなり、排気ガス量、即ち吸入空気量が多くなるほど大きくなる。

ＳＯ_xトラップ触媒１２から放出されたＳＯ_xはＮＯ_x吸蔵触媒１３に吸蔵されるのでＳＯ_xトラップ触媒１２からは多量のＳＯ_xを放出させることはできない。従ってＳＯ_xトラップ触媒１２から多量のＳＯ_xが放出されるときにはＮＯ_x放出用燃料を供給するのを停止するようにしている。ＮＯ_x放出用燃料の供給が停止されるとＮＯ_x吸蔵触媒１３のＮＯ_x吸収能力が飽和するのでＮＯ_x吸蔵触媒１３によりＮＯ_xを浄化しえなくなる。従ってこのときには尿素水を供給して排気ガス中のＮＯ_xをＮＯ_x選択還元触媒１７により浄化するようにしている。

一方、ＮＯ_x放出用燃料が供給されたとしてもＳＯ_xトラップ触媒１２からは少量のＳＯ_xしか放出されない状態になるとＮＯ_x放出用燃料が供給され、ＮＯ_x吸蔵触媒１３からＮＯ_xが放出される。従ってこのときには排気ガス中のＮＯ_xはＮＯ_x吸蔵触媒１３により浄化されるようになるので尿素水の供給は停止される。

このように本発明ではＮＯ_x吸蔵触媒１３にＮＯ_x放出用燃料を供給するＮＯ_x放出用燃料供給手段と、ＮＯ_x選択還元触媒１７にＮＯ_x還元用尿素水を供給する尿素水供給手段とを具備しており、ＮＯ_x放出用燃料を供給したときにＳＯ_xトラップ触媒１２から放出されるＳＯ_x量ＳＯＸＤが予め定められた量ＳＸ以下となるときには尿素水を供給することなくＮＯ_x放出用燃料を要求に応じ供給して排気ガス中のＮＯ_xをＮＯ_x吸蔵触媒１３により浄化し、ＮＯ_x放出用燃料を供給したときにＳＯ_xトラップ触媒１２から放出されるＳＯ_x量ＳＯＸＤが予め定められた量ＳＸ以上となるときにはＮＯ_x放出用燃料の供給を停止すると共に尿素水を供給して排気ガス中のＮＯ_xをＮＯ_x選択還元触媒１７により浄化するようにしている。

なお、この場合、本発明による第１実施例では、ＮＯ_x放出用燃料を供給したときにＳＯ_xトラップ触媒１２から放出されるＳＯ_x量ＳＯＸＤはＳＯ_xトラップ触媒１２の状態、即ちＳＯ_xトラップ触媒１２のＳＯ_xトラップ量とＳＯ_xトラップ触媒１２の温度、およびＳＯ_xトラップ触媒１２に流入する排気ガスの状態、即ちＮＯ_x放出用燃料量および排気ガス量から算出される。

ところで或る機関の運転状態においてＮＯ_x放出用燃料を供給したときにＳＯ_xトラップ触媒１２から放出されるＳＯ_x量ＳＯＸＤが予め定められた量ＳＸ以上になった場合、その後の同一の機関の運転状態においてもＮＯ_x放出用燃料を供給したときにはＳＯ_xトラップ触媒から放出されるＳＯ_x量が予め定められた量以上となる。即ち、言い換えると一旦尿素水の供給が行われた運転状態ではその後、尿素水を供給することが必要となる。

そこで本発明による実施例では図５（Ａ）に示すように機関の運転領域を要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎに応じた複数個の運転領域（ＴＱｉ，Ｎｉ）に分割し、例えば図５（Ａ）においてハッチングで示す運転領域（ＴＱｉ，Ｎｉ）において一旦尿素水の供給が行われると、その後機関の運転状態がハッチングで示す運転領域（ＴＱｉ，Ｎｉ）になったときには尿素水を供給するようにしている。

即ち、本発明による実施例では、尿素水が供給されて排気ガス中のＮＯ_xがＮＯ_x選択還元触媒１７により浄化せしめられているときの機関の運転状態（ＴＱｉ，Ｎｉ）が記憶され、その後機関の運転状態が記憶された運転状態（ＴＱｉ，Ｎｉ）になったときにはたとえＮＯ_x放出用燃料を供給すべきときであってもＮＯ_x放出用燃料の供給を停止しかつ尿素水を供給して排気ガス中のＮＯ_xをＮＯ_x選択還元触媒１７により浄化するようにしている。

この場合、放出用燃料を供給したときにＳＯ_xトラップ触媒から放出されるＳＯ_x量が予め定められた量以上となる運転領域（ＴＱｉ，Ｎｉ）、即ち尿素水の供給される運転領域（ＴＱｉ，Ｎｉ）はＳＯ_xトラップ触媒１２の使用期間が長くなるほど図５の（Ｂ），（Ｃ）においてハッチングで示すように次第に広がっていく。

次に図６から図８を参照しつつ本発明によるＮＯ_x浄化処理方法の第１実施例について説明する。
図６はＮＯ_x吸蔵触媒１３からＮＯ_xを放出すべきであることを示すＮＯ_x放出フラグのセット処理ルーチンを示している。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６０においてＮＯ_x吸蔵触媒１３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７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１３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ＮＺを越えたか否かが判別され、ΣＮＯＸ＞ＮＺとなったときにはステップ６３に進んでＮＯ_x放出フラグがセットされる。

図８にＮＯ_x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８を参照するとまず初めにステップ７０においてＮＯ_x放出フラグがセットされているか否かが判別される。ＮＯ_x放出フラグがセットされていないときには処理サイクルを完了する。このときには排気ガス中のＮＯ_xはＮＯ_x吸蔵触媒１３において浄化されており、尿素水の供給は停止されている。

一方、ステップ７０においてＮＯ_x放出フラグがセットされたと判別されたときにはステップ７１に進んで現在の機関の運転状態（ＴＱ，Ｎ）が読込まれる。次いでステップ７２では現在の運転状態が図５においてハッチングで示される運転領域（ＴＱｉ，Ｎｉ）、即ち以前に尿素水の供給が行われた運転領域であるか否かが判別される。現在の運転状態が以前に尿素水の供給が行われた運転領域であるときにはステップ８１にジャンプして尿素水供給弁１８からの尿素水の供給制御が行われる。このときには排気ガス中のＮＯ_xはＮＯ_x選択還元触媒１７において浄化される。

これに対し、ステップ７２において現在の運転状態が以前に尿素水の供給が行われた運転領域（ＴＱｉ，Ｎｉ）ではないと判別されたときにはステップ７３に進んで図４（Ａ）に示す関係から放出ＳＯ_x量Ｍｉが算出される。次いでステップ７４では図４（Ｂ）に示す関係から補正値Ｋｉが算出される。次いでステップ７５ではＳＯ_xトラップ１２から実際に放出されるＳＯ_x量ＳＯＸＤ（＝Ｍｉ・Ｋｉ）が算出される。次いでステップ７６では実際の放出ＳＯ_x量ＳＯＸＤが予め定められた量ＳＸよりも大きいか否かが判別される。

実際の放出ＳＯ_x量ＳＯＸＤが予め定められた量ＳＸよりも少ないと判別されたときにはステップ７７に進んでＮＯ_x放出用燃料を供給することにより排気ガスの空燃比をリッチにする処理が行われる。このときＮＯ_x吸蔵触媒１３からＮＯ_xが放出される。次いでステップ７８ではＮＯ_x放出フラグがリセットされ、次いでステップ７９において吸蔵ＮＯ_x量ΣＮＯＸがクリアされる。

一方、ステップ７６において実際の放出ＳＯ_x量ＳＯＸＤが予め定められた量ＳＸよりも大きいと判別されたときにはステップ８８に進んで現在の運転領域（ＴＱｉ，Ｎｉ）が図５においてハッチングで示される運転領域として記憶される。次いでステップ８１に進んで尿素水の供給制御が行われる。

図９および図１０に別の実施例を示す。この実施例では図９に示されるようにＳＯ_xトラップ触媒１２下流の機関排気通路内にＳＯ_xセンサ５５が配置され、このＳＯ_xセンサ５５によりＮＯ_x放出用燃料を供給したときにＳＯ_xトラップ触媒１２から放出されるＳＯ_x量が検出される。この実施例ではＳＯ_xセンサ５５により検出された放出ＳＯ_x量ＳＯＸＤが予め定められた量ＳＸを越えたときには尿素水の供給が行われる。

図１０にＳＯ_xセンサ５５を用いた場合のＮＯ_x浄化処理ルーチンを示す。このルーチンは図８と同様に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９０においてＮＯ_x放出フラグがセットされているか否かが判別される。ＮＯ_x放出フラグがセットされていないときには処理サイクルを完了する。このときには排気ガス中のＮＯ_xはＮＯ_x吸蔵触媒１３において浄化されており、尿素水の供給は停止されている。

一方、ステップ９０においてＮＯ_x放出フラグがセットされたと判別されたときにはステップ９１に進んで現在の機関の運転状態（ＴＱ，Ｎ）が読込まれる。次いでステップ９２では現在の運転状態が図５においてハッチングで示される運転領域（ＴＱｉ，Ｎｉ）、即ち以前に尿素水の供給が行われた運転領域であるか否かが判別される。現在の運転状態が以前に尿素水の供給が行われた運転領域であるときにはステップ９８にジャンプして尿素水供給弁１８からの尿素水の供給制御が行われる。このときには排気ガス中のＮＯ_xはＮＯ_x選択還元触媒１７において浄化される。

これに対し、ステップ９２において現在の運転状態が以前に尿素水の供給が行われた運転領域（ＴＱｉ，Ｎｉ）ではないと判別されたときにはステップ９３に進んでＮＯ_x放出用燃料を供給することによる空燃比のリッチ処理が行われる。このときＮＯ_x吸蔵触媒１３からＮＯ_xが放出される。次いでステップ９４ではＮＯ_x放出フラグがリセットされ、次いでステップ９５では吸蔵ＮＯ_x量ΣＮＯＸがクリアされる。

次いでステップ９６ではＳＯ_xセンサ５５により検出された実際の放出ＳＯ_x量ＳＯＸＤが予め定められた量ＳＸよりも大きいか否かが判別され、実際の放出ＳＯ_x量ＳＯＸＤが予め定められた量ＳＸよりも少ないと判別されたときには処理サイクルを完了する。

これに対し、ステップ９６において実際の放出ＳＯ_x量ＳＯＸＤが予め定められた量ＳＸよりも大きいと判別されたときにはステップ９７に進んで現在の運転領域（ＴＱｉ，Ｎｉ）が図５においてハッチングで示される運転領域として記憶される。次いでステップ９８に進んで尿素水の供給制御が行われる。

図１１および図１２に更に別の実施例を示す。この実施例ではＮＯ_x吸蔵触媒１３の下流にＮＯ_x吸蔵触媒１３から流出する排気ガス中のＮＯ_x濃度を検出するためのＮＯ_xセンサ５６が配置されており、このＮＯ_xセンサ５６によってＮＯ_x吸蔵触媒１３によるＮＯ_x浄化率が検出される。

この実施例ではＮＯ_x放出用燃料を供給したときにＳＯ_xトラップ触媒１２から放出されるＳＯ_x量ＳＯＸＤが予め定められた量ＳＸ以下であったとしてもＮＯ_x吸蔵触媒１３によるＮＯ_x浄化率が予め定められた許容レベル以下のときにはＮＯ_x放出用燃料の供給を停止すると共に尿素水を供給して排気ガス中のＮＯ_xをＮＯ_x選択還元触媒１７により浄化するようにしている。

図１２はこの実施例を実行するためのＮＯ_x浄化処理ルーチンを示す。このルーチンも一定時間毎の割込みによって実行される。
図１２を参照するとまず初めにステップ１００においてＮＯ_x放出フラグがセットされているか否かが判別される。ＮＯ_x放出フラグがセットされていないときには処理サイクルを完了する。このときには排気ガス中のＮＯ_xはＮＯ_x吸蔵触媒１３において浄化されており、尿素水の供給は停止されている。

一方、ステップ１００においてＮＯ_x放出フラグがセットされたと判別されたときにはステップ１０１に進んで現在の機関の運転状態（ＴＱ，Ｎ）が読込まれる。次いでステップ１０２では現在の運転状態が図５においてハッチングで示される運転領域（ＴＱｉ，Ｎｉ）、即ち以前に尿素水の供給が行われた運転領域であるか否かが判別される。現在の運転状態が以前に尿素水の供給が行われた運転領域であるときにはステップ１１１にジャンプして尿素水供給弁１８からの尿素水の供給制御が行われる。このときには排気ガス中のＮＯ_xはＮＯ_x選択還元触媒１７において浄化される。

これに対し、ステップ１０２において現在の運転状態が以前に尿素水の供給が行われた運転領域（ＴＱｉ，Ｎｉ）ではないと判別されたときにはステップ１０３に進んで図４（Ａ）に示す関係から放出ＳＯ_x量Ｍｉが算出される。次いでステップ１０４では図４（Ｂ）に示す関係から補正値Ｋｉが算出される。次いでステップ１０５ではＳＯ_xトラップ１２から実際に放出されるＳＯ_x量ＳＯＸＤ（＝Ｍｉ・Ｋｉ）が算出される。次いでステップ１０６では実際の放出ＳＯ_x量ＳＯＸＤが予め定められた量ＳＸよりも大きいか否かが判別される。

実際の放出ＳＯ_x量ＳＯＸＤが予め定められた量ＳＸよりも少ないと判別されたときにはステップ１０７に進んでＮＯ_xセンサ５６により検出されたＮＯ_x吸蔵触媒１３によるＮＯ_x浄化率ＮＯＸＤが予め定められた許容レベルＮＸよりも高いか否かが判別される。ＮＯ_x浄化率ＮＯＸＤが許容レベルＮＸ以下のときにはステップ１１２に進んでＮＯ_x放出用燃料の供給が停止され、尿素水の供給制御が行われる。

一方、ステップ１０７においてＮＯ_x浄化率ＮＯＸＡが許容レベルＮＸよりも高いと判別されたときにはステップ１０８に進んでＮＯ_x放出用燃料を供給することによる空燃比をリッチ処理が行われる。このときＮＯ_x吸蔵触媒１３からＮＯ_xが放出される。次いでステップ１０９ではＮＯ_x放出フラグがリセットされ、次いでステップ１１０では吸蔵ＮＯ_x量ΣＮＯＸがクリアされる。

一方、ステップ１０６において実際の放出ＳＯ_x量ＳＯＸＤが予め定められた量ＳＸよりも大きいと判別されたときにはステップ１１１に進んで現在の運転領域（ＴＱｉ，Ｎｉ）が図５においてハッチングで示される運転領域として記憶される。次いでステップ１１２に進んで尿素水の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。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トラップ触媒からのＳＯ_x放出量を示す図である。尿素水を供給する運転領域を示す図である。ＮＯ_x放出フラグのセット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。ＮＯ_x浄化処理を実行する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。ＮＯ_x浄化処理を実行するためのフローチャートである。圧縮着火式内燃機関の更に別の実施例を示す全体図である。ＮＯ_x浄化処理を実行する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
１２ＳＯ_xトラップ触媒
１３ＮＯ_x吸蔵触媒
１５酸化触媒
１７ＮＯ_x選択還元触媒
１８尿素水供給弁

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吸蔵触媒と、排気ガスの空燃比がリーンのときにアンモニアによって排気ガス中のＮＯ_xを選択的に還元しうるＮＯ_x選択還元触媒とを配置し、ＮＯ_x吸蔵触媒にＮＯ_x放出用燃料を供給するＮＯ_x放出用燃料供給手段と、ＮＯ_x選択還元触媒にＮＯ_x還元用尿素水を供給する尿素水供給手段とを具備した内燃機関において、ＮＯ_x吸蔵触媒およびＮＯ_x選択還元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すると共に、ＮＯ_x吸蔵触媒からＮＯ_xを放出すべきときには上記ＮＯ_x放出用燃料をＳＯ_xトラップ触媒の上流に供給し、該ＮＯ_x放出用燃料を供給したときにＳＯ_xトラップ触媒から放出されるＳＯ_x量が予め定められた量以下となるときには尿素水を供給することなくＮＯ_x放出用燃料を要求に応じ供給して排気ガス中のＮＯ_xをＮＯ_x吸蔵触媒により浄化し、ＮＯ_x放出用燃料を供給したときにＳＯ_xトラップ触媒から放出されるＳＯ_x量が予め定められた量以上となるときにはＮＯ_x放出用燃料の供給を停止すると共に尿素水を供給して排気ガス中のＮＯ_xをＮＯ_x選択還元触媒により浄化するようにした内燃機関の排気浄化装置。
上記ＮＯ_x放出用燃料を供給したときにＳＯ_xトラップ触媒から放出されるＳＯ_x量をＳＯ_xトラップ触媒の状態およびＳＯ_xトラップ触媒に流入する排気ガスの状態から算出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。
上記ＮＯ_x放出用燃料を供給したときにＳＯ_xトラップ触媒から放出されるＳＯ_x量をＳＯ_xトラップ触媒下流の機関排気通路内に配置されたＳＯ_xセンサにより検出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。
上記ＮＯ_x放出用燃料を供給したときにＳＯ_xトラップ触媒から放出されるＳＯ_x量が予め定められた量以下であってもＮＯ_x吸蔵触媒によるＮＯ_x浄化率が予め定められた許容レベル以下のときにはＮＯ_x放出用燃料の供給を停止すると共に尿素水を供給して排気ガス中のＮＯ_xをＮＯ_x選択還元触媒により浄化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。
尿素水が供給されて排気ガス中のＮＯ_xがＮＯ_x選択還元触媒により浄化せしめられているときの機関の運転状態が記憶され、その後機関の運転状態が該記憶された運転状態になったときにはたとえＮＯ_x放出用燃料を供給すべきときであってもＮＯ_x放出用燃料の供給を停止しかつ尿素水を供給して排気ガス中のＮＯ_xをＮＯ_x選択還元触媒により浄化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。