JP5246341B2

JP5246341B2 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP5246341B2
Application number: JP2011537080A
Authority: JP
Inventors: 寛真西岡; 佳久塚本; 寿丈梅本; 潤一松尾
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-10-21
Filing date: 2009-10-21
Publication date: 2013-07-24
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Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンなどの内燃機関は、機関本体で燃料が燃焼され、汚染物を含む排気ガスが排出される。排気ガスの汚染物には、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃炭化水素（ＨＣ）またはパティキュレート（ＰＭ）のほかに、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）が含まれる。窒素酸化物を除去する方法の一つとして、機関排気通路にＮＯ_Ｘを還元する装置を配置することが知られている。
ＮＯ_Ｘを還元する装置は、一時的にＮＯ_Ｘを吸蔵するＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒を含む。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒は、排気ガスの空燃比が大きな時、すなわち、排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯ_Ｘを吸蔵する。これに対して、排気ガスの空燃比が小さい時、すなわち排気ガスの空燃比がリッチのときには、吸蔵されたＮＯ_Ｘを放出すると共に、排気ガスに含まれる還元剤によりＮＯ_Ｘが還元浄化される。
特開２００４−８４６３８号公報においては、プラズマ発生装置により排出ガス成分の一部を酸化剤成分に変換し、酸化剤成分によって排ガス中の炭素成分を酸化させて一酸化炭素を生成する工程と、脱硝触媒上で一酸化炭素の還元作用によって排ガス中のＮＯ_Ｘを還元する工程と含むエンジン排ガスの処理方法が開示されている。
特開２００６−５７４７８号公報においては、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の上流側で、燃焼ガスを噴射するバーナを備える排気浄化部材の再生装置が開示されている。この再生装置では、バーナにおいて燃料を不完全燃焼させ、一酸化炭素の含有量や燃料ガスの含有量を増加させた燃焼ガスを噴射することにより、排気浄化部材を再生することが開示されている。
また、排気ガスに含まれるＮＯ_Ｘを還元する装置は、連続的にＮＯ_Ｘと還元剤とを反応させるＮＯ_Ｘ触媒を含む。
特開２００１−２０７２０号公報においては、ディーゼル機関の排気通路に配置されたフィルタと、フィルタに担持される弱酸化力触媒およびＮＯ_Ｘ還元触媒とを備え、弱酸化力触媒をＮＯ_Ｘ還元触媒の上流側に配置した排気浄化装置が開示されている。フィルタを通過する排気は、弱酸化力触媒により炭化水素の部分酸化が促進され、一酸化炭素およびアルデヒド比率が高くなる。そして、この排気がＮＯ_Ｘ還元触媒を通ることにより、高い窒素酸化物の還元効率が得られると開示されている。
特開平３−７２９１６号公報においては、排ガスを面積速度１００〜５０００ｍ^３／ｍ^２・ｈｒで触媒層に通すことにより、排気ガスに含まれるパティキュレートから選択的に一酸化炭素を生成して、一酸化炭素により排ガス中の窒素酸化物を除去する排気ガスの処理方法が開示されている。
また、特開２００８−２３８０５９号公報においては、担体と、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の塩化物などの触媒成分とからなる触媒がディーゼルパティキュレートフィルタに担持されている装置が開示されている。

特開２００４−８４６３８号公報特開２００６−５７４７８号公報特開２００１−２０７２０号公報特開平３−７２９１６号公報特開２００８−２３８０５９号公報

ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒は、使用を継続すると次第にＮＯ_Ｘが蓄積する。また、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスにＳＯ_Ｘが含まれている場合にはＳＯ_Ｘが蓄積する。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒は、ＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘを放出するための再生処理が行なわれる。再生処理を行なう場合には、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにする。
ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からＮＯ_Ｘを放出させる場合には、例えば、機関排気通路に未燃燃料を供給することにより、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしている。ＮＯ_Ｘの放出および還元を行なうためには燃料が必要になる。
ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からＳＯ_Ｘを放出させる場合には、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒を高温にする。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の昇温においては、例えば、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の上流側に貴金属触媒を担持した排気処理装置を配置して、この排気処理装置に未燃燃料を供給することにより排気ガスの温度を上昇させる。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の温度がＳＯ_Ｘの放出が可能な温度に達したら、例えば、機関排気通路に未燃燃料を供給することにより、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしている。ＳＯ_Ｘの放出を行なうためは、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の昇温と空燃比の制御のための燃料が必要になる。
このように、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の再生処理を行なうためには、付加的な燃料が必要であり、燃料の消費率の悪化を伴っていた。

本発明は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒を備え、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の再生処理のときに消費される燃料の量を抑制する内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
本発明の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気通路内に配置され、排気ガスの空燃比がリーンの時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吸蔵還元触媒と、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の上流側に配置され、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集する捕集フィルタとを備える。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されるＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘを放出させる場合に、粒子状物質の少なくとも一部が酸化される温度まで捕集フィルタを昇温し、捕集フィルタに流入する排気ガスの流量を低下させると共に、捕集フィルタから流出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ように排気ガスの空燃比を低下させ、捕集フィルタに堆積する粒子状物質を酸化させて一酸化炭素を生成する一酸化炭素生成制御を行うことより、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に一酸化炭素を供給する。
上記発明においては、捕集フィルタに流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることが好ましい。
上記発明においては、捕集フィルタに堆積する粒子状物質から生成される一酸化炭素と、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に堆積するＮＯ_Ｘとがほぼ量論混合比になるように、機関本体から排出される排気ガスのＮＯ_Ｘおよび粒子状物質の存在割合を調整する調整装置を備えることが好ましい。
上記発明においては、一酸化炭素生成制御が終了した時の捕集フィルタに堆積する粒子状物質の量を検出し、粒子状物質の量が判定値よりも大きい場合には、捕集フィルタを粒子状物質が二酸化炭素まで酸化される温度以上に昇温し、捕集フィルタに流入する排気ガスの空燃比をリーンにすることにより、粒子状物質を燃焼させることが好ましい。
上記発明においては、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒をＳＯ_Ｘ放出可能な温度まで上昇させると共に、一酸化炭素生成制御を行うことによりＳＯ_Ｘを放出させる硫黄被毒回復処理を行なうようにした内燃機関の排気浄化装置において、硫黄被毒回復処理の前に、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に蓄積するＳＯ_Ｘ量を検出し、硫黄被毒回復処理に必要な量の粒子状物質が捕集フィルタに堆積しているように、機関本体から排出される粒子状物質の量を増加させ、または、粒子状物質の燃焼量を減少させることが好ましい。
上記発明においては、捕集フィルタの粒子状物質を酸化する能力の劣化度を検出する劣化度検出装置を備え、劣化度検出装置により捕集フィルタの一酸化炭素を生成する能力の劣化度を検出し、劣化度が大きくなるほど一酸化炭素を生成する時間を長くすることが好ましい。
上記発明においては、機関吸気通路に配置されているスロットル弁および機関排気通路に配置されている排気絞り弁のうち少なくとも一方の弁の開度を小さくすることにより、捕集フィルタに流入する排気ガスの流量を低下させることができる。

本発明によれば、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒を備え、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の再生処理のときに消費される燃料の量を抑制する内燃機関の排気浄化装置を提供することができる。

実施の形態１における内燃機関の概略全体図である。パティキュレートフィルタの概略正面図である。パティキュレートフィルタの概略断面図である。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の拡大概略断面図である。単位時間あたりにパティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質の量のマップである。単位時間あたりにＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に蓄積されるＮＯ_Ｘ量のマップである。実施の形態１における第１の運転制御のフローチャートである。実施の形態１の第１の運転制御における排気ガスの流量の判定値のマップである。実施の形態１における第１の運転制御のタイムチャートである。実施の形態１における第２の運転制御のフローチャートである。実施の形態１の第２の運転制御におけるパティキュレートフィルタの床温の低温側判定値のマップである。実施の形態１における第３の運転制御のフローチャートである。通常運転時における噴射パターンの説明図である。機関排気通路に未燃燃料を供給するときの噴射パターンの説明図である。実施の形態１における他の内燃機関の概略図である。実施の形態２におけるＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵量と、パティキュレートフィルタの粒子状物質の堆積量との量論混合比を説明するグラフである。実施の形態２における機関本体から排出されるＮＯ_Ｘ量と、粒子状物質の量との関係を説明するグラフである。実施の形態２における排気浄化装置の通常運転時の制御のフローチャートである。実施の形態２におけるＮＯ_Ｘを放出させる運転制御のタイムチャートである。実施の形態３における硫黄被毒回復処理の運転制御のタイムチャートである。実施の形態４における内燃機関の排気浄化装置の概略図である。実施の形態４における一酸化炭素を生成する制御を行なうときのフローチャートである。実施の形態５における第１のパティキュレートフィルタの隔壁の拡大概略断面図である。実施の形態５における第２のパティキュレートフィルタの隔壁の拡大概略断面図である。実施の形態６における第１の内燃機関の概略図である。実施の形態６における第２の内燃機関のパティキュレートフィルタの概略断面図である。実施の形態７における第１のパティキュレートフィルタの隔壁の拡大概略断面図である。実施の形態７における第２のパティキュレートフィルタの隔壁の拡大概略断面図である。

実施の形態１
図１から図１５を参照して、実施の形態１における内燃機関の排気浄化装置について説明する。
図１に、本実施の形態における内燃機関の全体図を示す。本実施の形態においては、圧縮着火式のディーゼルエンジンを例に取り上げて説明する。内燃機関は、機関本体１を備える。機関本体１は、各気筒の燃焼室２と、各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式の燃料噴射弁３と、吸気マニホールド４と、排気マニホールド５とを含む。
本実施の形態における内燃機関は、過給機としての排気ターボチャージャ７を備える。吸気マニホールド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の出口に連結されている。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に連結されている。機関吸気通路を構成する吸気ダクト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が配置されている。更に、吸気ダクト６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が配置されている。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、排気マニホールド５は、排気ターボチャージャ７のタービン７ｂの入口に連結されている。排気タービン７ｂの出口は、排気管１２を介してパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）１６に連結されている。パティキュレートフィルタ１６の下流の機関排気通路内にはＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒（ＮＳＲ）１７が配置されている。機関排気通路には、排気絞り弁１３が配置されている。本実施の形態においては、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒１７の下流に排気絞り弁１３が配置されている。
パティキュレートフィルタ１６の上流側の排気管１２には、排気管１２の内部に未燃燃料を供給するための燃料供給装置として、燃料添加弁１５が配置されている。燃料添加弁１５は、燃料を供給したり停止したりする燃料供給作用を有するように形成されている。本実施の形態における排気浄化装置は、機関本体１の燃料が燃料添加弁１５から噴射されるように形成されている。燃料添加弁１５から噴射する燃料は、この形態に限られず、機関本体１の燃料とは異なる燃料を噴射するように形成されていても構わない。排気ガスは、矢印１００に示すように、パティキュレートフィルタ１６に向かって流れる。
排気マニホールド５と吸気マニホールド４との間には、排気ガス再循環（ＥＧＲ）を行うためにＥＧＲ通路１８が配置されている。ＥＧＲ通路１８には電子制御式のＥＧＲ制御弁１９が配置されている。また、ＥＧＲ通路１８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が配置されている。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２０に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
それぞれの燃料噴射弁３は、燃料供給管２１を介してコモンレール２２に連結されている。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に連結されている。燃料タンク２４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内に供給される。コモンレール２２に供給された燃料は、それぞれの燃料供給管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る。本実施の形態における内燃機関の制御装置は、電子制御ユニット３０を含む。電子制御ユニット３０は、双方性バス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を備える。ＲＯＭ３２は、読み込み専用の記憶装置であり、制御を行なうための必要なマップ等の情報が予め記憶されている。ＣＰＵ３４は、任意の演算や判断を行なうことができる。ＲＡＭ３３は、読み書きが可能な記憶装置であり、運転履歴などの情報を保存したり、演算結果を一時的に保存したりすることができる。
機関排気通路において、パティキュレートフィルタ１６の下流には、パティキュレートフィルタ１６の温度を検出するための温度センサ２６が配置されている。また、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒１７の下流には、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒１７の温度を検出するための温度センサ２７が配置されている。温度センサ２６，２７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。
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が接続されている。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が接続されている。クランク角センサ４２の出力により、機関本体１の回転数を検出することができる。
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に接続されている。また、出力ポート３６は、対応する駆動回路３８を介して燃料添加弁１５に接続されている。それぞれの装置は、電子制御ユニット３０により制御されている。
図２に、パティキュレートフィルタの概略正面図を示す。図３に、パティキュレートフィルタの軸方向に沿って切断したときの概略断面図を示す。捕集フィルタとしてのパティキュレートフィルタ１６は、排気ガスに含まれる炭素微粒子、サルフェート等の粒子状物質（ＰＭ：ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ）を除去するためのフィルタである。本実施の形態におけるパティキュレートフィルタ１６は、円筒形状に形成されている。
本実施の形態におけるパティキュレートフィルタ１６はハニカム構造を有する。パティキュレートフィルタ１６は、排気ガスの流れ方向に沿って延びる複数の通路６０，６１を有する。通路６０は、下流端が栓６２により閉塞されている。通路６１は、上流端が栓６３により閉塞されている。通路６０および通路６１は、薄肉の隔壁６４を介して交互に配置されている。図２においては、栓６３の部分に斜線を付している。
パティキュレートフィルタ１６は、例えばコージライトのような多孔質材料から形成されている。排気ガスが流入する通路６０は、排気ガスが流出する通路６１に囲まれている。通路６０に流入した排気ガスは、矢印２００に示すように、周囲の隔壁６４を通って隣接する通路６１に流出する。排気ガスが隔壁６４を通過するときに粒子状物質が捕捉される。排気ガスは、通路６１を通ってパティキュレートフィルタ１６から流出する。このように、粒子状物質は、パティキュレートフィルタに捕集される。
図４に、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の拡大概略断面図を示す。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒１７は、機関本体１から排出される排気ガスに含まれるＮＯ_Ｘを一時的に吸蔵して、吸蔵したＮＯ_Ｘを放出するときにＮ_２に変換する触媒である。
ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒１７は、基体上に例えばアルミナからなる触媒担体４５が担持されている。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いる。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。貴金属触媒４６としては、例えば白金Ｐｔが用いられる。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、または機関排気通路に供給された排気ガスの空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）と称すると、排気ガスの空燃比がリーンのとき（理論空燃比より大きなとき）には、排気ガス中に含まれるＮＯが貴金属触媒４６上において酸化されてＮＯ_２になる。ＮＯ_２は、硝酸イオンＮＯ_３ ⁻の形でＮＯ_Ｘ吸収剤４７内に吸蔵される。
これに対して、排気ガスの空燃比がリッチのとき（理論空燃比より小さなとき）或いは理論空燃比になると、排気ガス中の酸素濃度が低下するために反応が逆方向（ＮＯ_３ ⁻→ＮＯ_２）に進む。ＮＯ_Ｘ吸収剤４７内の硝酸イオンＮＯ_３ ⁻がＮＯ_２の形でＮＯ_Ｘ吸収剤４７から放出される。放出されたＮＯ_Ｘは、排気ガスに含まれる未燃炭化水素や一酸化炭素等によってＮ_２に還元される。
図５に、パティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質の量を算出するマップを示す。単位時間当りにパティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質の量ＰＭＡは、機関回転数Ｎと燃焼室における燃料噴射量Ｑとにより求められる。このマップにより求められる単位時間当りに堆積する粒子状物質の量ＰＭＡを積算することにより、任意の時刻における粒子状物質の堆積量を推定することができる。図１を参照して、このようなマップは、例えば電子制御ユニット３０のＲＯＭ３２に予め記憶させる。算出される粒子状物質の堆積量は、例えばＲＡＭ３３に記憶させることができる。
本実施の形態においては、単位時間当りに堆積される粒子状物質の量のマップを用いて、粒子状物質の堆積量を算出しているが、この形態に限られず、任意の方法により粒子状物質の堆積量を算出することができる。例えば、パティキュレートフィルタの前後差圧を検出する差圧センサを配置する。差圧センサの出力により粒子状物質の堆積量を推定しても構わない。
図６に、本実施の形態における単位時間当たりにＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されるＮＯ_Ｘ量のマップを示す。本実施の形態においては、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に蓄えられるＮＯ_Ｘ吸蔵量を推定する。たとえば、機関回転数Ｎと燃料噴射量Ｑとを関数にする単位時間あたりのＮＯ_Ｘ量ＮＯＸＡのマップを電子制御ユニット３０のＲＯＭ３２に内蔵する。運転状態に応じて算出される単位時間あたりのＮＯ_Ｘ吸蔵量を積算することにより、任意の時刻におけるＮＯ_Ｘ吸蔵量を算出することができる。
図７に、本実施の形態における第１の運転制御のフローチャートを示す。第１の運転制御は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からＮＯ_Ｘを放出させるときの制御である。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒は、使用を継続すると次第にＮＯ_Ｘが蓄積する。本実施の形態においては、ＮＯ_Ｘ吸蔵量が予め定められた許容値に達したときに、ＮＯ_Ｘを放出させる制御を行なう。
本実施の形態の排気浄化装置は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘを放出させるときに、パティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質から一酸化炭素を生成する一酸化炭素生成制御を行う。一酸化炭素は好適な還元剤になる。生成した一酸化炭素を、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に供給することにより再生処理を行なっている。
ステップ１２１においては、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵量が許容値に達し、ＮＯ_Ｘ放出要求を検出している。
次に、ステップ１２２においては、パティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質の量（ＰＭ堆積量）を検出している。ステップ１２３においては、ＮＯ_Ｘの放出に必要な量の粒子状物質が、パティキュレートフィルタに堆積しているか否かを判別する。ステップ１２３においては、ＰＭ堆積量がＰＭ堆積量の判定値よりも大きいか否かを判別する。ＰＭ堆積量の判定値は、例えば予め定められた判定値を用いることができる。
ステップ１２３において、ＰＭ堆積量が判定値以下であれば、ステップ１２２に戻る。または、ＰＭ堆積量が判定値以下であれば、機関本体から排出される粒子状物質を増加させる制御を行なっても構わない。ステップ１２３において、ＰＭ堆積量が判定値よりも大きい場合には、ステップ１２４に移行する。
粒子状物質は、酸化反応が生じることにより一酸化炭素になり、さらに酸化反応が進むことにより二酸化炭素になる。パティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質の酸化反応は、パティキュレートフィルタの温度に依存する。たとえば、パティキュレートフィルタの床温に依存する。パティキュレートフィルタの温度が高くなるほど酸化反応が進行する。また、粒子状物質の酸化反応は、排気ガスの流量（または空間速度）に依存する。排気ガスの流量が大きく、排気ガスに含まれる酸素量が多いと酸化反応が進行する。
ＮＯ_Ｘを放出させる場合には、粒子状物質が酸素と反応する運転領域内で、一酸化炭素が多量に生成されることが好ましい。すなわち、粒子状物質は、酸化反応が進んで二酸化炭素まで変換されないことが好ましい。本実施の形態においては、燃焼室に流入する吸入空気流量を小さくする。排気ガスに含まれる酸素の流量が小さくなる。さらに、粒子状物質の酸化反応が生じて一酸化炭素が生成されるようにパティキュレートフィルタの温度を上昇させる。
ステップ１２４においては、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの流量を推定する。図１を参照して、例えば、吸入空気量検出器８による吸入空気流量を検出し、燃焼室２における燃料の噴射量に基づいて吸入空気流量を補正することにより排気ガスの流量を推定することができる。排気ガスの流量の代わりに、排気ガスの空間速度（ＳＶ）を推定しても構わない。
次に、ステップ１２５において、推定した排気ガスの流量が、排気ガスの流量の判定値よりも小さいか否かを判別する。
図８に、本実施の形態における排気ガスの流量の判定値ＨＧＡのマップを示す。一酸化炭素は、たとえば排気ガスの流量が小さければ温度が低くても生成される。排気ガスの流量の判定値は、機関回転数Ｎおよび燃焼室における燃料噴射量Ｑを関数にして定めることができる。矢印１１１に示すように、機関回転数Ｎが大きくなるほど、また、燃料噴射量が大きくなるほど、判定値ＨＧＡは大きくなる。本実施の形態においては、パティキュレートフィルタの温度と排気ガスの流量とを関数にする判定値のマップを変換して、機関回転数Ｎと燃料噴射量Ｑとを関数にする判定値のマップを形成している。
図７を参照して、ステップ１２５において、排気ガスの流量が判定値以上の場合には、ステップ１２６に移行する。ステップ１２６においては、図１を参照して、スロットル弁１０を絞ることにより機関本体１に流入する空気流量を減少させる。機関本体１から排出される排気ガスの流量が減少する。ステップ１２４，１２６を繰り返して、排気ガスの流量が判定値未満になるまで、この制御を繰り返す。また、スロットル弁１０を絞ることにより、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比が低下する。本実施の形態においては、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比がリッチになるまでスロットル弁１０を絞っている。
ステップ１２５において、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの流量が判定値よりも小さい場合には、ステップ１２７に移行する。ステップ１２７においては、パティキュレートフィルタの床温を検出する。図１を参照して、パティキュレートフィルタ１６の床温は、温度センサ２６の出力により検出することができる。
次に、ステップ１２８において、パティキュレートフィルタの床温が床温の判定値よりも大きいか否かを判別する。この判定値は、一酸化炭素を生成するときの目標温度を採用することができる。ステップ１２８において、パティキュレートフィルタの床温が判定値以下の場合には、ステップ１２９に移行する。
ステップ１２９においては、パティキュレートフィルタ１６の温度を上昇させる昇温制御を行なう。本実施の形態においては、図１を参照して、燃料添加弁１５から未燃燃料を供給する。本実施の形態におけるパティキュレートフィルタには、酸化反応を促進するために金属触媒が担持されている。金属触媒は、たとえば貴金属粒子を含む。未燃燃料は、金属触媒の表面上において酸化されて、酸化反応熱が生じる。この酸化反応熱により、パティキュレートフィルタ１６を昇温することができる。
ステップ１２８において、パティキュレートフィルタの床温が判定値よりも大きい場合には、粒子状物質が酸化されて一酸化炭素が生成される。パティキュレートフィルタから流出する排気ガスの空燃比はリッチである。一酸化炭素を含む排気ガスは、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入してＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘが放出される。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒において放出されたＮＯ_ＸはＮ_２に還元される。一酸化炭素生成制御は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒から所定量のＮＯ_Ｘが放出されるまで継続する。
図７に示す制御例では、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの流量の調整を行なった後に、パティキュレートフィルタの床温の調整を行なっているが、この形態に限られず、いずれを先に行なっても構わない。または、同時に行なっても構わない。
図９に、本実施の形態における第１の運転制御のタイムチャートを示す。時刻ｔ１までは通常運転を行なっている。時刻ｔ１において、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵量が許容値に達している。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の許容値は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒がＮＯ_Ｘで飽和する飽和量よりも余裕を含んで小さく設定されていることが好ましい。または、ＮＯ_Ｘ吸蔵量の許容値を超えないように、この許容値よりも小さな判定値をＮＯ_Ｘの放出を開始する値に採用しても構わない。
時刻ｔ１において、ＮＯ_Ｘを放出する要求信号が発信されている。パティキュレートフィルタにおける粒子状物質の堆積量は連続的に検出されている。時刻ｔ１において、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの流量が判定値未満となるように、スロットル弁の開度を減少させている。また、時刻ｔ１から、パティキュレートフィルタの温度を上昇させる昇温制御を行なっている。
燃料添加弁１５から未燃燃料を供給することにより、パティキュレートフィルタを一酸化炭素の生成目標温度よりも高くなるまで昇温している。時刻ｔ２において、パティキュレートフィルタの床温が一酸化炭素を生成する目標温度に達している。図９に示す制御例では、時刻ｔ２においてパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比はリッチになっている。
時刻ｔ２から時刻ｔ３においては、粒子状物質の燃焼が可能な温度以上にパティキュレートフィルタの温度が維持される。スロットル弁の開度は小さくなっており、パティキュレートフィルタに流入する酸素の流量が少なくなっている。パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比はリッチになり、酸素が不足する状態が形成されている。粒子状物質の酸化反応は進まずに、一酸化炭素が生成される。すなわち、二酸化炭素の生成が抑制されて一酸化炭素の生成が促進される。
粒子状物質が燃焼して一酸化炭素が生成されることにより、パティキュレートフィルタの粒子状物質の堆積量が減少する。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒には一酸化炭素が流入する。蓄積されていたＮＯ_Ｘが放出されてＮＯ_Ｘ吸蔵量が減少する。時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間において、パティキュレートフィルタの温度が下降して、一酸化炭素の生成目標温度未満となる場合には、燃料添加弁から燃料を供給して、パティキュレートフィルタの昇温を行なっても構わない。
ＮＯ_Ｘの放出は、予め定められた量のＮＯ_Ｘが放出されるまで継続する。本実施の形態においては、放出させるべきＮＯ_Ｘ量から必要な一酸化炭素の量を算出することができる。パティキュレートフィルタに流入する排気ガスに含まれる酸素量、ＰＭ堆積量、およびパティキュレートフィルタの床温を推定し、これらの変数に基づいてパティキュレートフィルタから流出する単位時間当たりの一酸化炭素の量を推定することができる。単位時間当たりの一酸化炭素の量を積算することにより、任意の時刻における一酸化炭素の供給量を算出することができる。一酸化炭素の供給量がＮＯ_Ｘの放出に必要な量に達したときにＮＯ_Ｘの放出を終了する。ＮＯ_Ｘの放出を行なう時間については、この形態に限られず、たとえば予め定められた時間で行なっても構わない。
時刻ｔ３以降では、ＮＯ_Ｘの放出を終了して通常運転に復帰している。
本実施の形態の第１の運転制御における一酸化炭素生成制御は、捕集フィルタを粒子状物質の少なくとも一部を酸化できる温度まで昇温する。捕集フィルタに流入する排気ガスの流量を低下させる。さらに捕集フィルタから流出する排気ガスの空燃比をリッチにする制御を含んでいる。
本実施の形態の内燃機関の排気浄化装置は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘの放出のときに、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に還元剤として一酸化炭素を供給している。一酸化炭素は、反応性の高い還元剤である。例えば、軽油等の燃料よりも還元性が高い。このため、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘの放出を好適に行なうことができる。
また、本実施の形態においては、パティキュレートフィルタにおいて、粒子状物質の酸化反応により、排気ガスに含まれる酸素が消費される。このために、酸素濃度の低い排気ガスをＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に供給することができる。還元反応を低下させる酸素が排除されているために、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒において反応性の高い還元を行なうことができる。
本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒にて反応性の高い還元を行なうことができるために、ＮＯ_Ｘを放出させるための燃料消費を抑制することができる。さらに、本実施の形態における排気浄化装置は、様々な運転状態のときにＮＯ_Ｘの放出を行なうことができる。時間と共に変化する運転状態に対応してＮＯ_Ｘの放出を行なうことができる。
また、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の再生と同時に、粒子状物質の一部を燃焼させることができる。パティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質の一部を除去することができる。このために、パティキュレートフィルタの再生を別に行う場合には、再生において除去すべき粒子状物質の量を少なくすることができる。このためパティキュレートフィルタの再生における燃料消費を抑制することができる。
本実施の形態においては、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比がリッチになるように制御を行っているが、この形態に限られず、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比または理論空燃比よりもわずかにリーン（スライトリーン）になるように制御を行なうことができる。このときには、堆積する粒子状物質から一酸化炭素が生成されるような温度範囲にパティキュレートフィルタの床温が制御されることが好ましい。パティキュレートフィルタの内部では、粒子状物質の酸化に酸素が消費され、パティキュレートフィルタから流出する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにすることができる。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒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ように制御することができる。
本実施の形態の第１の運転制御においては、スロットル弁の開度を小さくすることにより、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの流量を低下させているが、この形態に限られず、任意の装置によりパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの流量を低下させることができる。たとえば、図１に示すように、機関排気通路に排気絞り弁１３を配置し、排気絞り弁１３の開度を小さくしても構わない。排気絞り弁１３により流路断面積を小さくして、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの流量を低下させることができる。または、スロットル弁１０および排気絞り弁１３の両方の開度を小さくしても構わない。
本実施の形態においては、スロットル弁の開度を小さくすることにより、排気ガスの空燃比を低下させているが、この形態に限られず、スロットル弁の開度の変更に加えて、燃焼室における燃焼パターンの変更により、排気ガスの空燃比を低下させても構わない。
たとえば、燃焼室において主噴射の後の燃焼可能な時期に燃料の補助噴射を行うことにより、排気ガスの空燃比を低下させることができる。燃焼室において補助噴射の燃料の少なくとも一部を燃焼させて排気ガスの空燃比を低下させることができる。この制御により、排気ガスに含まれる二酸化窒素ＮＯ_２が増加する。二酸化窒素ＮＯ_２は酸化力が強く、粒子状物質の酸化には好適である。このため、一酸化炭素を生成するときのパティキュレートフィルタの床温を低くすることができる。
本実施の形態においては、燃焼室に流入する空気流量を減少させることにより、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比を低下させているが、この形態に限られず、燃料添加弁からの燃料の供給を併用しても構わない。
図１０は、本実施の形態における第２の運転制御のフローチャートである。第２の運転制御は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からＮＯ_Ｘを放出させるときの制御であり、一酸化炭素生成制御を含む。第２の運転制御においては、パティキュレートフィルタの床温を、一酸化炭素が生成される温度範囲内に制御する。パティキュレートフィルタの床温が高くなるほど酸化反応が進んで二酸化炭素まで酸化される。第２の運転制御においては、粒子状物質が一酸化炭素になったところで酸化反応が抑制されるようにパティキュレートフィルタの温度を制御する。
ステップ１２１からステップ１２３までは、本実施の形態における第１の運転制御と同様である。ステップ１２３において、パティキュレートフィルタにおけるＰＭ堆積量が判定値よりも大きな場合には、ステップ１３３に移行する。
ステップ１３３では、燃料添加弁による燃料の添加を開始する。パティキュレートフィルタの昇温を開始する。ステップ１３４においては、パティキュレートフィルタの床温を検出する。燃料添加弁による燃料の添加を開始したときに、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比はリーンである。
ステップ１３５においては、パティキュレートフィルタの床温が、低温側の判定値よりも大きく、高温側の判定値よりも小さいか否かを判別する。第２の運転制御においては、パティキュレートフィルタの床温を一酸化炭素が多く生成される温度範囲内に制御する。例えば、パティキュレートフィルタの床温を一酸化炭素が生成され始める温度よりも若干高い温度範囲に設定することができる。
図１１に、パティキュレートフィルタの床温の低温側の判定値のマップを示す。低温側の判定値ＬＰＭＴは、機関回転数Ｎおよび燃焼室における燃料噴射量Ｑを関数として定めることができる。矢印１１２に示すように、機関回転数が大きくなるほど、また、燃料噴射量が大きくなるほど判定値が大きくなる。パティキュレートフィルタの床温の高温側の判定値ＨＰＭＴは、低温側の判定値ＨＰＭＴと同様に、機関回転数Ｎおよび燃料噴射量Ｑを関数にするマップにより定めることができる。
図１０を参照して、ステップ１３５において、パティキュレートフィルタの床温が低温側判定値以下または高温側判定値以上の場合には、ステップ１３６に移行する。ステップ１３６においては、パティキュレートフィルタの温度を調整する温度制御を行う。本実施の形態においては、燃料添加弁１５からの未燃燃料の供給量を調整することにより、パティキュレートフィルタ１６の温度制御を行なっている。パティキュレートフィルタの床温が低温側の判定値以下の場合には、燃料添加弁１５からの燃料の供給量を増加させる制御を行う。パティキュレートフィルタの床温が、高温側の判定値以上の場合には、燃料添加弁１５からの燃料の供給量を減少させる制御を行う。パティキュレートフィルタの床温が、低温側判定値よりも大きく高温側判定値よりも小さくなるように、燃料添加弁からの燃料の添加量を調整する。このように、パティキュレートフィルタの床温を所定の温度範囲にすることにより、一酸化炭素を生成できる。
第２の運転制御は、パティキュレートフィルタの粒子状物質が燃焼するときの燃焼速度を低下させて、一酸化炭素を生成することができる。パティキュレートフィルタから流出する排気ガスは、一酸化炭素を含んでいる。一酸化炭素を含む排気ガスがＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入すると、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒において一酸化炭素と排気ガスに含まれる酸素が反応して酸素が消費される。排気ガスの空燃比が低下し、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からＮＯ_Ｘの放出を行なうことができる。更に、過剰の一酸化炭素でＮＯ_Ｘを還元することができる。第２の運転制御においても所定量のＮＯ_Ｘが放出されるまで、一酸化炭素を生成する運転を継続する。
図１２に、本実施の形態における第３の運転制御のフローチャートを示す。第３の運転制御は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からＮＯ_Ｘを放出させる制御であり、一酸化炭素生成制御を含む。第３の運転制御では、粒子状物質が燃焼している状態で、機関排気通路に消化剤を供給することにより、酸素が不足する状況を形成する。本実施の形態においては、消化剤として燃料を供給する。また、パティキュレートフィルタの床温を一酸化炭素が生成される温度範囲にすることにより一酸化炭素の生成を促進する。
ステップ１２１からステップ１２３までは、本実施の形態における第１の運転制御と同様である。ステップ１２３において、ＰＭ堆積量が判定値よりも大きな場合には、ステップ１４１に移行する。ステップ１４１においては、パティキュレートフィルタの昇温のために、燃料添加弁からの燃料供給を開始する。ステップ１４２においては、パティキュレートフィルタの床温を検出する。ステップ１４３においては、パティキュレートフィルタの床温の時間変化率が負であるか否かを検出する。
ステップ１４３において、パティキュレートフィルタの床温の時間変化率が零以上である場合には、ステップ１４４に移行する。ステップ１４４においては、燃料の供給量を増加させる。このように、排気ガスに含まれる酸素を完全に消費するまで燃料の供給量を増加させる。
燃料添加弁からの燃料の供給量を増加することにより、パティキュレートフィルタにおける未燃燃料の酸化反応が促進されて温度が上昇する。また、粒子状物質の燃焼可能温度に達した場合には、粒子状物質の酸化反応が開始する。燃料の供給量を更に多くすると、排気ガスに含まれる酸素が未燃燃料の酸化により完全に消費される。更に燃料の供給量を増加すると、供給する燃料が酸化反応せずに吸熱材になる。このために、燃料の供給量の増加と共にパティキュレートフィルタの床温が低下する。この様に、燃料の添加量の増加を繰り返すと、床温の時間変化率が正から負になる。
ステップ１４３において、パティキュレートフィルタの床温の時間変化率が負である場合には、すなわち、パティキュレートフィルタの床温が時間経過と共に低下している場合には、ステップ１４５に移行する。
ステップ１４５では、パティキュレートフィルタの床温が一酸化炭素を生成するときの判定値未満か否かを判別する。パティキュレートフィルタの床温が判定値以上である場合には、ステップ１４６に移行する。ステップ１４６では、さらに燃料供給量を増加する。燃料供給量を増加することにより、パティキュレートフィルタの床温が下降する。
ステップ１４５において、パティキュレートフィルタの床温が一酸化炭素を生成するときの判定値未満である場合には、運転状態を維持する。このときには、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比はリッチの状態である。また酸素が不足している状態であり、粒子状物質の酸化反応が抑制されて一酸化炭素が生成される。一酸化炭素は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に供給され、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からＮＯ_Ｘが放出される。
本実施の形態における第３の運転制御においては、未燃燃料が盛んに燃焼する以上に燃料供給を行なって、未燃燃料の酸化により排気ガスに含まれる酸素濃度を低減させることができる。パティキュレートフィルタにおいて粒子状物質から一酸化炭素を生成することができる。また、パティキュレートフィルタの床温を下降させることにより、一酸化炭素の生成を促進することができる。
本実施の形態においては、機関排気通路に未燃燃料を供給する燃料供給装置として、燃料添加弁を配置しているが、この形態に限られず、燃料供給装置は、機関排気通路に未燃燃料を供給できる任意の装置を採用することができる。たとえば、燃焼室における燃料の噴射パターンの変更により、機関排気通路に未燃燃料を供給することができる。
図１３に、本実施の形態における内燃機関の通常運転時における燃料の噴射パターンを示す。噴射パターンＡは、通常運転時における燃料の噴射パターンである。通常運転時においては、略圧縮上死点ＴＤＣで主噴射ＦＭが行なわれる。クランク角が略０°において主噴射ＦＭが行なわれる。また、主噴射ＦＭの燃焼を安定化させるために、主噴射ＦＭの前にパイロット噴射ＦＰが行なわれている。
図１４に、機関排気通路に未燃燃料を供給するときの噴射パターンを示す。噴射パターンＢは、主噴射ＦＭの後にポスト噴射ＦＰＯを行なっている。ポスト噴射ＦＰＯは、燃焼室において燃料が燃焼しない時期に行う噴射である。ポスト噴射ＦＰＯは、補助噴射である。ポスト噴射ＦＰＯは、例えば、圧縮上死点後のクランク角が略９０°から略１２０°の範囲内において行われる。ポスト噴射を行うことにより、機関排気通路に未燃燃料を供給することができる。
上述の説明においては、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の再生処理のうち、ＮＯ_Ｘの放出について説明を行ったが、この形態に限られず、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に蓄積するＳＯ_Ｘを放出する場合にも、本発明を適用することができる。
内燃機関の排気ガスには、硫黄酸化物（ＳＯ_Ｘ）が含まれる場合がある。この場合に、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒は、ＮＯ_Ｘの吸蔵と同時にＳＯ_Ｘも吸蔵する。ＳＯ_Ｘが吸蔵されると、ＮＯ_Ｘの吸蔵可能量が低下する。このように、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒には、いわゆる硫黄被毒が生じる。硫黄被毒を解消するために、ＳＯ_Ｘを放出する硫黄被毒回復処理が行なわれる。ＳＯ_Ｘは、ＮＯ_Ｘに比べて安定な状態でＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に吸蔵される。このため、硫黄被毒回復処理においては、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒を昇温した上で、空燃比がリッチの排気ガス又は理論空燃比の排気ガスを供給することによりＳＯ_Ｘを放出する。
ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＳＯ_Ｘ量の算出においては、蓄積されるＮＯ_Ｘ量の算出と同様に、機関回転数と燃料噴射量を関数にする単位時間当たりのＳＯ_Ｘ蓄積量のマップを電子制御ユニットに記憶させる。単位時間当たりのＳＯ_Ｘ蓄積量を積算することにより、任意の時刻におけるＳＯ_Ｘの蓄積量を算出することができる。
硫黄被毒を回復するためには、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の温度をＳＯ_Ｘ放出が可能な温度まで上昇させた状態でＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチまたは理論空燃比にすることにより、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からＳＯ_Ｘを放出させる。
ＳＯ_Ｘを放出させる場合には、任意の装置によりＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の温度を上昇させる。次に、パティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質の少なくとも一部を燃焼させて一酸化炭素を生成する。生成された一酸化炭素を還元剤として、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に供給することによりＳＯ_Ｘの放出を行なうことができる。ＳＯ_Ｘを放出させる硫黄被毒回復処理においてもＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に好適な還元剤を供給することができる。ＳＯ_Ｘの放出を行なうときの燃料の消費を抑制することができる。
ところで、本実施の形態の内燃機関の排気浄化装置においては、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からＮＯ_Ｘを放出するときに、パティキュレートフィルタの温度を上昇させる。パティキュレートフィルタから排出される排気ガスの温度も上昇する。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒では、硫酸塩のような塩の形態で、ＮＯ_ＸがＮＯ_Ｘ吸収剤に保持されている。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの温度が高くなると、ＮＯ_Ｘの塩の分解温度を超える場合がある。例えば、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの温度が硫酸塩の分解温度よりも高くなるとＮＯ_Ｘが放出されてしまう。
このために、本実施の形態における排気浄化装置は、パティキュレートフィルタの温度を上昇した場合においても、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の温度が、ＮＯ_Ｘの塩の分解温度未満になるように形成されていることが好ましい。例えば、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒とパティキュレートフィルタとが、所定の距離をあけて配置されていることが好ましい。または、パティキュレートフィルタとＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒との間に排気ガスを冷却するための冷却装置を配置しても構わない。
図１５に、本実施の形態における他の内燃機関の概略図を示す。他の内燃機関においては、パティキュレートフィルタ１６が、排気マニホールド５に近接して配置されている。他の内燃機関のパティキュレートフィルタ１６は、いわゆるマニホールドコンバータである。パティキュレートフィルタ１６は、タービン７ｂの上流側に配置されている。パティキュレートフィルタ１６は、例えば、エンジンルームに配置されている。
ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒１７は、タービン７ｂの下流側に配置されている。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒１７は、例えば床下に配置されている。他の内燃機関においては、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒１７とパティキュレートフィルタ１６とを十分に離して配置することができ、パティキュレートフィルタを昇温して一酸化炭素を生成する温度になった場合にも、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒を塩の分解温度未満に維持することができる。
一方で、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の硫黄被毒回復処理の場合には、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の温度を上昇させる必要がある。パティキュレートフィルタの昇温によりＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の昇温を行なう場合には、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の床温をＳＯ_Ｘ放出が可能な温度まで上昇させることができる距離に、パティキュレートフィルタが配置されていることが好ましい。
本実施の形態における排気浄化装置は、パティキュレートフィルタに担持されている貴金属触媒により、パティキュレートフィルタの昇温を行なっているが、この形態に限られず、パティキュレートフィルタを昇温できるように形成されていれば構わない。例えば、パティキュレートフィルタの上流側に酸化触媒が配置され、酸化触媒に未燃燃料を供給することにより、排気ガスの温度を上昇させる。高温の排気ガスによりパティキュレートフィルタを昇温しても構わない。
または、燃焼室おける燃料の噴射パターンの変更により、パティキュレートフィルタの昇温を行なうことができる。たとえば、燃焼室における主噴射の噴射時期を遅角させる（遅らせる）ことにより、燃焼室から排出される排気ガスの温度を上昇させることができる。または、主噴射の後の燃焼可能な時期に補助噴射を行うことにより、排気ガスの温度を上昇させることができる。排気ガスの温度上昇により、パティキュレートフィルタの昇温を行なうことができる。
実施の形態２
図１６から図１９を参照して、実施の形態２における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態における内燃機関の構成は、実施の形態１における内燃機関と同様である（図１参照）。本実施の形態においてもパティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質から一酸化炭素を生成し、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の再生処理を行なう。
本実施の形態の第１の運転制御においては、通常の運転制御の期間中にパティキュレートフィルタのＰＭ堆積量と、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵量との調整を行なう。本実施の形態においては、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ放出を行なう場合に、ＮＯ_Ｘと粒子状物質から生成される一酸化炭素とが過不足なく反応する状態に近づける制御を行う。
図１６は、パティキュレートフィルタにおけるＰＭ堆積量と、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒におけるＮＯ_Ｘ吸蔵量との量論混合比のグラフである。パティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質から生成される一酸化炭素と、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されるＮＯ_Ｘとが過不足なく反応する時のグラフを示している。現在のＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒におけるＮＯ_Ｘ吸蔵量を検出し、図１６に示すグラフの関係から、現在のＮＯ_Ｘ吸蔵量に対応したＰＭ堆積量を算出することができる。
図１７に、本実施の形態における機関本体から排出されるＰＭ量と、機関本体から排出されるＮＯ_Ｘ量との関係を説明するグラフを示す。図１７は、内燃機関の運転状態を変化させたときのグラフである。本実施の形態の内燃機関は、排気ガスに含まれる粒子状物質の排出量とＮＯ_Ｘの排出量とが、互いに相反する特性を有している。機関本体から排出されるＰＭ量が増加すると、機関本体から排出されるＮＯ_Ｘ量が減少する。
機関本体から排出されるＮＯ_Ｘ量およびＰＭ量を変化させるためには、たとえば、排気ガス再循環率を変化させることができる。図１を参照して、ＥＧＲ制御弁１９の開度を変更することにより再循環率を変化させることができる。再循環率を増加させると、すなわち、排気マニホールドから吸気マニホールドに流入する流量を多くすると燃料の燃焼が緩慢になって、ＮＯ_Ｘが減少する。一方で、生成される粒子状物質の量が増加する。または、機関本体から排出されるＮＯ_Ｘ量およびＰＭ量を変化させるためには、燃焼室２における燃焼時の空燃比を変化させることができる。たとえば、燃焼時の空燃比を高くすると、すなわち燃焼空燃比をリーン側に制御すると、ＰＭ量は減少するがＮＯ_Ｘ量は増加する。
図１８に、本実施の形態の通常運転時における制御のフローチャートを示す。図１８に示す制御は、たとえば、予め定められた間隔毎に行うことができる。
ステップ１５１において、現在のパティキュレートフィルタのＰＭ堆積量を推定する。ステップ１５２において、現在のＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒におけるＮＯ_Ｘ吸蔵量を推定する。ＰＭ堆積量の推定とＮＯ_Ｘ吸蔵量の推定とは、いずれを先に行なっても構わない。または、同時に行なっても構わない。
次に、ステップ１５３において、量論混合比からのずれの大きさを算出する。本実施の形態においては、現在のＮＯ_Ｘ吸蔵量から量論混合比に対応したパティキュレートフィルタにおけるＰＭ堆積量の目標値を算出する。現在のＰＭ堆積量から、算出されたＰＭ堆積量の目標値を減算して逸脱量を算出する。または、ＰＭ堆積量から対応するＮＯ_Ｘ吸蔵量の逸脱量を算出しても構わない。
次に、ステップ１５４において、算出した逸脱量が、所定の範囲内にあるか否かを判別する。逸脱量が下限側の判定値よりも大きく上限側の判定値よりも小さいか否かを判別する。この逸脱量の判定値は、例えば予め定められた判定値を用いることができる。ステップ１５４において、量論混合比からの逸脱量が下限側の判定値よりも大きく上限側の判定値よりも小さい場合には、この制御を終了する。逸脱量が下限側の判定値以下であるか、または、上限側の判定値以上の場合には、ステップ１５５に移行する。
ステップ１５５においては、ＮＯ_Ｘ吸蔵量とＰＭ堆積量とが量論混合比に近づくように、機関本体の運転状態を制御する。例えば、パティキュレートフィルタのＰＭ堆積量が、量論混合比のＮＯ_Ｘ吸蔵量よりも小さい場合には、機関本体から排出されるＮＯ_Ｘ量が減少し、粒子状物質の量が増加するように、機関本体の運転状態を制御する。たとえば、燃焼時の空燃比を小さくして理論空燃比に近づける。
ステップ１５５において変更する機関本体の運転状態としては、燃焼時の空燃比の他に、排気ガスの再循環率や燃料の噴射時期等、機関本体から排出される粒子状物質の量と、機関本体から排出されるＮＯ_Ｘ量との比が変化する任意の運転状態を採用することができる。
本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、機関本体から排出される排気ガスに含まれるＮＯ_Ｘおよび粒子状物質の存在割合を調整する調整装置を備える。第１の運転制御においては、機関本体の運転状態を調整し、パティキュレートフィルタのＰＭ堆積量とＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵量とが量論混合比に近づくように制御を行っている。この制御により、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘの放出を行なったときに、ＮＯ_Ｘ量に対応する量の粒子状物質を燃焼させることができる。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の再生と同時に、パティキュレートフィルタの再生を行なうことができて、燃料の消費を抑制することができる。
または、ＮＯ_Ｘの放出を行なうべきときに、粒子状物質の堆積量が不足することを回避できる。粒子状物質の堆積量が少なくて、ＮＯ_Ｘの浄化率が低下したり、ＮＯ_Ｘの放出量が少なくなったりすることを回避できる。または、一酸化炭素によるＮＯ_Ｘの放出の他に、別の制御を行ってＮＯ_Ｘを放出することを回避できる。
本実施の形態の第１の運転制御においては、通常運転の期間中に亘って、ＰＭ堆積量とＮＯ_Ｘ吸蔵量とが量論混合比になるように機関本体の運転を制御しているが、この形態に限られず、通常運転の期間中に一時的に上記の制御を行っても構わない。たとえば、通常運転では、燃料の消費量の低減のために、燃焼空燃比を大きくした状態で運転を継続することができる。機関本体から排出されるＮＯ_Ｘ量が多くなり、ＰＭ量が少なくなる。このため、たとえば、ＰＭ堆積量が予め定められた判定値未満になったときに、上記の制御を行って機関本体から排出される粒子状物質の量を増加させても構わない。
図１９に、本実施の形態における第２の運転制御のタイムチャートを示す。第２の運転制御においては、パティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質の量が多い場合に、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からＮＯ_Ｘを放出させた後に、更に、パティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質を燃焼させる。
時刻ｔ１から時刻ｔ３まで、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘを放出させる制御を行なうことは、実施の形態１における第１の運転制御と同様である。時刻ｔ３においてＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘの放出が終了している。
本実施の形態の第２の運転制御においては、時刻ｔ３におけるパティキュレートフィルタの粒子状物質の堆積量を検出する。粒子状物質の堆積量が、予め定められた判定値よりも多い場合には、粒子状物質を更に燃焼させる制御を行う。この制御においては、粒子状物質が二酸化炭素になるまで燃焼させる制御を行う。
時刻ｔ３において、スロットル弁の開度を通常運転時の開度に戻している。パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比をリーンの状態にする。燃料添加弁からの燃料の供給を行なって、パティキュレートフィルタの温度を上昇させる。パティキュレートフィルタの温度を二酸化炭素が生成される目標温度まで上昇させる。
時刻ｔ３におけるパティキュレートフィルタの昇温においても、燃料添加弁による燃料の供給の他に、燃焼室における燃料の噴射パターンの変更等の任意の装置により温度を上昇させることができる。
パティキュレートフィルタの床温を、二酸化炭素を生成する目標温度まで上昇させることにより、粒子状物質の酸化が促進される。また、スロットル弁の開度を大きくすることにより、排気ガスには多くの酸素が含まれる。このために、粒子状物質は二酸化炭素まで酸化反応が進行する。パティキュレートフィルタからは二酸化炭素が流出する。このように、過剰に粒子状物質が堆積する場合には、粒子状物質を燃焼させることができる。
時刻ｔ３から時刻ｔ４まで、粒子状物質が燃焼することによりＰＭ堆積量が減少する。パティキュレートフィルタには、後続するＮＯ_Ｘの放出を行なうために必要な量の粒子状物質が残存することが好ましい。図１９に示す例においては、ＰＭ堆積量が予め定められたＰＭ確保量になるまで粒子状物質の燃焼を行なっている。時刻ｔ４において、粒子状物質の燃焼を終了して通常運転に移行している。
本実施の形態における第２の運転制御は、たとえば、本実施の形態における第１の運転制御を行なっているときに、パティキュレートフィルタのＰＭ堆積量が多くなってきたときに補助的に行なうことができる。または、本実施の形態における第１の運転制御を行わずに第２の運転制御を行なっても構わない。
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
実施の形態３
図２０を参照して、実施の形態３における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態における内燃機関の構成は、実施の形態１における内燃機関と同様である（図１参照）。本実施の形態においては、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されるＳＯ_Ｘを放出する硫黄被毒回復処理について説明する。本実施の形態においては、一酸化炭素生成制御を行ってＳＯ_Ｘを放出する。
硫黄被毒回復処理においては、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒をＳＯ_Ｘの放出が可能な温度まで昇温させる必要がある。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒を昇温するときに、パティキュレートフィルタの昇温を行なう場合には、パティキュレートフィルタの温度が高温になって、粒子状物質が燃焼する。このため、パティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質は、ＮＯ_Ｘの放出よりも多量に必要になる。
本実施の形態においては、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からＳＯ_Ｘを放出させる前に、パティキュレートフィルタのＰＭ堆積量を検出し、パティキュレートフィルタのＰＭ堆積量がＳＯ_Ｘの放出に必要な量よりも少ない場合には、ＰＭ堆積量を増加させる制御を行う。
図２０は、本実施の形態における運転制御のタイムチャートである。通常運転時におけるＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に蓄積するＳＯ_Ｘ量は、例えば、ＮＯ_Ｘ吸蔵量と同様に、機関回転数と燃料噴射量とを関数にするＳＯ_Ｘ量ＳＯＸＡのマップにより推定することができる（図６参照）。任意の時刻においてＳＯ_Ｘ吸蔵量を検出することができる。
時刻ｔ１において、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＳＯ_Ｘ吸蔵量が、予め定められた判定値に達している。この判定値は、ＳＯ_Ｘ吸蔵量の許容値よりも小さな値を採用することができる。
時刻ｔ１において、パティキュレートフィルタにおける粒子状物質の堆積量を検出する。パティキュレートフィルタの粒子状物質の堆積量が予め定められた判定値よりも小さい場合には、パティキュレートフィルタのＰＭ堆積速度を増加させる制御を行う。
本実施の形態においては、実施の形態２において説明したように、機関本体から排出される粒子状物質の量が増加する制御を行う。例えば、燃焼時の空燃比を低くすることにより、機関本体から排出される粒子状物質の量を増加させることができる。時刻ｔｘにおいて、パティキュレートフィルタのＰＭ堆積量が、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からＳＯ_Ｘを放出させるために必要な量に達している。
時刻ｔ２において、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒におけるＳＯ_Ｘ吸蔵量が許容値に達している。時刻ｔ２から硫黄被毒回復処理を開始している。時刻ｔ２からＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの温度を上昇させる。本実施の形態においては、燃料添加弁から燃料を噴射することにより、パティキュレートフィルタの温度を上昇させている。パティキュレートフィルタから流出する高温の排気ガスにより、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の温度を上昇させる。時刻ｔ３において、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の温度がＳＯ_Ｘの放出を行なうための目標温度に達している。時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間では、パティキュレートフィルタにおける粒子性物質が燃焼して二酸化炭素が生成される。
時刻ｔ３において、スロットル弁の開度を小さくすることにより、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの流量を減少させる。パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比をリッチにしている。パティキュレートフィルタにおいては、酸素不足の状態が形成され、粒子状物質から一酸化炭素が生成される。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒におけるＳＯ_Ｘの放出が行なわれる。時刻ｔ４までＳＯ_Ｘの放出を継続している。
図２０に示す例では、時刻ｔ４において、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の温度がＳＯ_Ｘの放出を行なうための下限温度に達している。このために、時刻ｔ４から時刻ｔ５までの期間において再度、排気ガスの温度を上昇させる制御を行っている。パティキュレートフィルタの温度を上昇させることにより、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の温度を上昇させる。
時刻ｔ５から時刻ｔ６まで、再びＳＯ_Ｘの放出を行なっている。時刻ｔ６において、ＳＯ_Ｘの放出量が予め定められた量に達して、硫黄被毒回復処理を終了している。ＳＯ_Ｘの放出量は、ＮＯ_Ｘの放出量と同様にマップ等により推定することができる。時刻ｔ６以降は通常運転を行なっている。
このように、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒におけるＳＯ_Ｘの放出に先立って、パティキュレートフィルタの粒子状物質の堆積量を調整することにより、ＳＯ_Ｘの放出において、粒子状物質が不足することを回避できる。十分な量のＳＯ_Ｘの放出が行えなくなることを回避できる。ＳＯ_Ｘの放出が終了したときのＰＭ堆積量は、後続するＮＯ_Ｘの放出に必要な量が確保されていることが好ましい。
本実施の形態においては、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒におけるＳＯ_Ｘ吸蔵量が、予め定められた判定値に達したときに、パティキュレートフィルタにおけるＰＭ堆積量を検出して、ＰＭ堆積速度を増加させる制御を行っているが、この形態に限られず、硫黄被毒回復処理を開始すべきときに、ＰＭ堆積量がＳＯ_Ｘの放出に必要な量よりも大きくなるように制御を行うことができる。例えば、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒におけるＮＯ_Ｘを放出させる制御の後において、パティキュレートフィルタのＰＭ堆積量を減少させる制御を行う場合には、この制御を休止させても構わない。すなわち、粒子状物質の燃焼量を減少させても構わない。
また、本実施の形態においては、パティキュレートフィルタの昇温によりＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の昇温を行なっているが、この形態に限られず、任意の装置によりＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の昇温を行なうことができる。たとえば、パティキュレートフィルタとＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒との間に他の燃料添加弁および酸化触媒が配置され、燃料添加弁から酸化触媒に燃料を供給することによりＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの温度を上昇させても構わない。
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１または２と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
実施の形態４
図２１および図２２を参照して、実施の形態４における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態の内燃機関の排気装置は、パティキュレートフィルタの一酸化炭素を生成する能力を推定し、一酸化炭素を生成する能力に応じて運転条件を変更する。
図２１に、本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置の排気管の部分の概略図を示す。本実施の形態の排気浄化装置は、粒子状物質を酸化する能力の劣化度を検出する劣化度検出装置を備える。本実施の形態の劣化度検出装置は、パティキュレートフィルタの上流側および下流側に配置されている酸素センサ７１，７２を含む。それぞれの酸素センサ７１，７２の出力は、電子制御ユニット３０に入力されている（図１参照）。酸素センサ７１，７２は、パティキュレートフィルタ１６に流入する排気ガスの酸素濃度およびパティキュレートフィルタから流出する排気ガスの酸素濃度を検出することができるように配置されている。
本実施の形態におけるパティキュレートフィルタ１６は、基体に酸化機能を有する金属触媒が担持されている。本実施の形態におけるパティキュレートフィルタ１６は、基体に白金が担持されている。
排気浄化装置の使用を継続すると、パティキュレートフィルタにおける酸化能力が劣化する場合がある。例えば、金属触媒の周りの排気ガスの温度が高く、金属触媒の周りの雰囲気が空気過剰である場合にはシンタリングが生じる場合がある。シンタリングは、排気処理装置の基体に担持されている白金等の金属粒子同士が接合して粒径が大きくなり、金属粒子の表面積の総和が小さくなって浄化能力が低下する現象である。
本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、パティキュレートフィルタにおける一酸化炭素の生成状態から、パティキュレートフィルタの劣化度を検出する。パティキュレートフィルタの劣化度に応じて、一酸化炭素を生成する時の運転条件を変更する。
図２２は、本実施の形態における運転制御のフローチャートである。本実施の形態においては、ＮＯ_Ｘの放出の期間中にパティキュレートフィルタの劣化度を検出している。
本実施の形態における学習値は、パティキュレートフィルタの劣化度を表す変数である。学習値は、たとえば電子制御ユニット３０に記憶されている（図１参照）。学習値として、パティキュレートフィルタの上流側の酸素濃度から、パティキュレートフィルタの下流側の酸素濃度を減算した値を採用している。学習値としては、この形態に限られず、パティキュレートフィルタの劣化度を表す任意の変数を採用することができる。
ステップ１６０において、ＮＯ_Ｘを放出させる一酸化炭素生成制御が開始している。パティキュレートフィルタにおいて、粒子状物質が酸化されて一酸化炭素が生成されている。ステップ１６１においては、学習を行なう条件が成立している。ステップ１６１においては、内燃機関が予め定められた所定の運転状態で運転されていることが好ましい。ステップ１６２においては、前回の学習値を検出する。
次に、ステップ１６３において、パティキュレートフィルタ１６の前後に配置されている酸素センサ７１，７２の出力値を検出する。現在のパティキュレートフィルタ１６の上流側および下流側の酸素濃度をそれぞれ検出する。ステップ１６４において、検出した現在の酸素濃度から今回の学習値を算出する。例えば、学習値として上流側の酸素濃度から下流側の酸素濃度を減算した値を算出する。
次に、ステップ１６５において、パティキュレートフィルタにおける酸化能力の劣化がどの程度進行しているかを算出する。図２２に示す制御例では、前回の学習値の今回の学習値に対する比を算出する。この比が判定値よりも大きいか否かを判別する。パティキュレートフィルタの酸化能力の劣化が進行した場合には、上流側の酸素濃度と下流側の酸素濃度との差が徐々に小さくなる。酸化能力の劣化が進行すると、フィルタの内部で消費される酸素量が少なくなるために酸素濃度の減少分が小さくなる。
ステップ１６５において、前回の学習値の今回の学習値に対する比が、予め定められた判定値よりも大きい場合には、ステップ１６６に移行する。ステップ１６６においては、今回の学習値に基づいてＮＯ_ＸをＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒から放出させるときの運転状態を定める。本実施の形態においては、今回の学習値に基づいて、還元剤供給時間を算出する。すなわち、一酸化炭素を生成する時間を算出する。今回の学習値に基づく還元剤供給時間は、前回の学習値に基づく還元剤供給時間よりも長くなる。算出された還元剤供給時間に基づいてＮＯ_Ｘの放出を行う。このように、還元剤を供給する時間が延長される。ステップ１６８では、学習値が更新される。
ステップ１６５において、前回の学習値の今回学習値に対する比が予め定められた判定値以下の場合には、ステップ１６７に移行する。ステップ１６７においては、前回の学習値に基づいて還元剤供給時間が設定される。還元剤供給時間は、前回のＮＯ_Ｘの放出と同じ時間が採用される。この時間に基づいて還元剤を供給する。
このように、本実施の形態においては、捕集フィルタの一酸化炭素を生成する能力の劣化度を検出し、劣化度が大きくなるほど一酸化炭素生成制御における一酸化炭素の生成時間を長くしている。
パティキュレートフィルタにおける酸化能力が劣化すると、パティキュレートフィルタにて生成される一酸化炭素の量が少なくなる。この結果、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘの放出が不十分になる場合がある。本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、パティキュレートフィルタの劣化に応じて一酸化炭素を生成するときの運転状態を選定することができ、パティキュレートフィルタの劣化が進行した場合においても、十分な量の一酸化炭素をＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に供給することができる。この結果、所望のＮＯ_Ｘ放出を行なうことができる。
本実施の形態においては、劣化度検出装置として酸素センサが配置されているが、この形態に限られず、劣化度検出装置は、パティキュレートフィルタの酸化能力を推定することができる任意の装置を採用することができる。
劣化度検出装置としては、パティキュレートフィルタの上流側および下流側に、温度センサを配置することができる。酸化反応が活発に生じるほど排気ガスの温度が大きく上昇する。この温度上昇分が小さくなることにより、パティキュレートフィルタの酸化能力が劣化していると判別することができる。例えば、パティキュレートフィルタの入口および出口の温度差を検出することにより、パティキュレートフィルタにおける酸化能力を検出することができる。
または、劣化度検出装置は、パティキュレートフィルタの上流側および下流側の差圧を検出する差圧センサを含んでいても構わない。差圧センサにより、パティキュレートフィルタに堆積する粒子状物質の量を検出することができる。一酸化炭素を生成しているときには、粒子状物質の堆積量が減少するため、パティキュレートフィルタの前後差圧は下降する。例えば、所定の時間における差圧センサの下降量が小さくなったことを検出して、パティキュレートフィルタの酸化能力の劣化度が大きくなったことを判別できる。
さらには、劣化度検出装置は、パティキュレートフィルタの上流側および下流側に配置されている空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）を含んでいても構わない。空燃比センサは、触媒の酸素吸蔵能力の判定を行うことができる。酸素吸蔵能力の判定により、パティキュレートフィルタの酸化能力の劣化度を推定することができる。
本実施の形態における運転制御は、ＮＯ_Ｘの放出の期間中に行なっているが、この形態に限られず、例えば、ＳＯ_Ｘの放出の期間中に行なっても構わない。また、本実施の形態においては、今回のＮＯ_Ｘの放出の期間中に劣化度を検出し、今回の一酸化炭素の生成時間を延長する制御を行っているが、この形態に限られず、次回のＮＯ_Ｘの放出から一酸化炭素の生成時間を長くする制御を行っても構わない。
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１から３のいずれかと同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
実施の形態５
図２３および図２４を参照して、実施の形態５における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態においては、パティキュレートフィルタの構造について説明する。
図２３は、本実施の形態における第１のパティキュレートフィルタの隔壁の拡大概略断面図である。排気ガスおよび粒子状物質５９は、矢印１０１に示すように、隔壁６４の流入面から流入する。第１のパティキュレートフィルタは、隔壁６４の気孔率が排気ガスの流入面よりも流出面の方が小さくなるように形成されている。図２３に示す例では、パティキュレートフィルタの隔壁６４の内部の気孔率が、流入面から流出面に向かって、徐々に小さくなるように形成されている。隔壁６４は、流入する粒子状物質５９が流出面の近傍に捕集されるように形成されている。隔壁６４の流入側の領域よりも流出側の領域の方が多くの粒子状物質５９が堆積される。
隔壁６４の内部では、排気ガスに含まれる未燃燃料の酸化により酸素が消費される。たとえば、隔壁６４に貴金属触媒が担持されている場合には、貴金属触媒により未燃燃料の酸化反応が促進される。排気ガスに含まれる酸素濃度は、隔壁６４の流入面から流出面に向かって徐々に小さくなる。このため、粒子状物質５９が堆積している隔壁６４の流出側の領域においては、酸素濃度が小さくなる。粒子状物質５９には、酸素が消費された排気ガスが供給される。このため、一酸化炭素の生成を促進することができる。
図２４に、本実施の形態における第２のパティキュレートフィルタの隔壁の拡大概略断面図を示す。第２のパティキュレートフィルタは、排気ガスの流入側の領域の酸化力が流出側の領域の酸化力よりも大きくなるように形成されている。図２４に示す例では、触媒の担持量を変化させている。排気ガスの流入側の領域に金属触媒としての貴金属触媒６５を多く担持させ、排気ガスの流出面に向かうにつれて徐々に担持量を少なくしている。
第２のパティキュレートフィルタでは、排気ガスに含まれる未燃燃料と酸素との反応が隔壁６４の流入側の領域において促進される。このため、排気ガスの流出側の領域に堆積する粒子状物質５９には、酸素を消費した排気ガスが供給される。このため、一酸化炭素の生成を促進することができる。
本実施の形態における第２のパティキュレートフィルタは、酸化反応を促進する金属触媒の担持量が排気ガスの流入面から流出面に向かうにつれて徐々に少なくなるように形成されているが、この形態に限られず、段階的に酸化能力が変化するように形成されていても構わない。たとえば、排気ガスの流れ方向に沿って隔壁を２つの領域に分割して、流入側の領域に貴金属触媒が担持され、流出側の領域に卑金属触媒が担持されていても構わない。
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１から４のいずれかと同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
実施の形態６
図２５および図２６を参照して、実施の形態６における内燃機関の排気浄化装置について説明する。
図２５は、本実施の形態における第１の内燃機関の概略図である。本実施の形態の第１の内燃機関の排気浄化装置においては、パティキュレートフィルタ１６の上流側に、さらに他のパティキュレートフィルタ５７が配置されている。パティキュレートフィルタ５７の下流側には、パティキュレートフィルタ５７の温度を検出する温度センサ２８が配置されている。温度センサ２８の出力は、電子制御ユニット３０に入力されている（図１参照）。本実施の形態における燃料添加弁１５は、他のパティキュレートフィルタ５７よりも上流側に配置されている。
上流側のパティキュレートフィルタ５７は、機関本体から排出する一部の粒子状物質を通過するように形成されている。たとえば、複数の通路のうち、一部の通路は粒子状物質が通過するように形成されている。上流側のパティキュレートフィルタ５７を通過した粒子状物質は、下流側のパティキュレートフィルタ１６に捕集される。
上流側のパティキュレートフィルタ５７は、未燃燃料の酸化能力が下流側のパティキュレートフィルタ１６の酸化能力よりも大きくなるように形成されている。本実施の形態においては、上流側のパティキュレートフィルタ５７には、金属触媒として貴金属触媒が担持されている。下流側の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５７よりも酸化力の小さな触媒が配置されている。例えば、触媒として卑金属粒子が担持されている。または、上流側のパティキュレートフィルタ５７は、酸化能力が大きくなるように、未燃燃料を保持するＨＣトラップ機能を有していても構わない。たとえば、上流側のパティキュレートフィルタ５７は、基材の表面にゼオライト等が被膜されていても構わない。
上流側のパティキュレートフィルタ５７は、主に排気ガスに含まれる未燃燃料を酸化することができる。下流側のパティキュレートフィルタ１６は、主にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒１７に供給する一酸化炭素を生成することができる。
本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、上流側のパティキュレートフィルタ５７の酸化能力が優れている。パティキュレートフィルタ５７において、排気ガスに含まれる未燃燃料が酸化される。このときに、排気ガスに含まれる酸素が消費される。上流側のパティキュレートフィルタ５７では、未燃燃料が燃焼して主に二酸化炭素が生成される。
下流側のパティキュレートフィルタ１６に供給される排気ガスの酸素濃度が小さくなる。パティキュレートフィルタ１６において、一酸化炭素の生成を促進することができる。下流側のパティキュレートフィルタ１６において、酸欠状態で粒子状物質を燃焼させて、より効果的に一酸化炭素を生成することができる。このように、複数個のパティキュレートフィルタが直列に配置されていても構わない。
本実施の形態においては、２つのパティキュレートフィルタを連結しているが、この形態に限られず、パティキュレートフィルタの上流側に、未燃燃料の酸化能力が優れた排気処理装置を配置することができる。たとえば、パティキュレートフィルタの上流側に、ＨＣトラップ触媒を配置することができる。
図２６に、本実施の形態における第２の内燃機関の排気浄化装置におけるパティキュレートフィルタの拡大概略断面図を示す。第２の内燃機関の排気浄化装置のパティキュレートフィルタ１６は、内部の排気ガスの流れを一方に傾けるための部材を含む。
パティキュレートフィルタ１６は、流入側の空間に配置されている流量調整部材５１を含む。本実施の形態における流量調整部材５１は、平板状に形成されている。流量調整部材５１は、矢印１０４に示すように、回動可能に形成されている。通常の運転時においては、流量調整部材５１は、排気ガスの流れ方向と面積が最大になる面積最大面とがほぼ平行になるように配置される。流量調整部材５１は、中立位置に配置される。一酸化炭素生成制御においては、流量調整部材５１が回動して、流路断面積が大きくなった領域と小さくなった領域とが形成される。
矢印１０２に示すように、流路断面積が大きくなった領域に排気ガスが流れる。また、矢印１０３に示すように、流路断面積が小さくなった領域に排気ガスが流れる。流路断面積が小さくなった領域を通る排気ガスは流量が小さくなる。流入する酸素量が減少する。このように、パティキュレートフィルタの一部に流れる排気ガスの流量を小さくすることで酸欠状態を生成する。一酸化炭素の発生を促進することができる。矢印１０３に示すように流れる排気ガスには多くの一酸化炭素が含まれ、この一酸化炭素を下流のＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に供給することができる。
流量調整部材を中立位置から回動させる時期については、例えば、燃料添加弁による燃料の添加等により、パティキュレートフィルタの温度が上昇し、堆積する粒子状物質の燃焼が開始した後が好ましい。すなわち、粒子状物質が着火した後が好ましい。流量調整部材を一方の側に回動することにより、粒子状物質の燃焼が継続するときに酸素不足の領域が形成されて、一酸化炭素の生成を促進することができる。
本実施の形態における流量調整部材は、板状の部材が回動可能に形成されているが、この形態に限られず、パティキュレートフィルタを複数の領域に区画し、少なくとも一つの領域を流れる排気ガスの流量を小さくすることができる任意の部材を採用することができる。
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１から５のいずれかと同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
実施の形態７
図２７および図２８を参照して、実施の形態７における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態においては、パティキュレートフィルタの構造について説明する。
図２７に、本実施の形態における第１のパティキュレートフィルタの隔壁の拡大概略断面図を示す。本実施の形態における第１のパティキュレートフィルタの隔壁は、基材５２の表面に、酸素吸蔵材５３が配置されている。酸素吸蔵材５３は、酸素を吸蔵する能力を有する材料で形成されている。たとえば、酸素吸蔵材５３は、セリアまたはジルコニア等を含む。また、隔壁には、酸化触媒としての卑金属触媒５４が配置されている。卑金属触媒５４としては、鉄などを用いることができる。触媒としては、この形態に限られず、白金などの貴金属が用いられていても構わない。
本実施の形態における酸素吸蔵材５３は、粒子状物質５９の着火に必要な量の酸素を吸蔵するように形成されている。粒子状物質５９が着火する際に、酸素吸蔵材５３の酸素が用いられる。酸素吸蔵材５３は、粒子状物質５９が着火した後には酸素吸蔵材５３に含まれている酸素量がほぼ零になるように形成されている。
本実施の形態においては、パティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比はリッチである。粒子状物質５９の燃焼が開始するときには、排気ガスに含まれる酸素のみではなく、酸素吸蔵材５３から酸素が供給される。このために、粒子状物質５９の燃焼を容易に開始することができる。すなわち粒子状物質５９を容易に着火することができる。粒子状物質５９を着火した後は、酸素吸蔵材５３から供給される酸素が無くなって酸素不足の雰囲気が形成される。この後には、粒子状物質は酸素不足の状態で燃焼する。このため、一酸化炭素を効率良く生成することができる。
図２８は、本実施の形態における第２のパティキュレートフィルタの隔壁の拡大概略断面図である。第２のパティキュレートフィルタは、基材５２を直接的に加熱する加熱装置を含む。第２のパティキュレートフィルタにおいては、基材５２に、加熱器としてのヒータ５５が取り付けられている。基材５２の表面には、金属触媒が配置されている。本実施の形態においては、卑金属触媒５４が配置されている。
パティキュレートフィルタに粒子状物質５９が蓄積すると、基材５２の表面に配置されている卑金属触媒５４の周りを粒子状物質５９が覆ってしまう場合がある。この場合には、たとえば、空気過剰の雰囲気中でパティキュレートフィルタに燃料を供給しても、燃料が卑金属触媒５４に接触せずに、未燃燃料の酸化が妨げられる。すなわち、卑金属触媒５４が、未燃燃料および空気に十分に接触せずに未燃燃料の酸化反応が促進されなくなる。このため、パティキュレートフィルタの温度が上昇しにくくなる。
このような場合においても、ヒータ５５を作動することにより、基材５２の温度を上昇させることができる。触媒の温度を一酸化炭素生成温度まで上昇させた後に、排気ガスの空燃比をリッチにすることにより酸欠状態を生成して粒子状物質５９を燃焼させることができる。粒子状物質５９から一酸化炭素を生成することができる。
また、パティキュレートフィルタの昇温を容易に行なうことができるために、酸化力の強い貴金属のような貴重な金属を用いずに、酸化力の小さな卑金属を用いて触媒を形成することができる。
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１から６のいずれかと同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、請求の範囲に含まれる変更が意図されている。

１機関本体
２燃焼室
３燃料噴射弁
８吸入空気量検出器
１０スロットル弁
１２排気管
１３排気絞り弁
１５燃料添加弁
１６パティキュレートフィルタ
１７ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒
１８ＥＧＲ通路
１９ＥＧＲ制御弁
５７パティキュレートフィルタ
３０電子制御ユニット

Claims

機関排気通路内に配置され、排気ガスの空燃比がリーンの時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吸蔵還元触媒と、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の上流側に配置され、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集する捕集フィルタとを備え、
ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されるＮＯ_ＸまたはＳＯ_Ｘを放出させる場合に、粒子状物質の少なくとも一部が酸化される温度まで捕集フィルタを昇温し、捕集フィルタに流入する排気ガスの流量を低下させると共に、捕集フィルタから流出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ように排気ガスの空燃比を低下させ、捕集フィルタに堆積する粒子状物質を酸化させて一酸化炭素を生成する一酸化炭素生成制御を行うことより、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に一酸化炭素を供給し、
捕集フィルタに堆積する粒子状物質から生成される一酸化炭素と、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に堆積するＮＯ_Ｘとがほぼ量論混合比になるように、機関本体から排出される排気ガスのＮＯ_Ｘおよび粒子状物質の存在割合を調整する調整装置を更に備えることを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
捕集フィルタに流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
一酸化炭素生成制御が終了した時の捕集フィルタに堆積する粒子状物質の量を検出し、粒子状物質の量が判定値よりも大きい場合には、捕集フィルタを粒子状物質が二酸化炭素まで酸化される温度以上に昇温し、捕集フィルタに流入する排気ガスの空燃比をリーンにすることにより、粒子状物質を燃焼させることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒をＳＯ_Ｘ放出可能な温度まで上昇させると共に、一酸化炭素生成制御を行うことによりＳＯ_Ｘを放出させる硫黄被毒回復処理を行なうようにした内燃機関の排気浄化装置において、
硫黄被毒回復処理の前に、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に蓄積するＳＯ_Ｘ量を検出し、硫黄被毒回復処理に必要な量の粒子状物質が捕集フィルタに堆積しているように、機関本体から排出される粒子状物質の量を増加させ、または、粒子状物質の燃焼量を減少させることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
捕集フィルタの粒子状物質を酸化する能力の劣化度を検出する劣化度検出装置を備え、
劣化度検出装置により捕集フィルタの一酸化炭素を生成する能力の劣化度を検出し、劣化度が大きくなるほど一酸化炭素を生成する時間を長くすることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
機関吸気通路に配置されているスロットル弁および機関排気通路に配置されている排気絞り弁のうち少なくとも一方の弁の開度を小さくすることにより、捕集フィルタに流入する排気ガスの流量を低下させることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。