JP5748004B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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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、排気ガスの空燃比がリーンのときにはNOxを吸蔵し、排気ガスの空燃比がリッチにされると吸蔵したNOxを放出するNOx吸蔵触媒を配置すると共にNOx吸蔵触媒上流の機関排気通路内に炭化水素供給弁を配置し、NOx吸蔵触媒からＳOxを放出すべきときにはNOx吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比を間欠的にリッチにし、NOx吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするためのリッチ制御として、気筒内においてリッチ空燃比の燃焼ガスを生成させる筒内リッチ制御と炭化水素供給弁から炭化水素を供給することによって排気ガスの空燃比をリッチにする排気リッチ制御とを用いた内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。
ところで、NOx吸蔵触媒からＳOxを放出すべきときには、NOx吸蔵触媒の温度を６００℃以上のＳOx放出温度に維持した状態でもってNOx吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比を間欠的にリッチにする必要がある。この場合、NOx吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするためのリッチ制御として筒内リッチ制御が用いられると、NOx吸蔵触媒に流入する排気ガス中の酸素濃度が低下するために酸化反応が弱められ、従ってNOx吸蔵触媒の温度が低下する。これに対し、排気リッチ制御が用いられると、機関からは多量の酸素が排出され、供給された炭化水素がこれら多量の酸素と反応するためにNOx吸蔵触媒の温度が上昇する。従って、この内燃機関では、NOx吸蔵触媒の温度が低下したときには排気リッチ制御を用い、NOx吸蔵触媒の温度が上昇したときには筒内リッチ制御を用いることによって、NOx吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比を間欠的にリッチにしつつNOx吸蔵触媒の温度をＳOx放出温度に維持するようにしている。
特開２０１０−１９０９２Ａ
ところで、筒内リッチ制御は燃焼室内に追加の燃料を供給することによって行われ、このときに機関の出力トルクが変動しないように調整されているが、実際には筒内リッチ制御が行われると機関の出力トルクが変動する。このように機関の出力トルクが変動したとしても、車両が高速で走行しているときや、変速機のギア位置が高速側ギア位置にあるとき、即ち変速機の変速比が小さいときには、路面から受ける振動や周囲の騒音によって、機関の出力トルクの変動が掻き消され、従って機関の出力トルクの変動が搭乗者に不快感を与えることはない。これに対し、車両が低速で走行しているときや、変速機のギア位置が低速側ギア位置にあるとき、即ち変速機の変速比が大きいときには、路面から受ける振動や周囲の騒音が低くなるために、機関の出力トルクの変動は掻き消されることなく搭乗者に伝達され、従って機関の出力トルクの変動が搭乗者に不快感を与えることになる。
本発明の目的は、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしたときに搭乗者に不快感を与えることのない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NOｘ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NOｘの吸蔵量が増大する性質を有している内燃機関の排気浄化装置において、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするためのリッチ制御として、気筒内においてリッチ空燃比の燃焼ガスを生成させる筒内リッチ制御と炭化水素供給弁から炭化水素を供給することによって排気ガスの空燃比をリッチにする排気リッチ制御とを用いることができ、機関の運転状態が筒内リッチ制御の可能な予め定められた機関の運転領域であるか否かが判別されると共に機関の運転状態が筒内リッチ制御の可能な予め定められた機関の運転領域であると判別されたときには筒内リッチ制御が可能であるとされ、機関の運転状態が排気リッチ制御の可能な予め定められた機関の運転領域であるか否かが判別されると共に機関の運転状態が排気リッチ制御の可能な予め定められた機関の運転領域であると判別されたときには排気リッチ制御が可能であるとされ、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、車両の速度が予め定められた速度よりも低いときには、排気リッチ制御が可能であれば排気リッチ制御が行われ、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、車両の速度が予め定められた速度よりも大きいときには、筒内リッチ制御が可能であれば筒内リッチ制御が行われる内燃機関の排気浄化装置が提供される。
更に、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NOｘ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NOｘの吸蔵量が増大する性質を有している内燃機関の排気浄化装置において、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするためのリッチ制御として、気筒内においてリッチ空燃比の燃焼ガスを生成させる筒内リッチ制御と炭化水素供給弁から炭化水素を供給することによって排気ガスの空燃比をリッチにする排気リッチ制御とを用いることができ、機関の運転状態が筒内リッチ制御の可能な予め定められた機関の運転領域であるか否かが判別されると共に機関の運転状態が筒内リッチ制御の可能な予め定められた機関の運転領域であると判別されたときには筒内リッチ制御が可能であるとされ、機関の運転状態が排気リッチ制御の可能な予め定められた機関の運転領域であるか否かが判別されると共に機関の運転状態が排気リッチ制御の可能な予め定められた機関の運転領域であると判別されたときには排気リッチ制御が可能であるとされ、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、変速機の変速比が予め定められた変速比よりも大きいときには、排気リッチ制御が可能であれば排気リッチ制御が行われ、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、変速機の変速比が予め定められた変速比よりも小さいときには、筒内リッチ制御が可能であれば筒内リッチ制御が行われる内燃機関の排気浄化装置が提供される。
本発明では、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、車両の速度が予め定められた速度よりも低いときか、又は変速機の変速比が予め定められた変速比よりも大きいときには、排気リッチ制御が行われる。この排気リッチ制御は機関の出力トルクの変動を生じさせることがなく、従ってこのとき搭乗者に不快感を与えることがなくなる。
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NOx浄化率Ｒ１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NOx浄化率Ｒ２を示す図である。 図１０は炭化水素の噴射周期ΔＴとNOx浄化率Ｒ１との関係を示す図である。 図１１Ａおよび１１Ｂは炭化水素の噴射量等を示すマップである。 図１２はNOx放出制御を示す図である。 図１３は排出NOx量NOXAのマップを示す図である。 図１４は燃料噴射時期を示す図である。 図１５は追加の燃料量WRのマップを示す図である。 図１６はNOx浄化率Ｒ１およびＲ２を示す図である。 図１７は変速機の各ギア位置の領域を示す図である。 図１８はNOx浄化制御のタイムチャートを示す図である。 図１９はNOx浄化制御のタイムチャートを示す図である。 図２０は排気浄化を行うためのフローチャートである。 図２１はリッチ制御方法の判別を行うためのフローチャートである。 図２２はリッチ制御方法の判別を行うためのフローチャートである。 図２３はリッチ制御方法の判別を行うためのフローチャートである。 図２４Ａおよび２４Ｂは夫々筒内リッチ制御および排気リッチ制御が可能な機関運転領域を示す図である。
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内にはアクチュエータにより駆動されるスロットル弁10が配置され、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を介して排気浄化触媒13の入口に連結される。本発明による実施例では、この排気浄化触媒13はNOx吸蔵触媒からなる。排気浄化触媒13の出口はパティキュレートフィルタ14に連結され、排気浄化触媒13上流の排気管12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、EGR通路16内には電子制御式EGR制御弁17が配置される。また、EGR通路16の周りにはEGR通路16内を流れるEGRガスを冷却するための冷却装置18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18内に導かれ、機関冷却水によってEGRガスが冷却される。各燃料噴射弁３は燃料供給管19を介してコモンレール20に連結され、このコモンレール20は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ21を介して燃料タンク22に連結される。燃料タンク22内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ21によってコモンレール20内に供給され、コモンレール20内に供給された燃料は各燃料供給管19を介して燃料噴射弁３に供給される。また、図１に示されるように機関本体１には自動変速機25が取り付けられている。この自動変速機25は有段変速機から構成することもできるし、無断変速機から構成することもできる。
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の上流には排気浄化触媒13に流入する排気ガスの温度を検出するための温度センサ23が配置されており、排気浄化触媒13の下流には排気浄化触媒13から流出した排気ガスの温度を検出するための温度センサ24が配置されている。これら温度センサ23、24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の駆動用アクチュエータ、炭化水素供給弁15、EGR制御弁17および燃料ポンプ21に接続される。また、自動変速機25は一方では対応するAD変換器37を介して入力ポート35に接続されており、他方では対応する駆動回路38を介して出力ポート36に接続されている。
図２は、図１に示される排気浄化触媒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上には白金Ptからなる貴金属触媒51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NOx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。また、排気浄化触媒13の触媒担体50上には白金Ptに加えてロジウムRh或いはパラジウムPdを担持させることができる。なお、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。
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NOx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は貴金属触媒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を周期的にリッチにしたときの排気浄化触媒13によるNOx浄化率Ｒ１を排気浄化触媒13の各触媒温度TCに対して示している。さて、長期間に亘るNOx浄化に関する研究の結果、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350℃以上の高温領域においても極めて高いNOx浄化率Ｒ１が得られることが判明している。
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NOx浄化率Ｒ１を得る上で中心的役割を果していることが判明している。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への流入排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inがリッチにされたとき、即ち排気浄化触媒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NOx *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て排気浄化触媒13への流入排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inがリッチに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NOx *周りの炭化水素濃度が高くなる。ところで活性NOx *が生成された後、活性NOx *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NOx *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NOx *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NOx *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NOxや活性NOx *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NOx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NOxや活性NOx *や酸素と反応し、或いは自己分解し、それによりNOxが浄化される。即ち、排気浄化触媒13によりNOx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NOxや活性NOx *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NOxや活性NOx *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NOx *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NOx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、即ち炭化水素供給弁15からの炭化水素HCの噴射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NOx *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NOx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NOx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NOx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NOx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NOx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NOx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NOxを一時的に吸蔵するためのNOx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NOxを吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸蔵したNOxを放出するNOx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NOx吸蔵触媒として機能させたときのNOx浄化率Ｒ２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をこのようにNOx吸蔵触媒として機能させた場合には図９において実線で示されるように触媒温度TCが250℃から300℃のときには極めて高いNOx浄化率が得られるが触媒温度TCが350℃以上の高温になるとNOx浄化率Ｒ２が低下する。
このように触媒温度TCが350℃以上になるとNOx浄化率Ｒ２が低下するのは、触媒温度TCが350℃以上になるとNOxが吸蔵されづらくなり、かつ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、NOx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NOx浄化率Ｒ２を得るのは困難である。しかしながら図４から図６Ｂに示される新たなNOx浄化方法では、硝酸塩の形で吸蔵されるNOx量は少なく、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NOx浄化率Ｒ１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NOx浄化方法を用いてNOｘ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が担持されていると共に貴金属触媒51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NOx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NOx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範囲内の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NOx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６Ｂに示されるNOx浄化方法は、貴金属触媒を担持しかつNOx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、さほど硝酸塩を形成することなくNOxを浄化するようにした新たなNOx浄化方法であると言うことができる。実際、この新たなNOx浄化方法を用いた場合には排気浄化触媒13をNOx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少量である。なお、この新たなNOx浄化方法を以下、第１のNOx浄化方法と称する。
さて、前述したように、炭化水素供給弁15からの炭化水素の噴射周期ΔＴが長くなると炭化水素が噴射された後、次に炭化水素が噴射される間において、活性NOx *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、炭化水素の噴射周期ΔＴが５秒程度よりも長くなると活性NOx *が硝酸塩の形で塩基性層53内に吸収され始め、従って図１０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NOx浄化率Ｒ１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、炭化水素の噴射周期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、炭化水素の噴射周期ΔＴがほぼ0.3秒以下になると噴射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１０に示されるように炭化水素の噴射周期ΔＴがほぼ0.3秒以下になるとNOx浄化率Ｒ１が低下する。そこで本発明による実施例では、炭化水素の噴射周期が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、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には、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排気浄化触媒13への流入排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inおよび噴射周期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、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１１Ａ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、このときの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１１Ｂに示すようなマップの形で予めROM32内に記憶されている。
次に図１２から図１５を参照しつつ排気浄化触媒13をNOx吸蔵触媒として機能させた場合のNOx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NOx吸蔵触媒として機能させた場合のNOx浄化方法を以下、第２のNOx浄化方法と称する。
この第２のNOx浄化方法では図１２に示されるように塩基性層53に吸蔵された吸蔵NOx量ΣNOXが予め定められた第１の許容量MAX１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NOx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NOxが浄化される。
吸蔵NOx量ΣNOXは例えば機関から排出されるNOx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NOx量NOXA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１３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NOx量NOXAから吸蔵NOx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NOx浄化方法では図１４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１４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１５に示すようなマップの形で予めROM32内に記憶されている。このように、第２のNOx浄化方法が行われている場合において、排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときには、燃焼室２内に追加の燃料ＷＲを供給することによって燃焼室２から排出される排気ガスの空燃比がリッチにされる。
ところでこの場合、上述したように、燃焼室２内に供給された追加の燃料ＷＲは燃焼室２内において燃焼せしめられ、従って燃焼室２内にはこのときリッチ空燃比の燃焼ガスが生成されることになる。本発明では、このように気筒内においてリッチ空燃比の燃焼ガスを生成させ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をリッチにするようにしたリッチ制御を筒内リッチ制御と称する。一方、炭化水素供給弁15から排気ガス中に炭化水素を供給することによっても排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることもできる。本発明では、このように炭化水素供給弁15から炭化水素を供給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をリッチにするようにしたリッチ制御を排気リッチ制御と称する。本発明による実施例では、排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするためのリッチ制御として、気筒内においてリッチ空燃比の燃焼ガスを生成させる筒内リッチ制御と炭化水素供給弁15から炭化水素を供給することによって排気ガスの空燃比をリッチにする排気リッチ制御とが選択的に用いられている。
図１６には、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NOx浄化率Ｒ１と第２のNOx浄化方法によるNOx浄化作用が行われているときのNOx浄化率Ｒ２とが一緒に示されている。なお、図１６において、Ｔｍは、NOx浄化率Ｒ１とNOx浄化率Ｒ２とが等しくなるときの排気浄化触媒13の温度TCを示している。本発明による実施例では、触媒温度TCがＴｍよりも低いときには、高い方のNOx浄化率Ｒ２が得られる第２のNOx浄化方法によるNOx浄化作用が行われ、触媒温度TCがＴｍよりも高いときには、高い方のNOx浄化率Ｒ１が得られる第１のNOx浄化方法によるNOx浄化作用が行われる。
ところで、前述したように、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でも、排気浄化触媒13には、少量ではあるがNOxが吸蔵される。この場合、NOxの吸蔵量が増大すると、排気浄化触媒13の排気ガス流通表面部分54の塩基性が弱まり、還元性中間体を良好に生成し保持することができなくなる。その結果、NOx浄化率Ｒ１が低下することになる。従って、第１のNOx浄化方法によるNOx浄化作用が行われている場合においてNOxの吸蔵量が増大したときには排気浄化触媒13からNOxを放出させる必要がある。この場合、排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすれば、排気浄化触媒13からNOxを放出させることができる。そこで本発明による実施例では、排気浄化触媒13に吸蔵されているNOx吸蔵量が第１の許容値ＭＡＸ１よりも小さい予め定められた第２の許容値ＭＡＸ２を超えたときには、排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比をリッチにして排気浄化触媒13からNOxを放出させるようにしている。
一方、排気浄化触媒13には、NOxに加えて、排気ガス中に含まれているＳOxが吸蔵される。この場合、排気浄化触媒13へのＳOxの吸蔵量が増大するとNOx浄化率Ｒ１およびNOx浄化率Ｒ２が共に低下する。即ち、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には、ＳOxの吸蔵量が増大した場合でも排気浄化触媒13の排気ガス流通表面部分54の塩基性が弱まり、還元性中間体を良好に生成し保持することができなくなる。その結果、NOx浄化率Ｒ１が低下することになる。一方、第２のNOx浄化方法によるNOx浄化作用が行われている場合には、ＳOxの吸蔵量が増大すると排気浄化触媒13が吸蔵し得るNOx量が減少する。その結果、NOx浄化率Ｒ２が低下することになる。従って、第１のNOx浄化方法によるNOx浄化作用が行われている場合でも、第２のNOx浄化方法によるNOx浄化作用が行われている場合でも、ＳOxの吸蔵量が増大したときには排気浄化触媒13からＳOxを放出させる必要がある。
なお、排気浄化触媒13の温度TCを６００℃以上のＳOx放出温度まで上昇させ、排気浄化触媒13の温度TCを６００℃以上のＳOx放出温度に維持した状態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リッチにすると、排気浄化触媒13からＳOxを放出させることができる。そこで本発明による実施例では、排気浄化触媒13に吸蔵されているＳOx吸蔵量が予め定められた許容値ＳＭＡＸを超えたときには、排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比を間欠的にリッチにして排気浄化触媒13の温度TCをＳOx放出温度まで上昇させるようにしている。なお、燃料内には一定の割合でもって硫黄が含まれており、従って本発明による実施例では、排気浄化触媒13に吸蔵されているＳOx吸蔵量は、供給される燃料量の積算値から算出される。
さて、本発明による実施例では、排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするときには、気筒内においてリッチ空燃比の燃焼ガスを生成させる筒内リッチ制御と炭化水素供給弁15から炭化水素を供給することによって排気ガスの空燃比をリッチにする排気リッチ制御とのいずれも用いることができる。ところで、筒内リッチ制御では追加の燃焼させることによって空燃比がリッチにされるので、筒内リッチ制御が行われたときに機関から排出される排気ガス中にはＣＯや軽質のＨＣのような還元性の強い還元成分が多量に含まれている。排気ガス中にこのような還元性の強い還元成分が含まれていると、排気浄化触媒13からはNOxやSOxが良好に放出され、これらNOxやSOxは良好に還元される。従って、排気浄化触媒13からNOxやSOxを放出させるときには、通常、筒内リッチ制御が用いられる。
ところで、この筒内リッチ制御は前述したように、燃焼室２内に追加の燃料を供給することによって行われ、このときに機関の出力トルクが変動しないように主噴射の噴射時期やEGRガス量が調整されている。しかしながら、筒内リッチ制御が行われたときに機関の出力トルクが変動しないように調整されていても、このとき実際には機関の出力トルクが変動する。この場合、機関の出力トルクが変動したとしても、車両が高速で走行しているときや、変速機25のギア位置が高速側ギア位置にあるとき、即ち変速機の変速比が小さいときには、路面から受ける振動や周囲の騒音によって、機関の出力トルクの変動が掻き消され、従って機関の出力トルクの変動が搭乗者に不快感を与えることはない。
これに対し、車両が低速で走行しているときや、変速機のギア位置が低速側ギア位置にあるとき、即ち変速機の変速比が予め定められた変速比よりも大きいときには、路面から受ける振動や周囲の騒音が低くなる。従って、このとき筒内リッチ制御が行われて機関の出力トルクが変動すると、機関の出力トルクの変動は掻き消されることなく搭乗者に伝達され、従って機関の出力トルクの変動が搭乗者に不快感を与えることになる。なお、この場合、搭乗者に不快感を与えることがあるか否かの境となる上述の予め定められた変速比は実験等により予め求められている。そこで、本発明では、排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしたときに搭乗者に不快感を与えることのないように、排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、車両の速度が予め定められた速度よりも低いときには、又は変速機の変速比が予め定められた変速比よりも大きいとき、例えば変速機25のギア位置が予め定められた低速側ギア位置にあるときには、排気リッチ制御が可能であれば、筒内リッチ制御に代えて排気リッチ制御を行うようにしている。
さて、本発明では、上述したように、排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、車両の速度が予め定められた速度よりも低いときには、搭乗者に不快感を与えることのないように、排気リッチ制御が可能であれば、筒内リッチ制御に代えて排気リッチ制御が行われる。この場合、本発明による実施例では、排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、車両の速度が予め定められた速度、例えば時速３０Ｋｍよりも低いときには、排気リッチ制御が可能であれば、筒内リッチ制御に代えて排気リッチ制御が行われる。
一方、本発明では、上述したように、排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、変速機の変速比が予め定められた変速比よりも大きいときには、搭乗者に不快感を与えることのないように、排気リッチ制御が可能であれば、筒内リッチ制御に代えて排気リッチ制御が行われる。次に、このことについてもう少し具体的に説明する。図１７は、自動変速機25として有段変速機を用いたときの、アクセルペダル40の踏込み量Ｌと車速から定まる変速機25の各ギア位置の領域の一つの例を示している。なお、図１７において、S１は変速機25のギア位置が第１速位置、即ちロー位置である領域を示しており、S２は変速機25のギア位置が第２速位置、即ちセカンド位置である領域を示しており、S３は変速機25のギア位置が第３速位置、即ちサード位置である領域を示しており、S４は変速機25のギア位置が第４速位置、即ちトップ位置である領域を示している。なお、この場合、変速機25の変速比は第１速位置S1が最も大きく、第２速位置S2,第３速位置S3、第４速位置S4の順で次第に小さくなる。
この場合、本発明による一実施例では、排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、変速機25のギア位置が予め定められた低速側ギア位置、例えば第１速位置又は第２速位置にあるときには、変速機25の変速比が上述の予め定められた変速比よりも大きい状態にあるとされる。即ち、この例では、排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、変速機25のギア位置が第１速位置又は第２速位置にあるときには、排気リッチ制御が可能であれば、筒内リッチ制御に代えて排気リッチ制御が行われる。
一方、自動変速機25として無段変速機を用いたときの変速比は機関の運転状態に応じて予め定められている。従って、自動変速機25として無段変速機が用いられたときには、排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、変速機25の変速比が予め定められた変速比よりも大きいときには、排気リッチ制御が可能であれば、筒内リッチ制御に代えて排気リッチ制御が行われる。
なお、車両が低速で走行しておりかつ変速機25の変速比が予め定められた変速比よりも大きいときには、路面から受ける振動や周囲の騒音が最も低くなり、従ってこのとき筒内リッチ制御が行われて機関の出力トルクが変動したときに、搭乗者に最も不快感を与える。従って、本発明による実施例では、排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、車両の速度が予め定められた速度よりも低くかつ変速機25の変速比が予め定められた変速比よりも大きいときには、排気リッチ制御が可能であれば、筒内リッチ制御に代えて排気リッチ制御が行われる。
なお、炭化水素供給弁15から供給される炭化水素は重質やであるので、炭化水素が供給されたときの排気浄化触媒13の温度が低いとNOxやSOxを良好に還元されず、この場合、NOxやSOxを排気浄化触媒13から良好に放出させかつ還元させるためには、排気浄化触媒13の温度が十分に高いときに炭化水素供給弁15から炭化水素を供給することが必要となる。このようにNOxやSOxを排気浄化触媒13から良好に放出させかつ還元させることのできる排気浄化触媒13の温度を活性温度と称し、本発明による実施例では、排気浄化触媒13の温度がこの活性温度よりも高いときに限って、筒内リッチ制御に代えて排気リッチ制御が行われる。
従って、本発明による実施例では、排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、車両の速度が予め定められた速度よりも低くかつ変速機25の変速比が予め定められた変速比よりも大きくかつ排気浄化触媒13の温度が予め定められた活性温度よりも高いときには、排気リッチ制御が可能であれば排気リッチ制御が行われる。本発明による実施例では、この活性温度は図１６における温度Ｔｍとされている。
なお、この場合、本発明による実施例では、排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、車両の速度が予め定められた速度よりも高いか、又は変速機25の変速比が予め定められた変速比よりも小さいか、又は排気浄化触媒の温度が予め定められた活性温度よりも低いときには、筒内リッチ制御が可能であれば筒内リッチ制御が行われる。
図１８および１９は、NOx浄化制御のタイムチャートを示している。これら図１８および１９には、燃料噴射弁３からの追加燃料量ＷＲと、炭化水素供給弁15からの炭化水素量ＷＴ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への吸蔵NOx量ΣNOXの変化と、排気浄化触媒13への吸蔵SOx量ΣSOXの変化とが示されている。また、図１８および１９には、吸蔵NOx量に対する第１の許容値ＭＡＸ１および第２の許容値ＭＡＸ２と、吸蔵ＳOx量に対する許容値ＳＭＡＸとが示されている。なお、図１８は、排気浄化触媒13からNOxやSOxを放出させるときに筒内リッチ制御を用いて排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするようにした場合を示しており、図１９は、排気浄化触媒13からNOxやSOxを放出させるときに、搭乗者に不快感を与えることのないように、排気リッチ制御を用いて排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするようにした場合を示している。
さて、前述したように、排気浄化触媒13の温度TCが図１６に示されるＴｍを超えると、第２のNOx浄化方法によるNOx浄化作用から第１のNOx浄化方法によるNOx浄化作用に切り替えられる。図１８に示されるように、第２のNOx浄化方法によるNOx浄化作用が行われているときに吸蔵NOx量ΣNOXが第１の許容値ＭＡＸ１を超えると、筒内リッチ制御により排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inがリッチにされ、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には炭化水素供給弁15から炭化水素を周期的に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が周期的にリッチにされる。これは、図１９に示される場合も同様である。
一方、図１８に示される場合には、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に吸蔵NOx量ΣNOXが第２の許容値ＭＡＸ２を超えると、筒内リッチ制御により排気浄化触媒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。また、図１８に示される場合には、排気浄化触媒13に吸蔵されている吸蔵SOx量ΣSOXが許容値ＳＭＡＸを超えると、筒内リッチ制御により排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inが間欠的にリッチにされる。
これに対し、図１９に示される場合には、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に吸蔵NOx量ΣNOXが第２の許容値ＭＡＸ２を超えると、排気リッチ制御により排気浄化触媒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。また、図１９に示される場合には、排気浄化触媒13に吸蔵されている吸蔵SOx量ΣSOXが許容値ＳＭＡＸを超えると、排気リッチ制御により排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inが間欠的にリッチにされる。
図２０は排気浄化制御ルーチンを示しており、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２０を参照するとまず初めにステップ60において、燃料噴射量Ｑに一定値Ｃを乗算した値をΣSOXに加算することによって排気浄化触媒13に吸蔵されている吸蔵ＳOx量ΣSOXが算出される。次いで、ステップ61ではSOxの放出制御が行われているか否かが判別される。ＳOxの放出制御が行われていないときにはステップ62に進んで吸蔵SOx量ΣSOXが許容値ＳＭＡＸを超えたか否かが判別される。吸蔵SOx量ΣSOXが許容値ＳＭＡＸを超えていないときにはステップ63に進んで、図１３に示すマップから単位時間当りの排出NOｘ量NOXAが算出される。次いでステップ64ではΣNOXに排出NOｘ量NOXAを加算することによって吸蔵NOｘ量ΣNOXが算出される。
次いで、ステップ65では、温度センサ23、24の検出値に基づいて算出された排気浄化触媒13の温度TCが図１６に示される触媒温度Ｔｍよりも高いか否かが判別される。触媒温度TCが温度Ｔｍよりも低いときには第２のNOx浄化方法によるNOｘ浄化作用を行うべきであると判別され、ステップ66に進んで第２のNOｘ浄化方法によるNOｘ浄化作用が行われる。即ち、ステップ66では吸蔵NOｘ量ΣNOXが第１の許容値ＭＡＸ１を越えたか否かが判別される。ΣNOX＞MAX１になるとステップ67に進んで図１５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。即ち、筒内リッチ制御が行われる。このとき、排気浄化触媒13に吸蔵されているNOxが放出される。次いで、ステップ68ではΣNOXがクリアされる。
一方、ステップ65において、算出された触媒温度TCが図１６に示される触媒温度Ｔｍよりも高いと判別されたときには第１のNOx浄化方法によるNOx浄化作用を行うべきであると判断され、ステップ69に進んで第１のNOx浄化方法によるNOx浄化作用が行われる。即ち、図１１Ａから炭化水素の噴射量ＷＴが算出され、図１１Ｂから炭化水素の噴射周期ΔＴが算出され、これら算出された噴射周期ΔＴおよび噴射量ＷＴに基づいて炭化水素供給弁15から炭化水素が噴射される。次いで、ステップ70では、ΣNOXに単位時間当たり吸蔵される吸蔵NOｘ量NOXBを加算することによって吸蔵NOｘ量ΣNOXが算出される。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に単位時間当り吸蔵されるこの吸蔵NOｘ量NOXBは、図１３に示すようなマップの形で予め記憶されている。
次いで、ステップ71では、吸蔵NOｘ量ΣNOXが第２の許容値ＭＡＸ２を越えたか否かが判別される。ΣNOX＞MAX２になるとステップ72に進んで、排気リッチ制御をすべきか又は筒内リッチ制御をすべきかの判定、即ち図２１に示されるリッチ制御方法の判定が行われる。なお、この図２１はリッチ制御方法の判定の第１の実施例を示している。
図２１を参照すると、この第１の実施例では、まず初めにステップ80において、車両の速度が予め定められた速度ＶＸ、例えば時速３０Ｋｍよりも低いか否かが判別される。車両の速度が予め定められた速度ＶＸよりも低いときにはステップ81に進んで、排気浄化触媒13の温度が予め定められた活性温度Ｔｍよりも高いか否かが判別される。排気浄化触媒13の温度が予め定められた活性温度Ｔｍよりも高いと判別されたときにはステップ82に進んで機関の運転状態が排気リッチ制御の可能な運転領域であるか否かが判別される。このときに排気リッチ制御が可能な運転領域が、図２４Ｂにおいてハッチングで示されている。図２４Ｂに示されるように、この筒内リッチ制御が可能な運転領域は燃料噴射量Ｑと機関回転数Ｎから定まる。ステップ82において、機関の運転状態が、排気リッチ制御の可能な運転領域にあると判断されたときには、ステップ83に進んで排気リッチ制御を行うべきであると判定される。
一方、ステップ80において車両の速度が予め定められた速度ＶＸよりも高いと判別されたとき、又はステップ81において排気浄化触媒13の温度が予め定められた活性温度よりも低いと判別されたときにはステップ84に進んで機関の運転状態が筒内リッチ制御の可能な運転領域であるか否かが判別される。このときに筒内リッチ制御が可能な運転領域が、図２４Ａにおいてハッチングで示されている。図２４Ａに示されるように、この筒内リッチ制御が可能な運転領域は燃料噴射量Ｑと機関回転数Ｎから定まる。
ステップ84において、機関の運転状態が、筒内リッチ制御の可能な運転領域にあると判断されたときには、ステップ85に進んで筒内リッチ制御を行うべきであると判定される。一方、ステップ82において、機関の運転状態が、排気リッチ制御の可能な運転領域にないと判別されたとき、或いはステップ84において、機関の運転状態が、筒内リッチ制御の可能な運転領域にないと判別されたときには、ステップ86に進んで排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするリッチ制御が禁止される。
再び、図２０に戻ると、ステップ73ではステップ72におけるリッチ制御方法の判定に従って排気浄化触媒13からのNOxの放出処理が行われる。即ち、排気リッチ制御を行うべきであると判定されたときには排気リッチ制御により排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比がリッチにされ、筒内リッチ制御を行うべきであると判定されたときには筒内リッチ制御により排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比がリッチにされ、リッチ制御が禁止されたときには排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするリッチ制御は行われない。
一方、ステップ62において、吸蔵SOx量ΣSOXが許容値ＳＭＡＸを超えたと判別されたときにはステップ74に進んで、図２１に示されるリッチ制御方法の判定が行われる。リッチ制御方法の判定が完了するとステップ75に進む。次の処理サイクルではステップ61からステップ75にジャンプする。ステップ75ではステップ74におけるリッチ制御方法の判定に従って排気浄化触媒13からのSOxの放出処理が行われる。即ち、排気リッチ制御を行うべきであると判定されたときには排気リッチ制御により排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比がリッチにされ、筒内リッチ制御を行うべきであると判定されたときには筒内リッチ制御により排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比がリッチにされ、リッチ制御が禁止されたときには排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするリッチ制御は行われない。
図２２は、図２０のステップ72およびステップ74において行われるリッチ制御方法の判定の第２の実施例を示している。
即ち、図２２を参照すると、この第２の実施例では、まず初めにステップ90において、変速機25の変速比が予め定められた変速比ＲＸよりも大きいか否かが判別される。変速機25の変速比が予め定められた変速比ＲＸよりも大きいときにはステップ91に進んで、排気浄化触媒13の温度が予め定められた活性温度Ｔｍよりも高いか否かが判別される。排気浄化触媒13の温度が予め定められた活性温度Ｔｍよりも高いと判別されたときにはステップ92に進んで機関の運転状態が、図２４Ｂにおいてハッチングで示されている排気リッチ制御の可能な運転領域であるか否かが判別される。機関の運転状態が、排気リッチ制御の可能な運転領域にあると判断されたときには、ステップ93に進んで排気リッチ制御を行うべきであると判定される。
一方、ステップ90において変速機25の変速比が予め定められた変速比ＲＸよりも小さいと判別されたとき、或いはステップ91において排気浄化触媒13の温度が予め定められた活性温度よりも低いと判別されたときにはステップ94に進んで機関の運転状態が、図２４Ａにおいてハッチングで示されている筒内リッチ制御の可能な運転領域であるか否かが判別される。機関の運転状態が、筒内リッチ制御の可能な運転領域にあると判断されたときには、ステップ95に進んで筒内リッチ制御を行うべきであると判定される。一方、ステップ92において、機関の運転状態が、排気リッチ制御の可能な運転領域にないと判別されたとき、或いはステップ94において、機関の運転状態が、筒内リッチ制御の可能な運転領域にないと判別されたときには、ステップ96に進んで排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするリッチ制御が禁止される。
図２３は、図２０のステップ72およびステップ74において行われるリッチ制御方法の判定の第３の実施例を示している。
即ち、図２３を参照すると、この第３の実施例では、まず初めにステップ100において、車両の速度が予め定められた速度ＶＸ、例えば時速３０Ｋｍよりも低いか否かが判別される。車両の速度が予め定められた速度ＶＸよりも低いときにはステップ101に進んで、変速機25の変速比が予め定められた変速比ＲＸよりも大きいか否かが判別される。変速機25の変速比が予め定められた変速比ＲＸよりも大きいときにはステップ102に進んで、排気浄化触媒13の温度が予め定められた活性温度Ｔｍよりも高いか否かが判別される。ステップ102において、排気浄化触媒13の温度が予め定められた活性温度Ｔｍよりも高いと判別されたときにはステップ103に進んで機関の運転状態が、図２４Ｂにおいてハッチングで示されている排気リッチ制御の可能な運転領域であるか否かが判別される。機関の運転状態が、排気リッチ制御の可能な運転領域にあると判断されたときには、ステップ104に進んで排気リッチ制御を行うべきであると判定される。
一方、ステップ100において車両の速度が予め定められた速度ＶＸよりも高いと判別されたとき、或いはステップ101において変速機25の変速比が予め定められた変速比ＲＸよりも小さいと判別されたとき、或いはステップ102において排気浄化触媒13の温度が予め定められた活性温度よりも低いと判別されたときにはステップ105に進んで機関の運転状態が、図２４Ａにおいてハッチングで示されている筒内リッチ制御の可能な運転領域であるか否かが判別される。機関の運転状態が、筒内リッチ制御の可能な運転領域にあると判断されたときには、ステップ106に進んで筒内リッチ制御を行うべきであると判定される。一方、ステップ103において、機関の運転状態が、排気リッチ制御の可能な運転領域にないと判別されたとき、或いはステップ105において、機関の運転状態が、筒内リッチ制御の可能な運転領域にないと判別されたときには、ステップ107に進んで排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするリッチ制御が禁止される。
一方、これまでの説明からわかるように、本発明による実施例では、炭化水素供給弁15から予め定められた範囲の周期でもって炭化水素を噴射することにより排気ガス中に含まれるNOxを浄化する第１のNOx浄化方法と、排気浄化触媒13に吸蔵されたNOxが予め定められた第１の許容値ＭＡＸ１を超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をリッチにして排気浄化触媒13から吸蔵NOxを放出させる第２のNOx浄化方法とが選択的に用いられており、排気浄化触媒13の温度が予め定められた設定温度Ｔmよりも高いときには第１のNOx浄化方法によるNOx浄化作用が行われ、排気浄化触媒13の温度が予め定められた設定温度Ｔｍよりも低いときには第２のNOx浄化方法によるNOx浄化作用が行われる。また、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であって排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、車両の速度が予め定められた速度ＶＸよりも低いとき、又は変速機25の変速比が予め定められた変速比ＲＸよりも大きいときには、排気リッチ制御が可能であれば排気リッチ制御が行われる。
なお、本発明による実施例では、図２０に示される排気浄化ルーチンからわかるように、第２のNOx浄化方法によるNOx浄化作用が行われているときであって排気浄化触媒13に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときには、筒内リッチ制御が行われる。
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
12 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

Claims (16)

  1. 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NOｘ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NOｘの吸蔵量が増大する性質を有している内燃機関の排気浄化装置において、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするためのリッチ制御として、気筒内においてリッチ空燃比の燃焼ガスを生成させる筒内リッチ制御と炭化水素供給弁から炭化水素を供給することによって排気ガスの空燃比をリッチにする排気リッチ制御とを用いることができ、機関の運転状態が筒内リッチ制御の可能な予め定められた機関の運転領域であるか否かが判別されると共に機関の運転状態が筒内リッチ制御の可能な予め定められた機関の運転領域であると判別されたときには筒内リッチ制御が可能であるとされ、機関の運転状態が排気リッチ制御の可能な予め定められた機関の運転領域であるか否かが判別されると共に機関の運転状態が排気リッチ制御の可能な予め定められた機関の運転領域であると判別されたときには排気リッチ制御が可能であるとされ、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、車両の速度が予め定められた速度よりも低いときには、排気リッチ制御が可能であれば排気リッチ制御が行われ、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、車両の速度が該予め定められた速度よりも大きいときには、筒内リッチ制御が可能であれば筒内リッチ制御が行われる内燃機関の排気浄化装置。
  2. 排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、車両の速度が該予め定められた速度よりも低くかつ変速機の変速比が予め定められた変速比よりも大きいときには、排気リッチ制御が可能であれば排気リッチ制御が行われる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、車両の速度が該予め定められた速度よりも低くかつ変速機の変速比が予め定められた変速比よりも大きくかつ排気浄化触媒の温度が予め定められた活性温度よりも高いときには、排気リッチ制御が可能であれば排気リッチ制御が行われる請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 排気リッチ制御が可能な排気浄化触媒の温度範囲と機関の運転領域が予め定められており、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、排気浄化触媒の温度と機関の運転状態が夫々、排気リッチ制御の可能な該予め定められた排気浄化触媒の温度範囲および機関の運転領域にあるときに排気リッチ制御が行われる請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、車両の速度が予め定められた速度よりも高いか、又は変速機の変速比が予め定められた変速比よりも小さいか、又は排気浄化触媒の温度が該予め定められた活性温度よりも低いときには、筒内リッチ制御が可能であれば筒内リッチ制御が行われる請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  6. 筒内リッチ制御が可能な排気浄化触媒の温度範囲と機関の運転領域が予め定められており、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、排気浄化触媒の温度と機関の運転状態が夫々、筒内リッチ制御の可能な該予め定められた排気浄化触媒の温度範囲および機関の運転領域にあるときに筒内リッチ制御が行われる請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  7. 変速機が有段変速機から構成されており、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、車両の速度が該予め定められた速度よりも低くかつ変速機のギア位置が予め定められた低速側ギア位置にあるときには、排気リッチ制御が可能であれば排気リッチ制御が行われる請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  8. 該炭化水素供給弁から予め定められた範囲の周期でもって炭化水素を噴射することにより排気ガス中に含まれるNOxを浄化する第１のNOx浄化方法と、排気浄化触媒に吸蔵されたNOxが予め定められた許容値を超えたときに排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにして排気浄化触媒から吸蔵NOxを放出させる第２のNOx浄化方法とが選択的に用いられており、排気浄化触媒の温度が予め定められた設定温度よりも高いときには該第１のNOx浄化方法によるNOx浄化作用が行われ、排気浄化触媒の温度が該予め定められた設定温度よりも低いときには該第２のNOx浄化方法によるNOx浄化作用が行われ、該第１のNOx浄化方法によるNOx浄化作用が行われているときであって排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、車両の速度が予め定められた速度よりも低いときには、排気リッチ制御が可能であれば排気リッチ制御が行われ、該第１のNOx浄化方法によるNOx浄化作用が行われているときであって排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、車両の速度が該予め定められた速度よりも大きいときには、筒内リッチ制御が可能であれば筒内リッチ制御が行われる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  9. 該第２のNOx浄化方法によるNOx浄化作用が行われているときであって排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときには、筒内リッチ制御が行われる請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  10. 排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときとは、排気浄化触媒からNOxを放出すべきとき、又は排気浄化触媒からＳOxを放出すべきときである請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  11. 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NOｘ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NOｘの吸蔵量が増大する性質を有している内燃機関の排気浄化装置において、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするためのリッチ制御として、気筒内においてリッチ空燃比の燃焼ガスを生成させる筒内リッチ制御と炭化水素供給弁から炭化水素を供給することによって排気ガスの空燃比をリッチにする排気リッチ制御とを用いることができ、機関の運転状態が筒内リッチ制御の可能な予め定められた機関の運転領域であるか否かが判別されると共に機関の運転状態が筒内リッチ制御の可能な予め定められた機関の運転領域であると判別されたときには筒内リッチ制御が可能であるとされ、機関の運転状態が排気リッチ制御の可能な予め定められた機関の運転領域であるか否かが判別されると共に機関の運転状態が排気リッチ制御の可能な予め定められた機関の運転領域であると判別されたときには排気リッチ制御が可能であるとされ、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、変速機の変速比が予め定められた変速比よりも大きいときには、排気リッチ制御が可能であれば排気リッチ制御が行われ、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、変速機の変速比が予め定められた変速比よりも小さいときには、筒内リッチ制御が可能であれば筒内リッチ制御が行われる内燃機関の排気浄化装置。
  12. 排気リッチ制御が可能な排気浄化触媒の温度範囲と機関の運転領域が予め定められており、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、排気浄化触媒の温度と機関の運転状態が夫々、排気リッチ制御の可能な該予め定められた排気浄化触媒の温度範囲および機関の運転領域にあるときに排気リッチ制御が行われる請求項１１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  13. 筒内リッチ制御が可能な排気浄化触媒の温度範囲と機関の運転領域が予め定められており、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、排気浄化触媒の温度と機関の運転状態が夫々、筒内リッチ制御の可能な該予め定められた排気浄化触媒の温度範囲および機関の運転領域にあるときに筒内リッチ制御が行われる請求項１１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  14. 該炭化水素供給弁から予め定められた範囲の周期でもって炭化水素を噴射することにより排気ガス中に含まれるNOxを浄化する第１のNOx浄化方法と、排気浄化触媒に吸蔵されたNOxが予め定められた許容値を超えたときに排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにして排気浄化触媒から吸蔵NOxを放出させる第２のNOx浄化方法とが選択的に用いられており、排気浄化触媒の温度が予め定められた設定温度よりも高いときには該第１のNOx浄化方法によるNOx浄化作用が行われ、排気浄化触媒の温度が該予め定められた設定温度よりも低いときには該第２のNOx浄化方法によるNOx浄化作用が行われ、該第１のNOx浄化方法によるNOx浄化作用が行われているときであって排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、変速機の変速比が予め定められた変速比よりも大きいときには、排気リッチ制御が可能であれば排気リッチ制御が行われ、該第１のNOx浄化方法によるNOx浄化作用が行われているときであって排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに、変速機の変速比が予め定められた変速比よりも小さいときには、筒内リッチ制御が可能であれば筒内リッチ制御が行われる請求項１１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  15. 該第２のNOx浄化方法によるNOx浄化作用が行われているときであって排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときには、筒内リッチ制御が行われる請求項１４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  16. 排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすべきときとは、排気浄化触媒からNOxを放出すべきとき、又は排気浄化触媒からＳOxを放出すべきときである請求項１１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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