JP5704257B2

JP5704257B2 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP5704257B2
Application number: JP2013552440A
Authority: JP
Inventors: 徹植西; 吉田　耕平; 耕平吉田; 三樹男井上
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-06-21
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2032-06-21
Also published as: CN103620171B; US9486740B2; WO2013190687A1; EP2728134B1; EP2728134A4; JPWO2013190687A1; CN103620171A; US20150147238A1; EP2728134A1

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

機関排気通路内に排出された排気ガスを吸気通路内に再循環させるための排気ガス再循環装置を具備しており、機関排気通路内に排気浄化触媒を配置すると共に排気浄化触媒上流の機関排気通路内に炭化水素供給弁を配置し、排気浄化触媒の排気ガス流通表面上には貴金属触媒が担持されていると共に貴金属触媒周りには塩基性の排気ガス流通表面部分が形成されており、機関運転時に炭化水素供給弁から予め定められた周期でもって炭化水素を噴射し、それによって排気ガス中に含まれるNO_xを浄化するようにした内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。この内燃機関では排気浄化触媒の温度が高温になっても高いNO_x浄化率を得ることができる。

ＷＯ2011／114499Ａ１

しかしながらこの内燃機関では、NO_xを浄化するために使用される炭化水素量が依然として多すぎるという問題がある。

本発明の目的は、NO_ｘを浄化するための炭化水素の消費量を低減しつつ高いNO_x浄化率を得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、機関排気通路内に排気浄化触媒を配置すると共に排気浄化触媒上流の機関排気通路内に炭化水素供給弁を配置し、排気浄化触媒の排気ガス流通表面上には貴金属触媒が担持されていると共に貴金属触媒周りには塩基性の排気ガス流通表面部分が形成されており、排気浄化触媒は、排気浄化触媒に流入する炭化水素の濃度を予め定められた範囲内の振幅および予め定められた範囲内の周期でもって振動させると排気ガス中に含まれるNO_ｘを還元する性質を有すると共に、炭化水素濃度の振動周期を予め定められた範囲よりも長くすると排気ガス中に含まれるNO_ｘの吸蔵量が増大する性質を有しており、機関運転時に炭化水素供給弁から予め定められた周期でもって炭化水素を噴射し、それによって排気ガス中に含まれるNO_xを浄化するようにした内燃機関の排気浄化装置において、排気浄化触媒下流の機関排気通路内の排気ガスを吸気通路内に再循環させる低圧排気ガス再循環装置を具備しており、低圧排気ガス再循環装置による排気ガス再循環作用が行われているときに炭化水素供給弁から炭化水素が噴射されると排気浄化触媒において生成された二酸化炭素が再循環されると共に炭化水素の噴射後二酸化炭素の再循環に要する時間を経過したときに排気浄化触媒への流入排気ガスの空燃比の一時的な低下が引き起こされ、流入排気ガスの空燃比の一時的な低下に同期して炭化水素供給弁から炭化水素の噴射を行うときの炭化水素の噴射周期は、機関の運転状態に基づき算出されるか、又は機関の運転状態に対応して予め記憶されており、炭化水素供給弁から予め定められた範囲内の周期でもって炭化水素を噴射するときに、算出された又は記憶されている炭化水素の噴射周期でもって流入排気ガスの空燃比の一時的な低下に同期して炭化水素供給弁から炭化水素を噴射する内燃機関の排気浄化装置が提供される。

NOxを浄化するための炭化水素の消費量を低減しつつ高いNO_x浄化率を得ることができる。

図１は圧縮着火式内燃機関の全体図である。図２は触媒担体の表面部分を図解的に示す図である。図３は排気浄化触媒における酸化反応を説明するための図である。図４は排気浄化触媒への流入排気ガスの空燃比の変化を示す図である。図５はNO_x浄化率を示す図である。図６Ａおよび６Ｂは排気浄化触媒における酸化還元反応を説明するための図である。図７Ａおよび７Ｂは排気浄化触媒における酸化還元反応を説明するための図である。図８は排気浄化触媒への流入排気ガスの空燃比の変化を示す図である。図９はNO_x浄化率を示す図である。図10は排気浄化触媒への流入排気ガスの空燃比の変化を示すタイムチャートである。図11は排気浄化触媒への流入排気ガスの空燃比の変化を示すタイムチャートである。図12は排気浄化触媒の酸化力と要求最小空燃比Ｘとの関係を示す図である。図13は同一のNO_x浄化率の得られる、排気ガス中の酸素濃度と炭化水素濃度の振幅ΔＨとの関係を示す図である。図14は炭化水素濃度の振幅ΔＨとNO_x浄化率との関係を示す図である。図15は炭化水素濃度の振動周期ΔＴとNO_x浄化率との関係を示す図である。図16Ａおよび16Ｂは炭化水素の噴射時間等を示す図である。図17は排気浄化触媒への流入排気ガスの空燃比の変化等を示す図である。図18は燃焼室内のCO_２濃度等を示す図である。図19Ａおよび19Ｂは炭化水素の噴射時間等を示す図である。図20は炭化水素の噴射周期を示す図である。図21はNOx放出制御を示す図である。図22は排出NO_x量NOXAのマップを示す図である。図23は燃料噴射時期を示す図である。図24は炭化水素供給量WRのマップを示す図である。図25は各運転領域Ｉ,II、IIIを示す図である。図26は第１のNOx浄化方法と第２のNOx浄化方法とを示す図である。図27はNO_x浄化制御を行うためのフローチャートである。図28はNO_x浄化制御を行うためのフローチャートである。図29は運転領域IVを示す図である。図30はNO_x浄化制御を行うためのフローチャートである。図31はSO_x放出制御を行うためのフローチャートである。

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６ｂ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の入口は吸気ダクト６ａおよび吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６ｂ内にはアクチュエータ10ａより駆動されるスロットル弁10が配置され、吸気ダクト６ｂ周りには吸気ダクト６ｂ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12ａを介して排気浄化触媒13の入口に連結される。排気浄化触媒13の下流にはパティキュレートフィルタ14が配置されており、パティキュレートフィルタ14の出口は排気管12ｂに連結される。排気浄化触媒13上流の排気管12ａ内には圧縮着火式内燃機関の燃料として用いられる軽油その他の燃料からなる炭化水素を供給するための炭化水素供給弁15が配置される。図１に示される実施例では炭化水素供給弁15から供給される炭化水素として軽油が用いられている。なお、本発明はリーン空燃比のもとで燃焼の行われる火花点火式内燃機関にも適用することができる。この場合、炭化水素供給弁15からは火花点火式内燃機関の燃料として用いられるガソリンその他の燃料からなる炭化水素が供給される。

一方、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16を介して互いに連結される。EGR通路16内には電子制御式EGR制御弁17が配置され、更にEGR通路16周りにはEGR通路16内を流れる排気ガスを冷却するための冷却装置16ａ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16ａ内に導かれ、機関冷却水によって排気ガスが冷却される。また、各燃料噴射弁３は燃料供給管18を介してコモンレール19に連結され、このコモンレール19は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ20を介して燃料タンク21に連結される。燃料タンク21内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ20によってコモンレール19内に供給され、コモンレール19内に供給された燃料は各燃料供給管18を介して燃料噴射弁３に供給される。

一方、パティキュレートフィルタ14下流の排気管12ｂ内にはアクチュエータ22ａによって駆動される排気制御弁22が配置され、この排気制御弁22とパティキュレートフィルタ14との間の排気管14内はEGR通路23を介して吸気管６ａに連結される。このEGR通路23内には電子制御式EGR制御弁24が配置され、更にEGR通路23周りにはEGR通路23内を流れる排気ガスを冷却するための冷却装置23ａ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23ａ内に導かれ、機関冷却水によって排気ガスが冷却される。

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。排気浄化触媒13の下流には排気浄化触媒13の温度を検出するための温度センサ25が取付けられており、パティキュレートフィルタ14の下流にはパティキュレートフィルタ14の温度を検出するための温度センサ26が取付けられている。これら温度センサ25、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。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、スロットル弁駆動用アクチュエータ10ａ、炭化水素供給弁15、EGR制御弁17,24、燃料ポンプ20および排気制御弁駆動用アクチュエータ22ａに接続される。

上述したように、図１に示される実施例では、EGR通路16および EGR制御弁17からなる排気ガス再循環装置HPLと、EGR通路23および EGR制御弁24からなる排気ガス再循環装置LPLとの二つの排気ガス再循環装置が設けられている。この場合、図１からわかるように、排気ガス再循環装置HPLでは排気マニホルド５内の排気ガスが再循環され、排気ガス再循環装置LPLでは排気浄化触媒13およびパティキュレートフィルタ14下流の排気管12ｂ内の排気ガスが再循環される。ところでこの場合、排気マニホルド５内の排気ガスの圧力は、排気浄化触媒13およびパティキュレートフィルタ14下流の排気管12ｂ内の排気ガスの圧力に比べてかなり高い。従って、排気ガス再循環装置HPLを以下、排気タービン７ｂ上流の機関排気通路内の比較的高圧の排気ガスをコンプレッサ７a下流の吸気通路内に再循環させる高圧排気ガス再循環装置と称し、排気ガス再循環装置LPLを以下、排気浄化触媒13およびパティキュレートフィルタ14下流の機関排気通路内の比較的低圧の排気ガスをコンプレッサ７ａ上流の吸気通路内に再循環させる低圧排気ガス再循環装置と称する。

図２は排気浄化触媒13の基体上に担持された触媒担体の表面部分を図解的に示している。この排気浄化触媒13では図２に示されるように例えばアルミナからなる触媒担体50上には貴金属触媒51，52が担持されており、更にこの触媒担体50上にはカリウム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金属、ランタノイドのような希土類および銀Ag、銅Cu、鉄Fe、イリジウムIrのようなNO_xに電子を供与しうる金属から選ばれた少なくとも一つを含む塩基性層53が形成されている。排気ガスは触媒担体50上に沿って流れるので貴金属触媒51，52は排気浄化触媒13の排気ガス流通表面上に担持されていると言える。また、塩基性層53の表面は塩基性を呈するので塩基性層53の表面は塩基性の排気ガス流通表面部分54と称される。

一方、図２において貴金属触媒51は白金Ptからなり、貴金属触媒52はロジウムRhからなる。なおこの場合、いずれの貴金属触媒51，52も白金Ptから構成することができる。また、排気浄化触媒13の触媒担体50上には白金PtおよびロジウムRhに加えて更にパラジウムPdを担持させることができるし、或いはロジウムRhに代えてパラジウムPdを担持させることができる。即ち、触媒担体50に担持されている貴金属触媒51，52は白金Pt、ロジウムRhおよびパラジウムPdの少なくとも一つにより構成される。

炭化水素供給弁15から排気ガス中に炭化水素が噴射されるとこの炭化水素は排気浄化触媒13において改質される。本発明ではこのとき改質された炭化水素を用いて排気浄化触媒13においてNO_xを浄化するようにしている。図３はこのとき排気浄化触媒13において行われる改質作用を図解的に示している。図３に示されるように炭化水素供給弁15から噴射された炭化水素HCは触媒51によって炭素数の少ないラジカル状の炭化水素HCとなる。

図４は炭化水素供給弁15からの炭化水素の供給タイミングと排気浄化触媒13への流入排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inの変化とを示している。なお、この空燃比（Ａ／Ｆ）inの変化は排気浄化触媒13に流入する排気ガス中の炭化水素の濃度変化に依存しているので図４に示される空燃比（Ａ／Ｆ）inの変化は炭化水素の濃度変化を表しているとも言える。ただし、炭化水素濃度が高くなると空燃比（Ａ／Ｆ）inは小さくなるので図４においては空燃比（Ａ／Ｆ）inがリッチ側となるほど炭化水素濃度が高くなっている。

図５は、排気浄化触媒13に流入する炭化水素の濃度を周期的に変化させることによって図４に示されるように排気浄化触媒13への流入排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inを変化させたときの排気浄化触媒13によるNO_x浄化率を排気浄化触媒13の各触媒温度TCに対して示している。本発明者は長い期間に亘ってNO_x浄化に関する研究を重ねており、その研究課程において、排気浄化触媒13に流入する炭化水素の濃度を予め定められた範囲内の振幅および予め定められた範囲内の周期でもって振動させると、図５に示されるように400℃以上の高温領域においても極めて高いNO_x浄化率が得られることが判明したのである。

更にこのときには窒素および炭化水素を含む多量の還元性中間体が塩基性層53の表面上に、即ち排気浄化触媒13の塩基性排気ガス流通表面部分54上に保持又は吸着され続けており、この還元性中間体が高NO_x浄化率を得る上で中心的役割を果していることが判明したのである。次にこのことについて図６Ａおよび６Ｂを参照しつつ説明する。なお、これら図６Ａおよび６Ｂは排気浄化触媒13の触媒担体50の表面部分を図解的に示しており、これら図６Ａおよび６Ｂには排気浄化触媒13に流入する炭化水素の濃度が予め定められた範囲内の振幅および予め定められた範囲内の周期でもって振動せしめたときに生ずると推測される反応が示されている。

図６Ａは排気浄化触媒13に流入する炭化水素の濃度が低いときを示しており、図６Ｂは炭化水素供給弁15から炭化水素が供給されて排気浄化触媒13に流入する炭化水素の濃度が高くなっているときを示している。

さて、図４からわかるように排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比は一瞬を除いてリーンに維持されているので排気浄化触媒13に流入する排気ガスは通常酸素過剰の状態にある。このとき排気ガス中に含まれるNOの一部は排気浄化触媒13上に付着し、排気ガス中に含まれるNOの一部は図６Ａに示されるように白金51上において酸化されてNO₂となり、次いでこのNO₂は更に酸化されてNO₃となる。また、NO₂の一部はNO₂ ^-となる。従って白金Pt51上にはNO₂ ^- とNO₃とが生成されることになる。排気浄化触媒13上に付着しているNOおよび白金Pt51上において生成されたNO₂ ^-とNO₃は活性が強く、従って以下これらNO、NO₂ ^-およびNO₃を活性NO_x ^*と称する。

一方、炭化水素供給弁15から炭化水素が供給されるとこの炭化水素は排気浄化触媒13の全体に亘って順次付着する。これら付着した炭化水素の大部分は順次酸素と反応して燃焼せしめられ、付着した炭化水素の一部は順次、図３に示されるように排気浄化触媒13内において改質され、ラジカルとなる。従って、図６Ｂに示されるように活性NO_x ^*周りの炭化水素濃度が高くなる。ところで活性NO_x ^*が生成された後、活性NO_x ^*周りの酸素濃度が高い状態が一定時間以上継続すると活性NO_x ^*は酸化され、硝酸イオンNO₃ ^-の形で塩基性層53内に吸収される。しかしながらこの一定時間が経過する前に活性NO_x ^*周りの炭化水素濃度が高くされると図６Ｂに示されるように活性NO_x ^*は白金51上においてラジカル状の炭化水素HCと反応し、それにより還元性中間体が生成される。この還元性中間体は塩基性層53の表面上に付着又は吸着される。

なお、このとき最初に生成される還元性中間体はニトロ化合物R-NO₂であると考えられる。このニトロ化合物R-NO₂は生成されるとニトリル化合物R-CNとなるがこのニトリル化合物R-CNはその状態では瞬時しか存続し得ないのでただちにイソシアネート化合物R-NCOとなる。このイソシアネート化合物R-NCOは加水分解するとアミン化合物R-NH₂となる。ただしこの場合、加水分解されるのはイソシアネート化合物R-NCOの一部であると考えられる。従って図６Ｂに示されるように塩基性層53の表面上に保持又は吸着されている還元性中間体の大部分はイソシアネート化合物R-NCOおよびアミン化合物R-NH₂であると考えられる。

一方、図６Ｂに示されるように生成された還元性中間体の周りに炭化水素HCが付着しているときには還元性中間体は炭化水素HCに阻まれてそれ以上反応が進まない。この場合、排気浄化触媒13に流入する炭化水素の濃度が低下し、次いで還元性中間体の周りに付着している炭化水素が酸化せしめられて消滅し、それにより還元性中間体周りの酸素濃度が高くなると、還元性中間体は排気ガス中のNO_xや活性NO_x ^*と反応するか、周囲の酸素と反応するか、或いは自己分解する。それによって還元性中間体R-NCOやR-NH₂は図６Ａに示されるようにＮ₂，CO₂，H₂Oに変換せしめられ、斯くしてNO_xが浄化されることになる。

このように排気浄化触媒13では、排気浄化触媒13に流入する炭化水素の濃度を高くすることにより還元性中間体が生成され、排気浄化触媒13に流入する炭化水素の濃度を低下させた後、酸素濃度が高くなったときに還元性中間体が排気ガス中のNO_xや活性NO_x ^*や酸素と反応し、或いは自己分解し、それによりNO_xが浄化される。即ち、排気浄化触媒13によりNO_xを浄化するには排気浄化触媒13に流入する炭化水素の濃度を周期的に変化させる必要がある。

無論、この場合、還元性中間体を生成するのに十分高い濃度まで炭化水素の濃度を高める必要があり、生成された還元性中間体を排気ガス中のNO_xや活性NO_x ^*や酸素と反応させ、或いは自己分解させるのに十分低い濃度まで炭化水素の濃度を低下させる必要がある。即ち、排気浄化触媒13に流入する炭化水素の濃度を予め定められた範囲内の振幅で振動させる必要がある。なお、この場合、生成された還元性中間体R-NCOやR-NH₂が排気ガス中のNO_xや活性NO_x ^*や酸素と反応するまで、或いは自己分解するまでこれら還元性中間体を塩基性層53上に、即ち塩基性排気ガス流通表面部分54上に保持しておかなければならず、そのために塩基性の排気ガス流通表面部分54が設けられている。

一方、炭化水素の供給周期を長くすると炭化水素が供給された後、次に炭化水素が供給されるまでの間において酸素濃度が高くなる期間が長くなり、従って活性NO_x ^*は還元性中間体を生成することなく硝酸塩の形で塩基性層53内に吸収されることになる。これを回避するためには排気浄化触媒13に流入する炭化水素の濃度を予め定められた範囲内の周期でもって振動させることが必要となる。

そこで本発明による実施例では、排気ガス中に含まれるNO_xと改質された炭化水素とを反応させて窒素および炭化水素を含む還元性中間体R-NCOやR-NH₂を生成するために排気浄化触媒13の排気ガス流通表面上には貴金属触媒51，52が担持されており、生成された還元性中間体R-NCOやR-NH₂を排気浄化触媒13内に保持しておくために貴金属触媒51，52周りには塩基性の排気ガス流通表面部分54が形成されており、塩基性の排気ガス流通表面部分54上に保持された還元性中間体R-NCOやR-NH₂はＮ₂，CO₂，H₂Oに変換せしめられ、炭化水素濃度の振動周期は還元性中間体R-NCOやR-NH₂を生成し続けるのに必要な振動周期とされる。因みに図４に示される例では噴射間隔が３秒とされている。

炭化水素濃度の振動周期、即ち炭化水素HCの供給周期を上述の予め定められた範囲内の周期よりも長くすると塩基性層53の表面上から還元性中間体R-NCOやR-NH₂が消滅し、このとき白金Pt53上において生成された活性NO_x ^*は図７Ａに示されるように硝酸イオンNO₃ ^-の形で塩基性層53内に拡散し、硝酸塩となる。即ち、このときには排気ガス中のNO_xは硝酸塩の形で塩基性層53内に吸収されることになる。

一方、図７ＢはこのようにNO_xが硝酸塩の形で塩基性層53内に吸収されているときに排気浄化触媒13内に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチにされた場合を示している。この場合には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、斯くして塩基性層53内に吸収されている硝酸塩は順次硝酸イオンNO₃ ^-となって図７Ｂに示されるようにNO₂の形で塩基性層53から放出される。次いで放出されたNO₂は排気ガス中に含まれる炭化水素HCおよびCOによって還元される。

図８は塩基性層53のNO_x吸収能力が飽和する少し前に排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inを一時的にリッチにするようにした場合を示している。なお、図８に示す例ではこのリッチ制御の時間間隔は１分以上である。この場合には排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inがリーンのときに塩基性層53内に吸収されたNO_xは、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inが一時的にリッチにされたときに塩基性層53から一気に放出されて還元される。従ってこの場合には塩基性層53はNO_xを一時的に吸収するための吸収剤の役目を果している。

なお、このとき塩基性層53がNO_xを一時的に吸着する場合もあり、従って吸収および吸着の双方を含む用語として吸蔵という用語を用いるとこのとき塩基性層53はNO_xを一時的に吸蔵するためのNO_x吸蔵剤の役目を果していることになる。即ち、この場合には、機関吸気通路、燃焼室２および排気浄化触媒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、排気浄化触媒13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吸蔵触媒として機能している。

図９は、排気浄化触媒13をこのようにNO_x吸蔵触媒として機能させたときのNO_x浄化率を示している。なお、図９の横軸は排気浄化触媒13の触媒温度TCを示している。排気浄化触媒13をNO_x吸蔵触媒として機能させた場合には図９に示されるように触媒温度TCが300℃から400℃のときには極めて高いNO_x浄化率が得られるが触媒温度TCが400℃以上の高温になるとNO_x浄化率が低下する。

このように触媒温度TCが400℃以上になるとNO_x浄化率が低下するのは、触媒温度TCが400℃以上になると硝酸塩が熱分解してNO₂の形で排気浄化触媒13から放出されるからである。即ち、NO_xを硝酸塩の形で吸蔵している限り、触媒温度TCが高いときに高いNO_x浄化率を得るのは困難である。しかしながら図４から図６Ａ，６Ｂに示される新たなNO_x浄化方法では図６Ａ，６Ｂからわかるように硝酸塩は生成されず或いは生成されても極く微量であり、斯くして図５に示されるように触媒温度TCが高いときでも高いNO_x浄化率が得られることになる。

本発明による実施例では、この新たなNO_x浄化方法を用いてNO_ｘを浄化しうるように、炭化水素を供給するための炭化水素供給弁15を機関排気通路内に配置し、炭化水素供給弁15下流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるNO_xと改質された炭化水素とを反応させるための排気浄化触媒13を配置し、排気浄化触媒13の排気ガス流通表面上には貴金属触媒51，52が担持されていると共に貴金属触媒51，52周りには塩基性の排気ガス流通表面部分54が形成されており、排気浄化触媒13は、排気浄化触媒13に流入する炭化水素の濃度を予め定められた範囲内の振幅および予め定められた範囲内の周期でもって振動させると排気ガス中に含まれるNO_xを還元する性質を有すると共に、炭化水素濃度の振動周期をこの予め定められた範囲よりも長くすると排気ガス中に含まれるNO_xの吸蔵量が増大する性質を有しており、機関運転時に炭化水素供給弁15から予め定められた周期でもって炭化水素を噴射し、それにより排気ガス中に含まれるNO_xを排気浄化触媒13において還元するようにしている。

即ち、図４から図６Ａ，６Ｂに示されるNO_x浄化方法は、貴金属触媒を担持しかつNO_xを吸収しうる塩基性層を形成した排気浄化触媒を用いた場合において、ほとんど硝酸塩を形成することなくNO_xを浄化するようにした新たなNO_x浄化方法であると言うことができる。実際、この新たなNO_x浄化方法を用いた場合には排気浄化触媒13をNO_x吸蔵触媒として機能させた場合に比べて、塩基性層53から検出される硝酸塩は極く微量である。なお、この新たなNO_x浄化方法を以下、第１のNO_x浄化方法と称する。

次に図10から図15を参照しつつこの第１のNO_x浄化方法についてもう少し詳細に説明する。

図10は図４に示される空燃比（Ａ／Ｆ）inの変化を拡大して示している。なお、前述したようにこの排気浄化触媒13への流入排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inの変化は同時に排気浄化触媒13に流入する炭化水素の濃度変化を示している。なお、図10においてΔＨは排気浄化触媒13に流入する炭化水素HCの濃度変化の振幅を示しており、ΔＴは排気浄化触媒13に流入する炭化水素濃度の振動周期を示している。

更に図10において（Ａ／Ｆ）ｂは機関出力を発生するための燃焼ガスの空燃比を示すベース空燃比を表している。言い換えるとこのベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂは炭化水素の供給を停止したときに排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比を表している。一方、図10においてＸは、生成された活性NO_x ^*が硝酸塩の形で塩基性層53内に吸蔵されることなく還元性中間体の生成のために使用される空燃比（Ａ／Ｆ）inの上限を表しており、活性NO_x ^*と改質された炭化水素とを反応させて還元性中間体を生成させるには空燃比（Ａ／Ｆ）inをこの空燃比の上限Ｘよりも低くすることが必要となる。

別の言い方をすると図10のＸは活性NO_x ^*と改質された炭化水素とを反応させて還元性中間体を生成させるのに必要な炭化水素の濃度の下限を表しており、還元性中間体を生成するためには炭化水素の濃度をこの下限Ｘよりも高くする必要がある。この場合、還元性中間体が生成されるか否かは活性NO_x ^*周りの酸素濃度と炭化水素濃度との比率、即ち空燃比（Ａ／Ｆ）inで決まり、還元性中間体を生成するのに必要な上述の空燃比の上限Ｘを以下、要求最小空燃比と称する。

図10に示される例では要求最小空燃比Ｘがリッチとなっており、従ってこの場合には還元性中間体を生成するために空燃比（Ａ／Ｆ）inが瞬時的に要求最小空燃比Ｘ以下に、即ちリッチにされる。これに対し、図11に示される例では要求最小空燃比Ｘがリーンとなっている。この場合には空燃比（Ａ／Ｆ）inをリーンに維持しつつ空燃比（Ａ／Ｆ）inを周期的に低下させることによって還元性中間体が生成される。

この場合、要求最小空燃比Ｘがリッチになるかリーンになるかは排気浄化触媒13の酸化力による。この場合、排気浄化触媒13は例えば貴金属51の担持量を増大させれば酸化力が強まり、酸性を強めれば酸化力が強まる。従って排気浄化触媒13の酸化力は貴金属51の担持量や酸性の強さによって変化することになる。

さて、酸化力が強い排気浄化触媒13を用いた場合に図11に示されるように空燃比（Ａ／Ｆ）inをリーンに維持しつつ空燃比（Ａ／Ｆ）inを周期的に低下させると、空燃比（Ａ／Ｆ）inが低下せしめられたときに炭化水素が完全に酸化されてしまい、その結果還元性中間体を生成することができなくなる。これに対し、酸化力が強い排気浄化触媒13を用いた場合に図10に示されるように空燃比（Ａ／Ｆ）inを周期的にリッチにさせると空燃比（Ａ／Ｆ）inがリッチにされたときに一部の炭化水素は完全に酸化されることなく部分酸化され、即ち炭化水素が改質され、斯くして還元性中間体が生成されることになる。従って酸化力が強い排気浄化触媒13を用いた場合には要求最小空燃比Ｘはリッチにする必要がある。

一方、酸化力が弱い排気浄化触媒13を用いた場合には図11に示されるように空燃比（Ａ／Ｆ）inをリーンに維持しつつ空燃比（Ａ／Ｆ）inを周期的に低下させると、一部の炭化水素は完全に酸化されずに部分酸化され、即ち炭化水素が改質され、斯くして還元性中間体が生成される。これに対し、酸化力が弱い排気浄化触媒13を用いた場合に図10に示されるように空燃比（Ａ／Ｆ）inを周期的にリッチにさせると多量の炭化水素は酸化されることなく単に排気浄化触媒13から排出されることになり、斯くして無駄に消費される炭化水素量が増大することになる。従って酸化力が弱い排気浄化触媒13を用いた場合には要求最小空燃比Ｘはリーンにする必要がある。

即ち、要求最小空燃比Ｘは図12に示されるように排気浄化触媒13の酸化力が強くなるほど低下させる必要があることがわかる。このように要求最小空燃比Ｘは排気浄化触媒13の酸化力によってリーンになったり、或いはリッチになったりするが、以下要求最小空燃比Ｘがリッチである場合を例にとって、排気浄化触媒13に流入する炭化水素の濃度変化の振幅や排気浄化触媒13に流入する炭化水素濃度の振動周期について説明する。

さて、ベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂが大きくなると、即ち炭化水素が供給される前の排気ガス中の酸素濃度が高くなると空燃比（Ａ／Ｆ）inを要求最小空燃比Ｘ以下とするのに必要な炭化水素の供給量が増大し、それに伴って還元性中間体の生成に寄与しなかった余剰の炭化水素量も増大する。この場合、NO_xを良好に浄化するためには前述したようにこの余剰の炭化水素を酸化させる必要があり、従ってNO_xを良好に浄化するためには余剰の炭化水素量が多いほど多量の酸素が必要となる。

この場合、排気ガス中の酸素濃度を高めれば酸素量を増大することができる。従ってNO_xを良好に浄化するためには、炭化水素が供給される前の排気ガス中の酸素濃度が高いときには炭化水素供給後の排気ガス中の酸素濃度を高める必要がある。即ち、炭化水素が供給される前の排気ガス中の酸素濃度が高いほど炭化水素濃度の振幅を大きくする必要がある。

図13は同一のNO_x浄化率が得られるときの、炭化水素が供給される前の排気ガス中の酸素濃度と炭化水素濃度の振幅ΔＨとの関係を示している。図13から同一のNO_x浄化率を得るためには炭化水素が供給される前の排気ガス中の酸素濃度が高いほど炭化水素濃度の振幅ΔＨを増大させる必要があることがわかる。即ち、同一のNO_x浄化率を得るにはベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂが高くなるほど炭化水素濃度の振幅ΔＴを増大させることが必要となる。別の言い方をすると、NO_xを良好に浄化するためにはベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂが低くなるほど炭化水素濃度の振幅ΔＴを減少させることができる。

ところでベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂが最も低くなるのは加速運転時であり、このとき炭化水素濃度の振幅ΔＨが200ppm程度あればNO_xを良好に浄化することができる。ベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂは通常、加速運転時よりも大きく、従って図14に示されるように炭化水素濃度の振幅ΔＨが200ppm以上であれば良好なNO_x浄化率を得ることができることになる。

一方、ベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂが最も高いときには炭化水素濃度の振幅ΔＨを10000ppm程度にすれば良好なNO_x浄化率が得られることがわかっている。従って本発明では炭化水素濃度の振幅の予め定められた範囲が200ppmから10000ppmとされている。

また、炭化水素濃度の振動周期ΔＴが長くなると炭化水素が供給された後、次に炭化水素が供給される間において、活性NO_x ^*周りの酸素濃度が高くなる期間が長くなる。この場合、図１に示される実施例では、炭化水素濃度の振動周期ΔＴが５秒程度よりも長くなると活性NO_x ^*が硝酸塩の形で塩基性層53内に吸収され始め、従って図15に示されるように炭化水素濃度の振動周期ΔＴが５秒程度よりも長くなるとNO_x浄化率が低下することになる。従って図１に示される実施例では、炭化水素濃度の振動周期ΔＴは５秒以下とする必要がある。

一方、本発明による実施例では、炭化水素濃度の振動周期ΔＴがほぼ0.3秒以下になると供給された炭化水素が排気浄化触媒13の排気ガス流通表面上に堆積し始め、従って図15に示されるように炭化水素濃度の振動周期ΔＴがほぼ0.3秒以下になるとNO_x浄化率が低下する。そこで本発明による実施例では、炭化水素濃度の振動周期が0.3秒から５秒の間とされている。

さて、本発明による実施例では、炭化水素供給弁15からの炭化水素噴射量および噴射時期を変化させることによって炭化水素濃度の振幅ΔＨおよび振動周期ΔＴが機関の運転状態に応じた最適値となるように制御される。この場合、本発明による実施例では、低圧排気ガス再循環装置LPLによる排気ガス再循環作用を行ないつつ第１のNOx浄化方法によるNOx浄化作用が行われているときの標準的な運転状態における最適な炭化水素噴射量ＷＴが燃料噴射弁３からの噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎの関数として図16Ａに示すようなマップの形で予めROM32内に記憶されており、また、この標準的な運転状態における最適な炭化水素の噴射周期ΔＴも燃料噴射弁３からの噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎの関数として図16Ｂに示すようなマップの形で予めROM32内に記憶されている。同様に、高圧排気ガス再循環装置HPLによる排気ガス再循環作用を行いつつ第１のNOx浄化方法によるNOx浄化作用が行われているときの最適な炭化水素噴射量ＷＴおよび噴射周期ΔＴも燃料噴射弁３からの噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎの関数として夫々予めROM32内に記憶されている。

ところで、炭化水素供給弁15から炭化水素が噴射されると一部の炭化水素は部分酸化されるが大部分の炭化水素は完全に酸化され、従って炭化水素供給弁15から炭化水素が噴射されると排気浄化触媒13において多量の二酸化炭素ＣＯ_２が生成される。このとき、低圧排気ガス再循環装置LPLによる排気ガス再循環作用が行なわれていたとすると、排気浄化触媒13において生成された多量の二酸化炭素ＣＯ_２は低圧排気ガス再循環装置LPLのEGR通路23および吸気通路６ａ、６ｂを介して燃焼室２内に再循環される。このように多量の二酸化炭素ＣＯ_２が燃焼室２内に再循環されると燃焼室２内に供給される空気量が一時的に減少し、燃焼室２内における燃焼ガスの空燃比が一時的に低下する。その結果、燃焼室２から排出される排気ガスの空燃比、即ち排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比が
一時的に低下することになる。

このように低圧排気ガス再循環装置LPLによる排気ガスの再循環作用が行われているときに炭化水素供給弁15から炭化水素が噴射されると、排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比が一時的に低下することになる。このように排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比が一時的に低下したときに、排気ガスの空燃比の一時的な低下に同期して炭化水素供給弁15から炭化水素を噴射すると、少量の炭化水素でもって排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比を要求最小空燃比以下とすることができる。即ち、排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比の一時的な低下に同期して炭化水素供給弁15から炭化水素を噴射すると、第１のNOx浄化方法によるNOxを浄化するのに必要な炭化水素の供給量を低減できることになる。

そこで本発明では、図17に示されるように排気浄化触媒13に流入する排気ガス中における再循環された二酸化炭素ＣＯ_２の濃度が一時的に増大したときに、即ち排気浄化触媒13に流入する排気ガスのベース空燃比が一時的に低下したときに炭化水素供給弁15から炭化水素を噴射して排気浄化触媒13への流入排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inをリッチにするようにしている。即ち、本発明では、低圧排気ガス再循環装置LPLによる排気ガス再循環作用が行われているときに炭化水素供給弁15から炭化水素が噴射されると排気浄化触媒13において生成された二酸化炭素が再循環されると共に、炭化水素の噴射後、二酸化炭素の再循環に要する時間を経過したときに二酸化炭素の再循環作用により排気浄化触媒13への流入排気ガスの空燃比の一時的な低下が引き起こされ、第１のNOx浄化方法によるNOx浄化作用を行うために炭化水素供給弁15から予め定められた周期でもって炭化水素を噴射するときに、流入排気ガスの空燃比の一時的な低下に同期して炭化水素供給弁15から炭化水素を噴射するようにしている。

図18は、低圧排気ガス再循環装置LPLによる排気ガスの再循環作用が行われているときに炭化水素供給弁15から炭化水素が噴射されたときの燃焼室２内のＣＯ_２濃度、燃焼室２内の空燃比および排気浄化触媒13に流入する排気ガス中のNO_x濃度と炭化水素噴射量との関係を示している。図18に示されるように、燃焼室２内のＣＯ_２濃度は炭化水素噴射量が増大するほど高くなり、燃焼室２内の空燃比は炭化水素噴射量が増大するほど低くなり、排気浄化触媒13に流入する排気ガス中のNO_x濃度は炭化水素噴射量が増大するほど低くなる。

なお、低圧排気ガス再循環装置LPLによる排気ガスの再循環作用が行われているときには、炭化水素の噴射により生成された二酸化炭素ＣＯ_２が再循環されて排気浄化触媒13の入り口に到達すると、この二酸化炭素ＣＯ_２は再び再循環される。この場合、排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比の低下量は、生成された二酸化炭素ＣＯ_２が最初に再循環されて排気浄化触媒13の入り口に到達したときが最も大きく、排気浄化触媒13の入り口に到達した二酸化炭素ＣＯ_２が二度目に再循環されて排気浄化触媒13の入り口に到達したときには排気ガスの空燃比の低下量はかなり減少し、二酸化炭素ＣＯ_２が三度目に再循環されて排気浄化触媒13の入り口に到達したときには排気ガスの空燃比の低下量は更に減少する。

この場合、排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比の低下量が最も大きいときに炭化水素の消費量を最も低減することができる。従って、本発明による実施例では、炭化水素の噴射後、炭化水素の噴射により排気浄化触媒13への流入排気ガスの空燃比の一時的な低下が最初に引き起こされたときに、最初の空燃比の一時的な低下に同期して炭化水素供給弁15からの次の炭化水素の噴射作用が行われる。このときの、即ち炭化水素の噴射後、排気浄化触媒13への流入排気ガスの空燃比の一時的な低下が最初に引き起こされたときに、最初の空燃比の一時的な低下に同期して炭化水素供給弁15からの次の炭化水素の噴射作用が行われるときの最適な炭化水素噴射量ＷＴXが燃料噴射弁３からの噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎの関数として図19Ａに示すようなマップの形で予めROM32内に記憶されている。

ところで、前述したように、図16Aは標準的な運転状態における最適な炭化水素噴射量ＷＴ、即ち炭化水素の噴射による排気浄化触媒13への流入排気ガスの空燃比の一時的な低下に特に同期させることなく炭化水素供給弁15から炭化水素を噴射させるようにした場合の最適な炭化水素噴射量ＷＴを示している。この場合、当然のことながら、図19Aに示される炭化水素供給弁15からの炭化水素噴射量WTXの方が図16Aに示される炭化水素供給弁15からの炭化水素噴射量WTに比べて少ない。このように排気浄化触媒13への流入排気ガスの空燃比の一時的な低下に同期して炭化水素供給弁15から炭化水素が噴射される場合には、同一の機関運転状態のもとで流入排気ガスの空燃比の一時的な低下が生じていないときに炭化水素が噴射される場合に比べて少量の炭化水素が炭化水素供給弁15から噴射される。

一方、炭化水素の噴射後、炭化水素の噴射により排気浄化触媒13への流入排気ガスの空燃比の一時的な低下が最初に引き起こされるまでの時間、即ち炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射周期は、排気ガスの再循環に要する時間から算出することができる。即ち、排気ガスの再循環に要する時間は、排気浄化触媒13から流出した二酸化炭素ＣＯ_２を含むEGRガスが低圧排気ガス再循環装置LPLのEGR通路23内を流れる時間TAと、このEGRガスを含んだ吸入空気が吸気通路６ａ、６ｂおよび燃焼室２を通って排気浄化触媒13に流入するまでの時間TBとの和となる。この場合、時間TAは、排気浄化触媒13から流出した排気ガス、即ちEGRガスが吸気通路６ａに到達するまでのEGRガス流通路の容積をEGR量で除算することによって算出することができ、一方時間TBは、EGRガスを含んだ吸入空気が排気浄化触媒13に到達するまでのガス流通路の容積を（吸入空気量＋EGR量）で除算することによって算出することができる。

ところで、通常内燃機関では、EGR率GR（＝EGRガス量/（吸入ガス量＋EGRガス量））は機関の運転状態に応じて予め定められており、本発明による一実施例ではこのEGR率GRは燃料噴射弁３からの噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎの関数として図19Ｂに示すようなマップの形で予めROM32内に記憶されている。従って、この実施例では機関の運転状態が定まるとEGR率GRが定まることになる。一方、この実施例では吸入空気量は常時計測されており、また、上述のEGRガス流通路の容積およびガス流通路の容積は予め求められている。従って、この実施例では、排気ガスの再循環に要する時間（TA+TB）、即ち炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射周期は、EGR率と吸入空気量から算出できることになる。そこでこの実施例では、排気ガスの再循環に要する時間（TA+TB）、即ち炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射周期が、EGR率と吸入空気量から算出されている。

一方、排気浄化触媒13への流入排気ガスの空燃比の一時的な低下に同期して炭化水素供給弁15から炭化水素が噴射されているときの炭化水素の噴射周期ΔTＸは、定常運転時であれば機関の運転状態が定まるとそれに応じて定まる。即ち、炭化水素の噴射周期ΔTＸは図20Aに示されるように機関回転数Ｎが高くなるほど短くなり、炭化水素の噴射周期ΔTＸは図20Ｂに示されるように燃料噴射弁３からの噴射量Ｑが増大するほど短くなる。この炭化水素の噴射周期ΔTＸは、図20Ｃに示されるように燃料噴射弁３からの噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎの関数として夫々予めROM32内に記憶されている。

従って、本発明による別の実施例では、炭化水素の噴射周期ΔTＸは図20Ｃに示されるマップから算出される。このときには、炭化水素の噴射周期ΔTＸは機関回転数Ｎが高くなるほど短くなり、燃料噴射弁３からの噴射量Ｑが増大するほど短くなる。即ち、このとき、排気浄化触媒13への流入排気ガスの空燃比の一時的な低下に同期して炭化水素供給弁15から炭化水素が噴射されているときの炭化水素の噴射周期は、燃焼室２内への燃料噴射量が増大するほど短くなりかつ機関回転数が高くなるほど短くなるように機関の運転状態に応じて制御される。

次に図21から図24を参照しつつ排気浄化触媒13をNO_x吸蔵触媒として機能させた場合のNO_x浄化方法について具体的に説明する。このように排気浄化触媒13をNO_x吸蔵触媒として機能させた場合のNO_x浄化方法を以下、第２のNO_x浄化方法と称する。

この第２のNO_x浄化方法では図21に示されるように塩基性層53に吸蔵された吸蔵NO_x量ΣNOXが予め定められた許容量MAXを越えたときに排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inが一時的にリッチにされる。排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inがリッチにされると、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inがリーンのときに塩基性層53内に吸蔵されたNO_xが塩基性層53から一気に放出されて還元される。それによってNO_xが浄化される。

吸蔵NO_x量ΣNOXは例えば機関から排出されるNO_x量から算出される。本発明による実施例では機関から単位時間当り排出される排出NO_x量NOXAが噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎの関数として図22に示すようなマップの形で予めROM32内に記憶されており、この排出NO_x量NOXAから吸蔵NO_x量ΣNOXが算出される。この場合、前述したように排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inがリッチにされる周期は通常１分以上である。

この第２のNO_x浄化方法では図23に示されるように燃焼室２内に燃料噴射弁３から燃焼用燃料Ｑに加え、追加の燃料WRを噴射することによって排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inがリッチにされる。なお、図23の横軸はクランク角を示している。この追加の燃料WRは燃焼はするが機関出力となって現われない時期に、即ち圧縮上死点後ATDC90°の少し手前で噴射される。この燃料量WRは噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎの関数として図24に示すようなマップの形で予めROM32内に記憶されている。無論、この場合炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射量を増大させることによって排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inをリッチにすることもできる。

さて、排気浄化触媒13およびパティキュレートフィルタ14から排気管12ｂ内に流出する排気ガスの温度は排気マニホルド５内に排出される排気ガスの温度に比べてかなり低く、従って低圧排気ガス再循環装置LPLにより燃焼室２内に再循環される排気ガスの温度は高圧排気ガス再循環装置HPLにより燃焼室２内に再循環される排気ガスの温度に比べてかなり低くなる。従って低圧排気ガス再循環装置LPLにより排気ガスを再循環した場合の方が、高圧排気ガス再循環装置HPLにより排気ガスを再循環した場合に比べて燃焼室２内における燃焼温が低下し、燃焼室２内におけるNO_ｘの生成量が低下する。即ち、低圧排気ガス再循環装置LPLを用いて排気ガスを再循環した場合の方が、高圧排気ガス再循環装置HPLを用いて排気ガスを再循環した場合に比べて燃焼室２から排出されるNO_ｘの量を低下させることができる。

従って、本発明による実施例では通常、低圧排気ガス再循環装置LPLを用いて排気ガスの再循環作用が行われ、低圧排気ガス再循環装置LPLを用いるよりも高圧排気ガス再循環装置HPLを用いた方が好ましい場合に限って、高圧排気ガス再循環装置HPLが用いられる。

一方、第１のNO_ｘ浄化方法を用いたときのNO_ｘ浄化率と第２のNO_ｘ浄化方法を用いたときのNO_ｘ浄化率とを比べると第１のNO_ｘ浄化方法を用いた場合の方が高いNO_ｘ浄化率を得ることができる。一方、第１のNO_ｘ浄化方法を用いた場合の炭化水素の供給頻度は第２のNO_ｘ浄化方法を用いた場合の炭化水素の供給頻度よりもかなり高いので、NO_ｘを浄化するために消費される炭化水素量は、第１のNO_ｘ浄化方法を用いた場合の方が第２のNO_ｘ浄化方法を用いた場合に比べて多くなる。即ち、NO_ｘ浄化率からみると、第１のNO_ｘ浄化方法を用いることが好ましいが、炭化水素消費量の低減という観点からみると、第２のNO_ｘ浄化方法を用いることが好ましいと言える。

これらのことを考慮して、低圧排気ガス再循環装置LPLを用いるか或いは高圧排気ガス再循環装置HPLを用いるかが、および第１のNO_ｘ浄化方法を用いるか或いは第２のNO_ｘ浄化方法を用いるかが決定される。本発明による実施例では、図25に示されるように、燃料噴射弁３からの燃料噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎに応じて機関の運転領域が三つの運転領域Ｉ,IIおよびIIIに分けられており、低圧排気ガス再循環装置LPLと高圧排気ガス再循環装置HPLとのいずれを用いるかが、および第１のNO_ｘ浄化方法と第２のNO_ｘ浄化方法のいずれを用いるかが各運転領域Ｉ,IIおよびIIIについて夫々予め定められている。

図25において、運転領域IIは、定常運転時に最も頻繁に使用される中速中負荷運転領域を表しており、定常運転時にはこの運転領域IIでは、排気ガス再循環装置としては低圧排気ガス再循環装置LPLが用いられており、NOx浄化方法としては第２のNO_ｘ浄化方法が用いられている。即ち、運転領域IIでは、燃焼室２からのNO_ｘの排出量を低減させるべく低圧排気ガス再循環装置LPLが用いられ、炭化水素消費量を低減すべく第２のNO_ｘ浄化方法が用いられる。

一方、図25において、運転領域IIIは、高速高負荷運転領域を表しており、この運転領域IIIでは、排気ガス再循環装置として低圧排気ガス再循環装置LPLが用いられており、NO_ｘ浄化方法として第１のNO_ｘ浄化方法が用いられている。即ち、高速高負荷運転時には、燃焼室２からのNO_ｘの排出量が増大し、従ってこのときには燃焼室２からのNO_ｘの排出量をできる限り低減させるべく低圧排気ガス再循環装置LPLが用いられ、高いNO_ｘ浄化率が得られるように第１のNO_ｘ浄化方法が用いられる。

一方、図25において、運転領域Ｉは、低速低負荷運転領域を表しており、この運転領域Ｉでは、排気ガス再循環装置として高圧排気ガス再循環装置HPLが用いられており、NO_ｘ浄化方法としては第２のNO_ｘ浄化方法が用いられている。即ち、低速低負荷運転時には、燃焼室２から排出される排気ガスの温度が低く、このとき低圧排気ガス再循環装置LPLを用いて排気ガスを再循環させると排気ガス中に含まれる水分が冷却装置23ａ内において凝縮し、その結果低圧排気ガス再循環装置LPL内に水分が蓄積してしまうという問題を生ずる。このような問題が生じないようにするために運転領域Ｉでは、高圧排気ガス再循環装置HPLが用いられ、炭化水素消費量を低減すべく第２のNO_ｘ浄化方法が用いられる。

このように図25に示される実施例では、運転領域IIおよびIIIでは低圧排気ガス再循環装置LPLが用いられ、運転領域Ｉにおいてのみ高圧排気ガス再循環装置HPLが用いられる。一方、運転領域ＩおよびIIでは第２のNO_ｘ浄化方法が用いられ、運転領域IIIでは第１のNO_ｘ浄化方法が用いられる。従って、機関の運転状態が運転領域Ｉ又はIIから運転領域IIIに変化すると、第２のNO_ｘ浄化方法によるNOx浄化作用から第１のNO_ｘ浄化方法によるNO_ｘ浄化作用に切り替えられることになる。

図26には、第２のNO_ｘ浄化方法によるNO_ｘ浄化作用から第１のNO_ｘ浄化方法によるNO_ｘ浄化作用に切替えられるときの、追加の燃料ＷＲの噴射時期と、炭化水素ＷＴの供給タイミングと、排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inの変化と、排気浄化触媒13に吸蔵される吸蔵NO_ｘ量ΣNOXとが示されている。排気浄化触媒13にNO_ｘが吸蔵されている状態で、第２のNO_ｘ浄化方法によるNO_ｘ浄化作用から第１のNO_ｘ浄化方法によるNO_ｘ浄化作用に切替えられると、第１のNO_ｘ浄化方法によるNO_ｘ浄化作用が開始されたときに、排気浄化触媒13に吸蔵されているNO_ｘが還元されることなく放出される。そこで本発明による実施例では、第２のNO_ｘ浄化方法によるNO_ｘ浄化作用から第１のNO_ｘ浄化方法によるNO_ｘ浄化作用に切替えられるときに排気浄化触媒13にNO_ｘが吸蔵されているときには、吸蔵されているNO_ｘを放出させ還元させるために、図26に示されるように追加の燃料ＷＲが供給され、排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inが一時的にリッチにされる。

図27および図28にNO_ｘ浄化制御ルーチンを示す。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27を参照するとまず初めにステップ60において、機関の運転状態が図25に示される運転領域Ｉであるか否かが判別される。機関の運転状態が運転領域Ｉであるときにはステップ61に進んで高圧排気ガス再循環装置HPLによる排気ガス再循環作用が行われる。次いでステップ62に進んで第２のNO_ｘ浄化方法によるNO_ｘ浄化作用が行われる。

即ち、ステップ62では図22に示すマップから単位時間当りの排出NO_ｘ量NOXAが算出される。次いでステップ63ではΣNOXに排出NO_ｘ量NOXAを加算することによって吸蔵NO_ｘ量ΣNOXが算出される。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る。ΣNOX＞MAXになるとステップ65に進んで図24に示すマップから追加の燃料量WRが算出され、追加の燃料の噴射作用が行われる。次いでステップ66ではΣNOXがクリアされる。

一方、ステップ60において機関の運転状態が運転領域Ｉでないと判別されたときにはステップ67に進んで低圧排気ガス再循環装置LPLによる排気ガス再循環作用が行われる。次いでステップ68では機関の運転状態が図25に示される運転領域IIであるか否かが判別される。機関の運転状態が運転領域IIであるときにはステップ62に進んで第２のNO_ｘ浄化方法によるNO_ｘ浄化作用が行われる。これに対し、機関の運転状態が運転領域IIでないとき、即ち機関の運転状態が図25に示される運転領域IIIであるときにはステップ69に進んで機関の運転状態が今、運転領域IIから運転領域IIIに変化したか否かが判別される。機関の運転状態が今、運転領域IIから運転領域IIIに変化していないとき、即ち機関の運転状態が継続して運転領域IIIであるときにはステップ72に進み、第１のNO_ｘ浄化方法によるNO_ｘ浄化作用が行われる。このとき、図17に示される本発明による炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射制御が行われる。

一方、ステップ69において、機関の運転状態が今、運転領域IIから運転領域IIIに変化したと判断されたときにはステップ70に進んで、吸蔵NO_ｘ量ΣNOXが一定値MINよりも大きいか否かが判別される。なお、この一定値MINは許容値MAXよりもかなり小さな値とされている。ステップ70において吸蔵NO_ｘ量ΣNOXが一定値MINよりも小さいと判断されたときにはステップ72に進む。これに対し、吸蔵NO_ｘ量ΣNOXが一定値MINよりも大きいと判断されたときにはステップ71に進み、吸蔵されているNO_xを放出させ還元させるために、図26に示されるように追加の燃料ＷＲが供給されて排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inが一時的にリッチにされ、ΣNOXがクリアされる。次いで処理サイクルを完了する。

ステップ72では、排気浄化触媒13への流入排気ガスの空燃比の一時的な低下に同期して炭化水素供給弁15から炭化水素が噴射するときの炭化水素噴射量WTXが図19Ａに示されるマップから算出される。次いでステップ73では、このときの炭化水素の噴射周期ΔTＸが図19Ｂに示すＥＧＲ率ＧＲと吸入空気量から、或いは図20Ｃに示すマップから算出される。次いでステップ74では、第１のNO_ｘ浄化方法によるNO_ｘ浄化作用のもとで、噴射量WTXの炭化水素が噴射周期ΔTＸでもって炭化水素供給弁15から噴射される。このとき、排気浄化触媒13への流入排気ガスの空燃比の一時的な低下に同期して炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射作用が行われる。

一方、このとき燃焼室２内には排気浄化触媒13において生成された二酸化炭素が送り込まれる。ところが、このように燃焼室２に二酸化炭素が送り込まれると、燃焼室２における不活性成分が増大し、その結果、燃焼が悪化してしまう。そこでこの実施例では、続くステップ75から77において、このとき燃焼が悪化しないように、目標ＥＧＲ率ＧＲが低下せしめられるか、或いは燃料噴射弁３からの燃料噴射時期が早められる。即ち、ステップ75では、このとき燃焼室２に送り込まれる二酸化炭素の濃度が算出される。次いでステップ76では、この算出された二酸化炭素の濃度に基づいて目標ＥＧＲ率ＧＲが低下する方向に補正され、次いでステップ77では、この算出された二酸化炭素の濃度に基づいて燃料噴射弁３からの燃料噴射時期が早まる方向に補正される。

さて、ベース空燃比が低いときには炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射によって空燃比を容易にリッチにすることができ、従ってベース空燃比が低いときには容易に第１のNO_ｘ浄化方法によるNO_ｘ浄化作用を行うことができる。これに対し、ベース空燃比が高くなると炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射量を増大しても空燃比がリッチになりづらくなり、従ってベース空燃比が高くなると第１のNO_ｘ浄化方法によるNO_ｘ浄化作用を行うことが難しくなる場合がある。しかしながら、排気浄化触媒13への流入排気ガスの空燃比の一時的な低下に同期して炭化水素供給弁15から炭化水素を噴射すると、もともとのベース空燃比が高い場合であっても、空燃比を容易にリッチにすることができ、従ってベース空燃比が高いときでも容易に第１のNO_ｘ浄化方法によるNO_ｘ浄化作用を行うことができる。

ところで、通常の内燃機関において、ベース空燃比が最も高くなるのは機関高速低負荷運転領域である。図29の運転領域Ｉ、II、IIIは、図25に示される運転領域Ｉ、II、IIIと同じ運転領域を表しており、ベース空燃比が最も高くなる機関高速低負荷運転領域が図29において運転領域IVで示されている。従って、本発明による別の実施例では、ベース空燃比が最も高くなる機関高速低負荷運転領域IVにおいて、流入排気ガスの空燃比の一時的な低下に同期した炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射作用を行うようにしている。

この実施例を実行するためには、図28に示されるフローチャートに代えて、図30に示すフローチャートが用いられる。
図30を参照すると、まず初めにステップ80において機関の運転状態が運転領域IVであるか否かが判別される。機関の運転状態が運転領域IVであるときにはステップ84に進み、排気浄化触媒13への流入排気ガスの空燃比の一時的な低下に同期して炭化水素供給弁15から炭化水素が噴射するときの炭化水素噴射量WTXが図19Ａに示されるマップから算出される。次いでステップ85では、このときの炭化水素の噴射周期ΔTＸが図19Ｂに示すＥＧＲ率ＧＲと吸入空気量から、或いは図20Ｃに示すマップから算出される。次いでステップ83では、第１のNO_ｘ浄化方法によるNO_ｘ浄化作用のもとで、噴射量WTＸの炭化水素が噴射周期ΔTＸでもって炭化水素供給弁15から噴射される。このとき、排気浄化触媒13への流入排気ガスの空燃比の一時的な低下に同期して炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射作用が行われる。

一方、ステップ80において機関の運転状態が運転領域IVでないと判別されたときにはステップ81に進み、標準的な運転状態における最適な炭化水素の噴射WTが図16Ａに示されるマップから算出される。次いでステップ82では、標準的な運転状態における最適な炭化水素の噴射周期ΔＴが図16Ｂに示されるマップから算出される。次いでステップ83では、第１のNO_ｘ浄化方法によるNO_ｘ浄化作用のもとで、噴射量WTの炭化水素が噴射周期ΔTでもって炭化水素供給弁15から噴射される。このとき、排気浄化触媒13への流入排気ガスの空燃比の一時的な低下に同期することなく炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射作用が行われる。

一方、排気ガス中にはＳＯ_ｘが含まれており、このＳＯ_ｘは排気浄化触媒13内に少しずつ吸蔵される。即ち、排気浄化触媒13がＳＯ_ｘ被毒を生ずる。この場合、排気浄化触媒13に吸蔵されたＳＯ_ｘは、排気浄化触媒13の温度を６００℃程度まで上昇させかつ排気浄化触媒13への流入排気ガスの空燃比をリッチにすることによって排気浄化触媒13から放出させることができる。この場合も、ベース空燃比が低いときには炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射によって空燃比を容易にリッチにすることができ、従ってベース空燃比が低いときには容易に排気浄化触媒13からのＳＯ_ｘの放出作用を行うことができる。これに対し、ベース空燃比が高くなると炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射量を増大しても空燃比がリッチになりづらくなり、従ってベース空燃比が高くなると排気浄化触媒13からのＳＯ_ｘの放出作用が難しくなる場合がある。

しかしながらこの場合も、排気浄化触媒13への流入排気ガスの空燃比の一時的な低下に同期して炭化水素供給弁15から炭化水素を噴射すると、もともとのベース空燃比が高い場合であっても、空燃比を容易にリッチにすることができ、従ってベース空燃比が高いときでも容易に排気浄化触媒13からのＳＯ_ｘの放出作用を行うことができる。従って、本発明による更に別の実施例では、ベース空燃比が最も高くなる機関高速低負荷運転領域IV（図29）では、排気浄化触媒13への流入排気ガスの空燃比の一時的な低下に同期して炭化水素供給弁15から炭化水素を噴射することによって排気浄化触媒13からのＳＯ_ｘの放出作用を行うようにしている。即ち、この実施例では、排気浄化触媒13からＳＯ_ｘを放出すべきときに、ベース空燃比が最も高くなる機関高速低負荷運転領域IVにおいて、流入排気ガスの空燃比の一時的な低下に同期した炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射作用が行われる。

図31にＳＯ_ｘ放出制御ルーチンを示す。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31を参照するとまず初めにステップ90において、排気浄化触媒13からＳＯ_ｘを放出すべきことを命ずるＳＯ_ｘ放出指令が発せられているか否かが判別される。ＳＯ_ｘ放出指令が発せられていないときには処理サイクルを完了する。これに対し、ＳＯ_ｘ放出指令が発せられているときにはステップ91に進んで第１のNO_ｘ浄化方法によるNO_ｘ浄化作用および第２のNO_ｘ浄化方法によるNO_ｘ浄化作用が中止される。次いでステップ92において排気浄化触媒13の温度を６００℃程度まで上昇させる昇温制御が完了したか否かが判別される。排気浄化触媒13の昇温制御が完了していないときにはステップ93に進んで排気浄化触媒13の昇温制御が行われる。この昇温制御は、炭化水素供給弁15から間欠的に炭化水素を噴射することによって行われる。これに対し、排気浄化触媒13の昇温制御が完了したときにはステップ94に進む。

ステップ94では、機関の運転状態が図29に示される運転領域Ｉであるか否かが判別される。機関の運転状態が運転領域Ｉであるときにはステップ95に進んで高圧排気ガス再循環装置HPLによる排気ガス再循環作用が行われる。次いでステップ98に進む。一方、ステップ94において機関の運転状態が運転領域Ｉでないと判別されたときにはステップ96に進んで低圧排気ガス再循環装置LPLによる排気ガス再循環作用が行われる。次いでステップ97では機関の運転状態が図29に示される運転領域IVであるか否かが判別される。機関の運転状態が運転領域IVでないときにはステップ98に進む。

ステップ98では、標準的な運転状態において排気浄化触媒13からＳＯ_ｘを放出させるのに最適な炭化水素の噴射WTsが、図16Ａに示されるような予め記憶されたマップから算出される。次いでステップ99では、標準的な運転状態において排気浄化触媒13からＳＯ_ｘを放出させるのに最適な炭化水素の噴射周期ΔＴs が、図16Ｂに示されるような予め記憶されたマップから算出される。次いでステップ100では、噴射量WTs の炭化水素が噴射周期ΔTｓでもって炭化水素供給弁15から噴射される。このとき、排気浄化触媒13への流入排気ガスの空燃比の一時的な低下に同期することなく炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射作用が行われる。

一方、ステップ97において、機関の運転状態が図29に示される運転領域IVであると判別されたときにはステップ101に進み、排気浄化触媒13への流入排気ガスの空燃比の一時的な低下に同期して炭化水素供給弁15から炭化水素が噴射するときの炭化水素噴射量WTXs
が,図19Ａに示されるような予め記憶されたマップから算出される。次いでステップ102では、このときの炭化水素の噴射周期ΔTＸs が,図20Ｃに示されるような予め記憶されたマップから算出される。次いでステップ100では、噴射量WTＸs の炭化水素が噴射周期ΔTＸs でもって炭化水素供給弁15から噴射される。このとき、排気浄化触媒13への流入排気ガスの空燃比の一時的な低下に同期して炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射作用が行われる。

なお、別の実施例として排気浄化触媒13上流の機関排気通路内に炭化水素を改質させるための酸化触媒を配置することもできる。

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
12ａ、12ｂ排気管
13 排気浄化触媒
14 パティキュレートフィルタ
15 炭化水素供給弁
HPL 高圧排気ガス再循環装置
LPL 低圧排気ガス再循環装置

Claims

機関排気通路内に排気浄化触媒を配置すると共に排気浄化触媒上流の機関排気通路内に炭化水素供給弁を配置し、該排気浄化触媒の排気ガス流通表面上には貴金属触媒が担持されていると共に該貴金属触媒周りには塩基性の排気ガス流通表面部分が形成されており、該排気浄化触媒は、排気浄化触媒に流入する炭化水素の濃度を予め定められた範囲内の振幅および予め定められた範囲内の周期でもって振動させると排気ガス中に含まれるNO_ｘを還元する性質を有すると共に、該炭化水素濃度の振動周期を該予め定められた範囲よりも長くすると排気ガス中に含まれるNO_ｘの吸蔵量が増大する性質を有しており、機関運転時に炭化水素供給弁から該予め定められた範囲内の周期でもって炭化水素を噴射し、それによって排気ガス中に含まれるNO_xを浄化するようにした内燃機関の排気浄化装置において、排気浄化触媒下流の機関排気通路内の排気ガスを吸気通路内に再循環させる低圧排気ガス再循環装置を具備しており、該低圧排気ガス再循環装置による排気ガス再循環作用が行われているときに炭化水素供給弁から炭化水素が噴射されると排気浄化触媒において生成された二酸化炭素が再循環されると共に該炭化水素の噴射後該二酸化炭素の再循環に要する時間を経過したときに排気浄化触媒への流入排気ガスの空燃比の一時的な低下が引き起こされ、該流入排気ガスの空燃比の一時的な低下に同期して炭化水素供給弁から炭化水素の噴射を行うときの炭化水素の噴射周期は、機関の運転状態に基づき算出されるか、又は機関の運転状態に対応して予め記憶されており、炭化水素供給弁から上記予め定められた範囲内の周期でもって炭化水素を噴射するときに、該算出された又は記憶されている炭化水素の噴射周期でもって該流入排気ガスの空燃比の一時的な低下に同期して炭化水素供給弁から炭化水素を噴射する内燃機関の排気浄化装置。
炭化水素の噴射後、該炭化水素の噴射により排気浄化触媒への流入排気ガスの空燃比の一時的な低下が最初に引き起こされたときに、該最初の空燃比の一時的な低下に同期して炭化水素供給弁からの次の炭化水素の噴射作用が行われる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
流入排気ガスの空燃比の一時的な低下に同期して炭化水素供給弁から炭化水素が噴射される場合には、同一の機関運転状態のもとで流入排気ガスの空燃比の一時的な低下が生じていないときに炭化水素が噴射される場合に比べて少量の炭化水素が炭化水素供給弁から噴射される請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
流入排気ガスの空燃比の一時的な低下に同期して炭化水素供給弁から炭化水素の噴射を行うときの炭化水素の噴射周期は、燃焼室内への燃料噴射量が増大するほど短くなりかつ機関回転数が高くなるほど短くなるように機関の運転状態に応じて制御される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
流入排気ガスの空燃比の一時的な低下に同期して炭化水素供給弁から炭化水素の噴射を行うときの炭化水素の噴射周期は、排気ガスの再循環率と吸入空気量から算出される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
ベース空燃比が最も高くなる機関高速低負荷運転領域において、流入排気ガスの空燃比の一時的な低下に同期した炭化水素供給弁からの炭化水素の噴射作用が行われる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
排気浄化触媒からＳＯ_ｘを放出すべきときに、ベース空燃比が最も高くなる機関高速低負荷運転領域において、流入排気ガスの空燃比の一時的な低下に同期した炭化水素供給弁からの炭化水素の噴射作用が行われる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
流入排気ガスの空燃比の一時的な低下に同期して炭化水素供給弁から炭化水素が噴射されたときには、排気ガスの再循環率が低下せしめられるか、或いは燃焼室内への燃料噴射時期が早められる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。