JP6191702B2 - 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。
機関排気通路内に配置された排気タービンによりスロットル弁上流の機関吸気通路内に配置されたコンプレッサを駆動する排気ターボチャージャを備え、排気タービン上流の機関排気通路とスロットル弁下流の機関吸気通路とを高圧側排気ガス再循環通路により連結すると共に高圧側排気ガス再循環通路内に高圧側排気ガス再循環制御弁を配置し、排気タービン下流の機関排気通路とコンプレッサ上流の機関吸気通路とを低圧側排気ガス再循環通路により連結すると共に低圧側排気ガス再循環通路内に低圧側排気ガス再循環制御弁を配置し、排気ガス再循環率を低くした状態のもとで膨張行程又は排気行程に筒内に追加の燃料を噴射することにより機関燃焼室から排出される排気ガスの空燃比を一時的に理論空燃比よりもリッチに保持するリッチ制御を行う、内燃機関の排気浄化装置が公知である。この排気浄化装置では、リッチ制御を開始するときに高圧側排気ガス再循環通路からの排気再循環ガスを減量することにより排気ガス再循環率を低くし、リッチ制御を終了するときに高圧側排気ガス再循環通路からの排気再循環ガス量を復帰させることにより排気ガス再循環率を復帰させている。
ところが、リッチ制御が行われているときには燃焼室から排出される排気ガスの温度がかなり高くなっている。このため、リッチ制御を終了するときに直ちに高圧側排気ガス再循環通路からの排気再循環ガス量を復帰させると、高温の排気ガスが大量に高圧側排気ガス再循環通路内に流入し、高圧側排気ガス再循環通路又は高圧側排気ガス再循環制御弁が熱により破損するおそれがある。
この点、リッチ制御が行われた後に一定時間、高圧側排気ガス再循環通路からの排気再循環ガス量を減少させ続ければ、熱による破損の問題は解決できるかにみえる。しかしながら、排気ガス再循環率が低く保持されると、ＮＯｘの発生を低減できないおそれがある。
そこで、リッチ制御を終了するときには、高圧側排気ガス再循環通路からの排気再循環ガスを減量しつつ追加の燃料の噴射を停止すると共に、低圧側排気ガス再循環通路からの排気再循環ガスを増量して保持し、次いで遅延時間が経過したときに高圧側排気ガス再循環通路からの排気再循環ガス量及び低圧側排気ガス再循環通路からの排気再循環ガス量を復帰させる、内燃機関の排気浄化装置が公知である（特許文献１参照）。すなわち、リッチ制御が終了されてから遅延時間が経過するまでは高圧側排気ガス再循環通路からの排気再循環ガスが減量され続ける。また、低圧側排気ガス再循環通路から供給される排気再循環ガスの温度は比較的低い。したがって、熱による破損の危険性が低減される。同時に、低圧側排気ガス再循環通路からの排気再循環ガスが増量されるので、ＮＯｘの発生を確実に抑制できる。
特開２００８−０３８８０３号公報
ところで、上述した熱による破損の問題は低圧側排気ガス再循環通路及び低圧側排気ガス再循環制御弁を備えていない内燃機関でも発生しうる。しかしながら、特許文献１では低圧側排気ガス再循環通路及び低圧側排気ガス再循環制御弁が必須であるので、低圧側排気ガス再循環通路及び低圧側排気ガス再循環制御弁を備えていない内燃機関に特許文献１の技術を適用することはできない。また、低圧側排気ガス再循環通路からの排気再循環ガス供給は応答性が低いので、リッチ制御を終了した直後は、ＮＯｘの発生を確実に抑制できないおそれもある。
本発明の目的は、熱による破損の発生を抑制しつつＮＯｘの発生を確実に抑制することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
本発明によれば、スロットル弁下流の機関吸気通路と機関排気通路とを排気ガス再循環通路により連結すると共に、排気ガス再循環通路内を流通する再循環排気ガス量を制御する排気ガス再循環制御弁を設け、排気ガス再循環率をベース排気ガス再循環率よりも低くした状態のもとで膨張行程又は排気行程に筒内に追加の燃料を噴射することにより機関燃焼室から排出される排気ガスの空燃比を一時的に理論空燃比よりもリッチに保持するリッチ制御を行う、内燃機関の排気浄化装置において、吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とが重なるオーバラップ期間を変更可能な可変バルブタイミング機構を備え、リッチ制御を終了するときには、排気ガス再循環率をベース排気ガス再循環率よりも低くしたまま追加の燃料の噴射を停止すると共にオーバラップ期間をベースオーバラップ期間よりも増大して保持し、次いで予め定められた遅延期間が経過したときに排気ガス再循環率及びオーバラップ期間をそれぞれベース排気ガス再循環率及びベースオーバラップ期間まで復帰させる、内燃機関の排気浄化装置が提供される。
熱による破損の発生を抑制しつつＮＯｘの発生を確実に抑制することができる。
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ＮＯｘ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ＮＯｘ浄化率を示す図である。 図１０は炭化水素の噴射周期ΔＴとＮＯｘ浄化率との関係を示す図である。 図１１は炭化水素の噴射量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は燃料供給量ＷＲのマップを示す図である。 図１６Ａおよび１６Ｂはオーバラップ期間を説明する線図である。 図１７はリッチ制御を説明する示すタイムチャートである。 図１８はＮＯｘ浄化制御を行うためのフローチャートである。 図１９は第２のＮＯｘ浄化方法によるＮＯｘ浄化作用を実行する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１２ａ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の出口は排気管１２ｂを介してパティキュレートフィルタ１４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、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。
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下流の排気管１２ｂ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が取付けられている。排気浄化触媒１３から流出した排気ガスの温度は排気浄化触媒１３の温度を表している。また、パティキュレートフィルタ１４にはパティキュレートフィルタ１４の前後差圧を検出するための差圧センサ２６が取付けられている。これら温度センサ２４、差圧センサ２６および吸入空気量検出器８の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０の駆動用アクチュエータ、炭化水素供給弁１５、ＥＧＲ制御弁１７、燃料ポンプ２１および可変バルブタイミング機構４３に接続される。
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。この塩基性層５３内にはセリアＣｅＯ２が含有せしめられており、従って排気浄化触媒１３は酸素貯蔵能力を有している。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４００℃以上の高温領域においても極めて高いＮＯｘ浄化率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の実線は、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３００℃から４００℃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４００℃以上の高温になるとＮＯｘ浄化率が低下する。なお、図９には、図５に示されるＮＯｘ浄化率が破線でもって示されている。
このように触媒温度ＴＣが４００℃以上になるとＮＯｘ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、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ＮＯｘ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、ほとん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極く微量である。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、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Ｗが、アクセルペダル４０の踏み込み量Ｌおよび機関回転数Ｎの関数として図１１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もアクセルペダル４０の踏み込み量Ｌおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予め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がアクセルペダル４０の踏み込み量Ｌ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はアクセルペダル４０の踏み込み量Ｌ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。
本発明による実施例では第１のＮＯｘ浄化方法によるＮＯｘ浄化作用と第２のＮＯｘ浄化方法によるＮＯｘ浄化作用が選択的に行われる。第１のＮＯｘ浄化方法によるＮＯｘ浄化作用と第２のＮＯｘ浄化方法によるＮＯｘ浄化作用のいずれを行うかは例えば次のようにして決定される。即ち、第１のＮＯｘ浄化方法によるＮＯｘ浄化作用が行われたときのＮＯｘ浄化率は図５に示されるように排気浄化触媒１３の温度ＴＣが限界温度ＴＸ以下になると急速に低下しはじめる。これに対し、図９に示されるように第２のＮＯｘ浄化方法によるＮＯｘ浄化作用が行われたときのＮＯｘ浄化率は排気浄化触媒１３の温度ＴＣが低下したときに比較的ゆっくりと低下する。従って本発明による実施例では排気浄化触媒１３の温度ＴＣが限界温度ＴＸ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ＴＣが限界温度ＴＸ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。
ところで、可変バルブタイミング機構４３（図１）は吸気弁及び排気弁が同時に開弁しているオーバラップ期間を変更するためのものである。図１６Ａに示される例では、可変バルブタイミング機構４３により排気弁の閉弁時期が進角され、したがってオーバラップ期間ＯＬが短くなっている。これに対し、図１６Ｂに示される例では、可変バルブタイミング機構４３により排気弁の閉弁時期が遅角され、したがってオーバラップ期間ＯＬが長くなっている。別の実施例では、オーバラップ期間ＯＬを制御するために吸気弁の開弁時期が制御される。更に別の実施例では、オーバラップ期間ＯＬを制御するために吸気弁の開弁時期及び排気弁の閉弁時期が制御される。
オーバラップ期間中には燃焼室２から既燃ガスが吸気弁１ｉを介し吸気マニホルド４に逆流する。この既燃ガスは次いで新気と共に燃焼室２内に吸入され、すなわち戻される。その結果、オーバラップ期間ＯＬが長くなると吸気マニホルド４から燃焼室２内に戻される既燃ガスの量が増大し、オーバラップ期間ＯＬが短くなると吸気マニホルド４から燃焼室２内に戻される既燃ガスの量が減少する。
図１に示される内燃機関では、リッチ制御（後述する）が行なわれていない通常制御時において実際のオーバラップ期間ＯＬがベースオーバラップ期間ＯＬＢに一致するように可変バルブタイミング機構４３が制御される。ベースオーバラップ期間ＯＬＢは機関運転状態、例えば機関負荷及び機関回転数の関数としてあらかじめマップの形でＲＯＭ３２内に記憶されている。なお、ベースオーバラップ期間ＯＬＢは正値、ゼロ、負値のいずれかである。
一方、燃焼室２内に供給される総ガス量に対するＥＧＲ通路１６から燃焼室２内に供給されるＥＧＲガス量の比をＥＧＲ率と称すると、本発明による実施例ではリッチ制御（後述する）が行なわれていない通常制御時において実際のＥＧＲ率が目標となるベースＥＧＲ率ＲＥＧＲＢに一致するようにＥＧＲ制御弁１７の開度が制御される。ベースＥＧＲ率ＲＥＧＲＢは機関運転状態、例えば機関負荷及び機関回転数の関数としてあらかじめマップの形でＲＯＭ３２内に記憶されている。
本発明による実施例では更に、リッチ制御（後述する）が行なわれていない通常制御時において実際の吸入空気量Ｇａが目標となるベース吸入空気量ＧａＢに一致するようにスロットル開度が制御される。ベース吸入空気量ＧａＢは機関運転状態、例えば機関負荷及び機関回転数の関数としてあらかじめマップの形でＲＯＭ３２内に記憶されている。
さて、本発明による実施例では上述したように、第２のＮＯｘ浄化方法において排気浄化触媒１３に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎをリッチにするために、燃焼室２から排出される排気ガスの空燃比を一時的に理論空燃比よりもリッチに保持するリッチ制御が行われる。この場合、燃焼室２内に追加の燃料ＷＲを噴射することにより、リッチ制御が行なわれる。
次に、図１７を参照して本発明による実施例のリッチ制御を更に説明する。
図１７を参照すると、時間ｔａ１においてリッチ制御を開始すべき信号が発せられると、吸入空気量Ｇａがベース吸入空気量ＧａＢからリッチ制御のために減少された吸入空気量ＧａＲまで少なくされる。また、ＥＧＲ率ＲＥＧＲがベースＥＧＲ率ＲＥＧＲＢからリッチ制御のために低下されたＥＧＲ率ＲＥＧＲＲまで低くされる。その上で、図１４に示されるように、追加の燃料ＷＲが噴射される。その結果、燃焼室２から排出される排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎがリーン空燃比であるベース空燃比からリッチ空燃比に切り換えられる。したがって、本発明による実施例のリッチ制御では、ＥＧＲ率ＲＥＧＲをベースＥＧＲ率ＲＥＧＲＢよりも低くした状態のもとで膨張行程又は排気行程に筒内に追加の燃料を噴射することにより機関燃焼室２から排出される排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎが一時的に理論空燃比よりもリッチに保持されるということになる。
次いで、時間ｔａ２においてリッチ制御を停止すべき信号が発せられると、吸入空気量がベース吸入空気量ＧａＢに戻され、追加の燃料噴射が停止される。したがって、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎがベース空燃比に戻され、燃焼室２から排出される排気ガスの温度ＴＥＸが低下する。しかしながら、時間ｔａ２において、ＥＧＲ率ＲＥＧＲはベースＥＧＲ率ＲＥＧＲＢに戻されず、低下されたＥＧＲ率ＲＥＧＲＲに維持される。一方、時間ｔａ２において、オーバラップ期間ＯＬがベースオーバラップ期間ＯＬＢからリッチ制御のために増大されたオーバラップ期間ＯＬＩまで延長される。
次いで、時間ｔａ３になると、すなわちあらかじめ定められた遅延時間ｄｔが経過すると、オーバラップ期間ＯＬがベースオーバラップ期間ＯＬＢに戻される。また、ＥＧＲ率ＲＥＧＲがベースＥＧＲ率ＲＥＧＲＢに戻される。したがって、本発明による実施例では、リッチ制御を終了するときには、ＥＧＲ率ＲＥＧＲをベースＥＧＲ率ＲＥＧＲＢよりも低くしたまま追加の燃料の噴射を停止すると共にオーバラップ期間ＯＬをベースオーバラップ期間ＯＬＢよりも増大して保持し、次いで遅延期間ｄｔが経過したときにＥＧＲ率ＲＥＧＲ及びオーバラップ期間ＯＬをそれぞれベースＥＧＲ率ＲＥＧＲＢ及びベースオーバラップ期間ＯＬＢまで復帰させるということになる。
リッチ制御を終了するときにこのような制御を行なっているのは次の理由による。すなわち、リッチ制御中は追加の燃料の燃焼により、燃焼室２から排出される排気ガスの温度ＴＥＸはかなり高くなっている。このため、リッチ制御を終了するときに直ちにＥＧＲ率ＲＥＧＲをベースＥＧＲ率ＲＥＧＲＢに復帰させると、高温のＥＧＲガスが大量にＥＧＲ通路１６内に流入し、ＥＧＲ通路１６又はＥＧＲ制御弁１７が熱により破損するおそれがある。
この点、本発明による実施例では、リッチ制御を終了するときにはＥＧＲ率ＲＥＧＲが低く維持されるので、高温のＥＧＲガスが大量にＥＧＲ通路１６内に流入するのが阻止される。したがって、ＥＧＲ通路１６及びＥＧＲ制御弁１７の耐久性が高められる。
また、ＥＧＲ率ＲＥＧＲが低く維持されている間、オーバラップ期間ＯＬが延長される。その結果、燃焼室２から吸気マニホルド４に逆流し次いで燃焼室２内に戻される既燃ガスの量が増大される。この既燃ガスは不活性ガスであり、ＥＧＲガスと同様に機能し得る。したがって、ＥＧＲ率ＲＥＧＲが低く維持されていても、ＮＯｘの発生を確実に抑制することができる。
本発明による実施例では、ＥＧＲ率ＲＥＧＲの減少分（ＲＥＧＲＢ−ＲＥＧＲＲ）だけ既燃ガスが増大されるように増大されたオーバラップ期間ＯＬＩが設定される。また、上述した遅延時間ｄｔはＥＧＲ通路１６から燃焼室２内に供給されるＥＧＲガスの温度が許容温度よりも低くなるのに必要な時間に設定される。
図１８は本発明による実施例のＮＯｘ浄化制御を実行するためのルーチンを示している。このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
図１８を参照するとまず初めにステップ１００において、第１のＮＯｘ浄化方法によるＮＯｘ浄化作用と第２のＮＯｘ浄化方法によるＮＯｘ浄化作用のいずれを行うかが決定される。次いでステップ１０１では第１のＮＯｘ浄化方法によるＮＯｘ浄化作用を行うべきか否かが判別される。第１のＮＯｘ浄化方法によるＮＯｘ浄化作用を行うべきときにはステップ１０２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、炭化水素供給弁１５からは図１１に示される噴射量Ｗの炭化水素が機関の運転状態に応じて予め定められている噴射周期ΔＴでもって噴射される。
ステップ１０１において第２のＮＯｘ浄化方法によるＮＯｘ浄化作用を実行すべきときにはステップ１０３に進んで第２のＮＯｘ浄化方法によるＮＯｘ浄化作用を実行するルーチンが実行される。このルーチンは図１９に示されている。
図１９は第２のＮＯｘ浄化方法によるＮＯｘ浄化作用を実行するルーチンを示している。このルーチンは図１８のステップ１０３で実行される。
図１９を参照するとまず初めにステップ１２０では吸蔵ＮＯｘ量ΣＮＯＸが算出される。すなわち、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、排出ＮＯｘ量ＮＯＸＡを積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１２１では吸蔵ＮＯｘ量ΣＮＯＸが許容値ＭＡＸを越えたか否かが判別される。ΣＮＯＸ≦ＭＡＸのときには次いでステップ１２２に進み、吸入空気量Ｇａがベース吸入空気量ＧａＢになるようにスロットル開度が制御され、ＥＧＲ率ＲＥＧＲがベースＥＧＲ率ＲＥＧＲＢになるようにＥＧＲ制御弁１７の開度が制御される。また、追加の燃料噴射が停止される。更に、オーバラップ期間ＯＬがベースオーバラップ期間ＯＬＢになるように可変バルブタイミング機構４３が制御される。
ΣＮＯＸ＞ＭＡＸになるとステップ１２１からステップ１２３に進み、吸入空気量Ｇａが減少された吸入空気量ＧａＲになるようにスロットル開度が制御され、ＥＧＲ率ＲＥＧＲが低下されたＥＧＲ率ＲＥＧＲＲになるようにＥＧＲ制御弁１７の開度が制御される。また、図１５に示すマップから追加の燃料量ＷＲが算出され、追加の燃料噴射が行われる。したがって、リッチ制御が開始される。
次いでステップ１２４ではリッチ制御を終了すべきか否かが判別される。本発明による実施例では、リッチ制御が開始されてからあらかじめ定められた時間が経過したときにリッチ制御を終了すべきと判別される。リッチ制御を終了すべきでないとき、すなわちリッチ制御を継続すべきときにはステップ１２４からステップ１２３に戻る。リッチ制御を終了すべきときにはステップ１２４からステップ１２５に進み、吸入空気量Ｇａがベース吸入空気量ＧａＢになるようにスロットル開度が制御され、追加の燃料噴射が停止される。したがって、リッチ制御が終了される。更に、オーバラップ期間ＯＬが増大されたオーバラップ期間ＯＬＩになるように可変バルブタイミング機構４３が制御される。
次いでステップ１２６ではリッチ制御が終了されてから遅延時間ｄｔが経過したか否かが判別される。遅延時間ｄｔが経過するまではステップ１２６からステップ１２５に戻る。遅延時間ｄｔが経過すると、ステップ１２６からステップ１２７に進み、ＥＧＲ率ＲＥＧＲがベースＥＧＲ率ＲＥＧＲＢになるようにＥＧＲ制御弁１７の開度が制御される。また、オーバラップ期間ＯＬがベースオーバラップ期間ＯＬＢになるように可変バルブタイミング機構４３が制御される。更に、吸蔵ＮＯｘ量ΣＮＯＸがクリアされる。
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。
２ 燃焼室
４ 吸気マニホルド
５ 排気マニホルド
１３ 排気浄化触媒
１５ 炭化水素供給弁
１６ ＥＧＲ通路
１７ ＥＧＲ制御弁
４３ 可変バルブタイミング機構

Claims (2)

  1. スロットル弁下流の機関吸気通路と機関排気通路とを排気ガス再循環通路により連結すると共に、排気ガス再循環通路内を流通する再循環排気ガス量を制御する排気ガス再循環制御弁を設け、排気ガス再循環率をベース排気ガス再循環率よりも低くした状態のもとで膨張行程又は排気行程に筒内に追加の燃料を噴射することにより機関燃焼室から排出される排気ガスの空燃比を一時的に理論空燃比よりもリッチに保持するリッチ制御を行う、内燃機関の排気浄化装置において、吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とが重なるオーバラップ期間を変更可能な可変バルブタイミング機構を備え、リッチ制御を終了するときには、排気ガス再循環率をベース排気ガス再循環率よりも低くしたまま追加の燃料の噴射を停止すると共にオーバラップ期間をベースオーバラップ期間よりも増大して保持し、次いで予め定められた遅延期間が経過したときに排気ガス再循環率及びオーバラップ期間をそれぞれベース排気ガス再循環率及びベースオーバラップ期間まで復帰させ、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おり、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、排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比を該予め定められた範囲よりも長い周期でもってリッチにすることにより排気浄化触媒から吸蔵ＮＯｘを放出させてＮＯｘを浄化する第２のＮＯｘ浄化方法とが選択的に用いられ、排気浄化触媒の温度が限界温度よりも高いときに第１のＮＯｘ浄化方法が用いられ、排気浄化触媒の温度が限界温度よりも低いときに第２のＮＯｘ浄化方法が用いられる、内燃機関の排気浄化装置。
  2. 第２のＮＯｘ浄化方法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に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。
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