JPWO2010089901A1

JPWO2010089901A1 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JPWO2010089901A1
Application number: JP2010549336A
Authority: JP
Inventors: 加藤　健治; 健治加藤; 増田　桂; 桂増田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2012-08-09
Also published as: US20110088377A1; WO2010089901A1; EP2395210A1; CN102216577A; EP2395210A4

Abstract

内燃機関において、機関排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯｘ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ＮＯｘを放出する一対の上流側ＮＯｘ吸蔵触媒１５ａ，１５ｂが配置される。この上流側ＮＯｘ吸蔵触媒の１５ａ，１５ｂの下流側には下流側ＮＯｘ吸蔵触媒１７が配置される。上流側ＮＯｘ吸蔵触媒１５ａ，１５ｂおよび下流側ＮＯｘ吸蔵触媒１７は下流側ＮＯｘ吸蔵触媒１７における空間速度が上流側吸蔵触媒１５ａ，１５ｂにおける空間速度よりも大きくなるように形成されている。

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯ_ｘを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯ_ｘを放出する複数のＮＯ_ｘ吸蔵触媒を機関排気通路内に配置した内燃機関が公知である。この内燃機関ではリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときに発生するＮＯ_ｘが少くとも一つのＮＯ_ｘ吸蔵触媒に吸蔵される。一方、ＮＯ_ｘ吸蔵触媒のＮＯ_ｘ吸蔵能力が飽和に近づくと排気ガスの空燃比が一時的にリッチにされ、それによってＮＯ_ｘ吸蔵触媒からＮＯ_ｘが放出され還元される。
このような複数のＮＯ_ｘ吸蔵触媒を用いた内燃機関として、一対のＮＯ_ｘ吸蔵触媒を機関排気通路に並列に配置し、いずれか一方のＮＯ_ｘ吸蔵触媒により排気ガス中のＮＯ_ｘを吸蔵し、このとき他方のＮＯ_ｘ吸蔵触媒からＮＯ_ｘを放出させるようにした内燃機関が公知である（特開２００７−１２７０２０号公報参照）。
このように従来よりＮＯ_ｘ浄化率を向上するために複数のＮＯ_ｘ吸蔵触媒を用いた内燃機関が公知であるがいずれの内燃機関でも十分なＮＯ_ｘ浄化率が得られていない。これはＮＯ_ｘの浄化メカニズムが十分に解明されていなかったからに他ならない。
しかしながら長期間に亘る研究の結果、本発明者は終いにＮＯ_ｘの浄化メカニズムを解明するに至ったのである。このＮＯ_ｘの浄化メカニズムについては後述するが、このＮＯ_ｘの浄化メカニズムの解明によりＮＯ_ｘ吸蔵触媒によるＮＯ_ｘ浄化性能が格段と向上したのである。

本発明の目的はこのようにＮＯ_ｘ浄化性能が格段と向上した内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
本発明によれば、機関排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯ_ｘを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯ_ｘを放出するＮＯ_ｘ吸蔵触媒を配置した内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯ_ｘ吸蔵触媒が上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒と、上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒の下流端から下流側に排気通路空間を隔てて配置された下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒からなり、上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒および下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒は下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒における空間速度が上流側吸蔵触媒における空間速度よりも大きくなるように形成されている内燃機関の排気浄化装置が提供される。

図１は圧縮着火式内燃機関の全体図、図２はＮＯ_ｘ吸蔵触媒の側面断面図、図３Ａおよび３ＢはＮＯ_ｘ吸蔵触媒の触媒担体の表面部分の断面図、図４Ａから４ＤはＮＯ_ｘ吸蔵触媒の種々の配置を示す図、図５はＮＯ_ｘ吸蔵触媒から排出される排出ＮＯ_ｘ濃度の変化を示す図、図６はＮＯ_ｘ吸蔵量と触媒床温との関係を示す図、図７はＮＯ_ｘおよびＳＯ_ｘ放出制御を示すタイムチャート、図８は吸蔵ＮＯ_ｘ量ＮＯＸＡのマップ等を示す図、図９はＮＯ_ｘ吸蔵触媒に対する処理を実行するためのフローチャートである。

参照符号の一覧表
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…触媒
１５，１５ａ，１５ｂ…上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒
１７…下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒

図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口は吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１１内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口は酸化機能を有する触媒１２を介して複数のＮＯ_ｘ吸蔵触媒からなるＮＯ_ｘ処理装置１３に連結される。図１に示される実施例ではこのＮＯ_ｘ処理装置１３は、触媒１２の出口に連結されて排気ガス流を一対の排気ガス流に分岐する排気分岐管１４と、排気分岐管１４の各出口に連結された並列配置の一対の上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５ａ，１５ｂと、各上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５ａ，１５ｂの出口に連結されて各上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５ａ，１５ｂから排出された排気ガスを一つの排気ガス流に集合させる排気集合管１６と、排気集合管１６の出口に連結された下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７とにより構成される。図１に示されるように排気マニホルド５には排気マニホルド内に還元剤、例えば燃料を供給するための還元剤供給弁１８が配置されている。
排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路１９を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１９内には電子制御式ＥＧＲ制御弁２０が配置される。また、ＥＧＲ通路１９周りにはＥＧＲ通路１９内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２１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２１内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管２２を介してコモンレール２３に連結される。このコモンレール２３内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２４から燃料が供給され、コモンレール２３内に供給された燃料は各燃料供給管２２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。吸入空気量検出器８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。また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０の駆動用ステップモータ、還元剤供給弁１８、ＥＧＲ制御弁２０および燃料ポンプ２４に接続される。
図２は上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５ａ，１５ｂの側面断面図を示している。図２に示されるように上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５ａ，１５ｂの基体上には排気ガスの流れ方向に延びる多数の排気ガス流通孔、即ちセル４３が形成されている。なお、下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７も図２に示される断面形状と同様な断面形状を有する。
これらのＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５ａ，１５ｂ，１７では各コア４３の表面上には例えばアルミナからなる触媒担体が担持されており、図３Ａ，３Ｂはこの触媒担体４５の表面部分の断面を図解的に示している。図３Ａ，３Ｂに示されるように触媒担体４５の表面上には貴金属触媒４６が分散して担持されており、更に触媒担体４５の表面上にはＮＯ_ｘ吸収剤４７の層が形成されている。
本発明による実施例では貴金属触媒４６として白金Ｐｔが用いられており、ＮＯ_ｘ吸収剤４７を構成する成分としては例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つが用いられている。
機関吸気通路、燃焼室２およびＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５ａ，１５ｂ，１７上流の排気通路内に供給された空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比と称すると、ＮＯ_ｘ吸収剤４７は排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯ_ｘを吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯ_ｘを放出するＮＯ_ｘの吸放出作用を行う。
即ち、ＮＯ_ｘ吸収剤４７を構成する成分としてバリウムＢａを用いた場合を例にとって説明すると、排気ガスの空燃比がリーンのとき、即ち排気ガス中の酸素濃度が高いときには排気ガス中に含まれるＮＯは図３Ａに示されるように白金Ｐｔ４６上において酸化されてＮＯ_２となり、次いでＮＯ_ｘ吸収剤４７内に吸収されて炭酸バリウムＢａＣＯ_３と結合しながら硝酸イオンＮＯ_３ ⁻の形でＮＯ_ｘ吸収剤４７内に拡散する。このようにしてＮＯ_ｘがＮＯ_ｘ吸収剤４７内に吸収される。排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔ４６の表面でＮＯ_２が生成され、ＮＯ_ｘ吸収剤４７のＮＯ_ｘ吸収能力が飽和しない限りＮＯ_２がＮＯ_ｘ吸収剤４７内に吸収されて硝酸イオンＮＯ_３ ⁻が生成される。また、このとき排気ガス中に含まれる一部のＮＯはＮＯ又はＮＯ_２の形でＮＯ_ｘ吸蔵触媒に吸着される。
これに対し、還元剤供給弁１８から還元剤を供給することによって、或いは燃焼室２内における空燃比をリッチ或いは理論空燃比にすることによって排気ガスの空燃比をリッチ或いは理論空燃比にすると排気ガス中の酸素濃度が低下するために反応が逆方向（ＮＯ_３ ⁻→ＮＯ_２）に進み、斯くして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。このとき同時に吸着されているＮＯ_ｘも放出される。次いで放出されたＮＯ_ｘは排気ガス中に含まれる未燃ＨＣ，ＣＯによって還元される。
このように排気ガスの空燃比がリーンであるとき、即ちリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときには排気ガス中のＮＯ_ｘがＮＯ_ｘ吸収剤４７内に吸収され、或いは吸着される。即ち、排気ガス中のＮＯ_ｘがＮＯ_ｘ吸蔵触媒に吸蔵される。しかしながらリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われるとその間にＮＯ_ｘ吸収剤４７のＮＯ_ｘ吸収能力が飽和してしまい、斯くしてＮＯ_ｘ吸収剤４７によりＮＯ_ｘを吸収できなくなってしまう。そこで本発明による実施例ではＮＯ_ｘ吸収剤４７の吸収能力が飽和する前に還元剤供給弁１８から還元剤を供給することによって、或いは燃焼室２内における空燃比をリッチにすることによって排気ガスの空燃比を一時的にリッチにし、それによってＮＯ_ｘ吸収剤４７からＮＯ_ｘを放出させるようにしている。
ところで排気ガス中にはＳＯ_ｘ、即ちＳＯ_２が含まれており、このＳＯ_２がＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５ａ，１５ｂ，１７に流入するとこのＳＯ_２は白金Ｐｔ４６において酸化されてＳＯ_３となる。次いでこのＳＯ_３はＮＯ_ｘ吸収剤４７内に吸収されて炭酸バリウムＢａＣＯ_３と結合しながら、硫酸イオンＳＯ_４ ^２−の形でＮＯ_ｘ吸収剤４７内に拡散し、安定した硫酸塩ＢａＳＯ_４を生成する。しかしながらＮＯ_ｘ吸収剤４７が強い塩基性を有するためにこの硫酸塩ＢａＳＯ_４は安定していて分解しづらく、排気ガスの空燃比を単にリッチにしただけでは硫酸塩ＢａＳＯ_４は分解されずにそのまま残る。従ってＮＯ_ｘ吸収剤４７内には時間が経過するにつれて硫酸塩ＢａＳＯ_４が増大することになり、斯くして時間が経過するにつれてＮＯ_ｘ吸収剤４７が吸収しうるＮＯ_ｘ量が低下することになる。
ところがこの場合、ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５ａ，１５ｂ，１７の温度を６００℃以上のＳＯ_ｘ放出温度まで上昇させた状態でＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５ａ，１５ｂ，１７に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするとＮＯ_ｘ吸収剤４７から少しずつＳＯ_ｘが放出される。そこで本発明による実施例ではＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５ａ，１５ｂ，１７に吸蔵されたＳＯ_ｘ量が許容値を越えたときにはＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５ａ，１５ｂ，１７の温度を６００℃以上のＳＯ_ｘ放出温度まで上昇させた状態でＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５ａ，１５ｂ，１７に流入する排気ガスの空燃比をリッチにし、それによってＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５ａ，１５ｂ，１７からＳＯ_ｘを放出させるようにしている。
さて、ＮＯ_ｘ処理装置１３によるＮＯ_ｘ浄化性能を高めるにはＮＯ_ｘ処理装置１３をすり抜けるＮＯ_ｘ量を低減する必要があり、そのためにはＮＯ_ｘ処理装置１３においてＮＯ_ｘ吸蔵触媒に吸蔵されるＮＯ_ｘの吸蔵率を高める必要がある。この点について本発明者が研究を重ねた結果、ＮＯ_ｘの吸蔵には時間を要し、この場合特にＮＯからＮＯ_２への酸化作用がＮＯ_ｘの吸蔵時間を律速しており、従ってＮＯからＮＯ_２への酸化作用を促進することがＮＯ_ｘ浄化性能の向上に最も重要であることが判明したのである。
この場合、ＮＯからＮＯ_２への酸化作用を促進するにはＮＯ_ｘ吸蔵触媒内での排気ガスの滞留時間を長くする必要があり、そのためにはＮＯ_ｘ吸蔵触媒内を流れる排気ガスの流速、即ちＮＯ_ｘ吸蔵触媒における空間速度（単位時間当りの排気ガス容積流量／ＮＯ_ｘ吸蔵触媒容積）を遅くする必要がある。
このようにＮＯ_ｘ吸蔵触媒における空間速度を遅くするとＮＯからＮＯ_２への酸化作用が促進され、斯くしてこのＮＯ_ｘ吸蔵触媒によるＮＯ_ｘ浄化性能を向上することができる。しかしながらいくらＮＯ_ｘ浄化性能を向上してもＮＯ_ｘ吸蔵触媒をすり抜けるＮＯ_ｘ量を零にすることはできず、従ってＮＯ_ｘ吸蔵触媒の下流に更に別のＮＯ_ｘ吸蔵触媒、即ち下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒を配置することが必須となる。
ところでこの下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒でもＮＯ_ｘ浄化性能を高めるにはＮＯからＮＯ_２への酸化作用を促進する必要がある。ところが排気ガス中に含まれる大部分のＮＯ_ｘは上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒に吸蔵されるので下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒に流入する排気ガス中のＮＯ_ｘ濃度は上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒に流入する排気ガス中のＮＯ_ｘ濃度に比べてかなり低くなる。しかしながらこのように排気ガス中のＮＯ_ｘ濃度が低いときにＮＯ_ｘ浄化性能を向上させるには上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒におけるように空間速度を遅くしても意味がなく、これとは逆に空間速度を早くする必要があることが判明したのである。
即ち、上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒におけるように流入する排気ガス中に多量のＮＯ_ｘが存在している場合には触媒担体４５上の貴金属触媒４６と接触するＮＯ_ｘの量は多く、従ってこの場合には上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒における空間速度を遅くすればＮＯ_ｘ浄化能力を高めることができる。
しかしながら、下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒におけるように流入する排気ガス中のＮＯ_ｘ量が少ない場合には排気ガス中のＮＯ_ｘは触媒担体４５上の貴金属触媒４６と接触する機会が少なくなる。従ってこの場合ＮＯ_ｘ浄化能力を高めるには排気ガス中のＮＯ_ｘと貴金属触媒４６との接触の機会を増大させることが最も重要となる。排気ガス中のＮＯ_ｘと貴金属触媒４６との接触の機会を増大させるには排気ガス流に乱れを与えることが必要であり、そのための有効な方法は排気ガスの流速を早めることである。事実、下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒に流入する排気ガスの流速を速めると、即ち下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒における空間速度を早くするとＮＯ_ｘ処理装置１３によるＮＯ_ｘ浄化率が大巾に増大することが判明している。
また、上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒から間隔を隔てて下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒を配置すると、即ち上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒の下流端と下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒との間に排気通路空間を形成しておくと上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒の下流端から流出した排気ガスはこの排気通路空間内で強力に乱される。従ってこのような排気通路空間を形成しておくと下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒に流入する排気ガス中に強力な乱れを発生させることができ、斯くして下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒におけるＮＯ_ｘ浄化性能を高めることができることになる。
そこで本発明では、機関排気通路内に配置されたＮＯ_ｘ吸蔵触媒が上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒と、この上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒の下流端から下流側に排気通路空間を隔てて配置された下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒からなり、上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒および下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒は下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒における空間速度が上流側吸蔵触媒における空間速度よりも大きくなるように形成されている。
このように本発明は、上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒と下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒との間に排気通路空間を設けたこと、および下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒における空間速度が上流側吸蔵触媒における空間速度よりも大きくされていることを特徴としている。図４Ａ〜４Ｄ、図５および図６はこの特徴を実証している一つの実験例を示している。
即ち、図４Ａから４Ｄは、ＮＯ_ｘ処理装置１３において全ＮＯ_ｘ吸蔵触媒の合計容積を同一に維持した状態でＮＯ_ｘ吸蔵触媒の配列を種々に変化させた場合を示している。なお、これらのＮＯ_ｘ処理装置１３において図１に示されるＮＯ_ｘ処理装置１３が図４Ｃに示されている。
一方、図５は、ＮＯ_ｘ処理装置１３に流入する排気ガスの空燃比をリーンから一時的にリッチにした場合においてＮＯ_ｘ処理装置１３から流出する排気ガス中の排出ＮＯ_ｘ濃度の変化を示している。なお、図５にはＮＯ_ｘ処理装置１３に流入する排気ガス中の流入ＮＯ_ｘ濃度が一点鎖線で示されている。図５に示されるように排気ガスの空燃比がリッチにされると排出ＮＯ_ｘ濃度は実線に示されるように零となり、次いで暫らく零に維持された後に徐々に上昇する。この場合、排出ＮＯ_ｘ濃度が零のときには排気ガス中に含まれる全てのＮＯ_ｘがＮＯ_ｘ吸蔵触媒に吸蔵されており、排気ガス中に含まれる全てのＮＯ_ｘを吸蔵しえなくなると排出ＮＯ_ｘ濃度が上昇し始める。
図５に示されるように排出ＮＯ_ｘ濃度が１０％になる頃までは排気ガス中に含まれるほとんど全てのＮＯ_ｘが吸蔵されたと考えることができ、従って排出ＮＯ_ｘ濃度が１０％になるまでに吸蔵されたＮＯ_ｘ量はＮＯ_ｘ吸蔵触媒が吸蔵しうるＮＯ_ｘ吸蔵量を代表していることになる。図６の縦軸はこのＮＯ_ｘ吸蔵触媒が吸蔵しうるＮＯ_ｘ吸蔵量を示している。なお、図６において横軸はＮＯ_ｘ吸蔵触媒の床温を示している。図６においてＮＯ_ｘ吸蔵量が高いと言うことはＮＯ_ｘ浄化性能が高いことを意味している。
図６のＡは、図４Ａに示されるように一対のＮＯ_ｘ吸蔵触媒５０ａ，５０ｂを並列配置した場合のＮＯ_ｘ吸蔵量を示しており、図６のＢは、図４Ｂに示されるように一対の上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒５１ａ，５１ｂと、夫々対応する上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒５１ａ，５１ｂの下流側に配置された下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒５２ａ，５２ｂとを設けた場合のＮＯ_ｘ吸蔵量を示しており、図６のＣは、図４Ｃに示される本発明による実施例におけるＮＯ_ｘ吸蔵量を示している。
図４ＡはＮＯ_ｘ吸蔵触媒における空間速度を遅くするためにＮＯ_ｘ吸蔵触媒が並列配置した一対のＮＯ_ｘ吸蔵触媒５０ａ，５０ｂから構成されており、この場合の排出ＮＯ_ｘ濃度の変化が図５において破線で示されている。図５からわかるように図４Ａに示される場合にはＮＯ_ｘ処理装置１３から排出されるＮＯ_ｘ量が多くなり、従って図６のＡで示されるようにＮＯ_ｘ吸蔵量は少くなる。即ち、図４Ａに示されるように大容量の一対のＮＯ_ｘ吸蔵触媒５０ａ，５０ｂを並列配置しただけでは高いＮＯ_ｘ浄化性能を得ることはできないことになる。
図４Ｂは上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒５１ａ，５１ｂから排出されたＮＯ_ｘを夫々対応する下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒５２ａ，５２ｂに吸蔵させるようにした場合を示している。この場合には対応する上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒５１ａ，５１ｂと下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒５２ａ，５２ｂとの間に夫々排気通路空間５３ａ，５３ｂが形成されているので各下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒５２ａ，５２ｂに流入する排気ガス中に乱れが発生せしめられる。しかしながら下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒５２ａ，５２ｂにおける空間速度はそれほど早くならないために下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒５２ａ，５２ｂに流入する排気ガス中に発生する乱れはさほど強くならない。また、上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒５１ａ，５１ｂにおける空間速度もそれほど遅くないので図６のＢで示されるようにＮＯ_ｘ吸蔵量はそれほど高くはならない。
これに対し、図４Ｃに示される場合には図４Ｂに示される場合に比べて上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５ａ，１５ｂの容積が大きいので上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５ａ，１５ｂにおける空間速度は遅くなり、斯くして上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５ａ，１５ｂにおけるＮＯ_ｘ吸蔵量を増大することができる。一方、一対の上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５ａ，１５ｂから流出した排気ガスが一つの下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７に流入するので下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７における空間速度は上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５ａ，１５ｂにおける空間速度よりも２倍程度速くなる。その結果、下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７に流入する排気ガス流に強力な乱れが与えられるために下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７へのＮＯ_ｘ吸蔵量が増大する。
また、一対の上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５ａ，１５ｂと下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７との間の排気集合管１６内には排気通路空間５４が形成されており、この排気通路空間５４内において各上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５ａ，１５ｂから流出した排気ガスが激しく衝突する。その結果、下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７に流入する排気ガス流に強力な乱れが与えられ、それにより下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７へのＮＯ_ｘ吸蔵量が増大せしめられる。従って図４Ｃに示される場合には図６のＣで示されるようにＮＯ_ｘ吸蔵量が最大となり、最も高いＮＯ_ｘ浄化性能が得られることになる。
図１或いは図４Ｃに示される本発明による実施例では上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒は並列配置された一対のＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５ａ，１５ｂからなり、下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒は一つのＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７からなる。しかしながら下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒における空間速度が上流側吸蔵触媒における空間速度よりも大きくなるようにしている限り、上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒を並列配置された複数のＮＯ_ｘ吸蔵触媒から構成し、下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒を並列配置された複数のＮＯ_ｘ吸蔵触媒又は一つのＮＯ_ｘ吸蔵触媒、即ち少くとも一つのＮＯ_ｘ吸蔵触媒から構成することができる。
また、図４Ｄに示されるように上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５および下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７を夫々一つのＮＯ_ｘ吸蔵触媒とし、上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５の容積および断面積を下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７の容積および断面積よりも大きくしても下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７における空間速度が上流側吸蔵触媒１５における空間速度よりも大きくなる。従って図４Ｄに示される上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５と下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７の組合せを用いることもできる。
従って図４Ｃに示される例と図４Ｄに示される例を包括的に表現すると、本発明による実施例では上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５ａ，１５ｂ，１５の総断面積が下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７の総断面積よりも大きくされていることになる。なお、図４Ｄに示す例は寸法が大きくなるので車両への塔載性を考えると図４Ｃに示される例の方が優れていると言える。
さて、本発明による実施例ではＮＯ_ｘの吸蔵作用は主に上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５，１５ａ，１５ｂによって行われ、従ってＮＯ_ｘ吸蔵量を増大するには上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５，１５ａ，１５ｂによるＮＯ_ｘ吸蔵能力を高めることが好ましい。この場合、ＮＯ_ｘがＮＯ_ｘ吸蔵触媒に吸蔵されるためにはＮＯ_ｘがＮＯ_ｘ吸収剤４７まで到達することが必要であり、従ってＮＯ_ｘ吸蔵能力を高めるにはＮＯ_ｘ吸収剤４７に到達するＮＯ_ｘ量を増大することが必要となる。
この場合、ＮＯ_ｘ吸収剤４７に到達するＮＯ_ｘ量を増大するには触媒表面積を大きくすることが好ましく、従って本発明による実施例では上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５，１５ａ，１５ｂの単位容積当りの触媒表面積が下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７の単位容積当りの触媒表面積よりも大きくされている。具体的に言うと本発明による実施例では上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５，１５ａ，１５ｂの単位断面積当りのセル４３の数が下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７の単位断面積当りのセル４３の数よりも多くされている。
次に下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７によるＮＯ_ｘ吸蔵作用について説明すると、前述したように下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７へのＮＯ_ｘ吸蔵量を増大するには下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７における空間速度を速くする必要がある。この場合、下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７へのＮＯ_ｘ吸蔵量を更に増大するには下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７の塩基性を弱くすることが好ましい。下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７の塩基性を弱くするとＮＯからＮＯ_２への酸化作用が強まり、斯くして下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７へのＮＯ_ｘ吸蔵量が増大せしめられることになる。そこで本発明による実施例では下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７の方が上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５，１５ａ，１５ｂよりも塩基性が弱くされている。
下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７の塩基性を上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５，１５ａ，１５ｂの塩基性よりも弱くする一つの方法は下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７のＮＯ_ｘ吸収剤４７の量を少なくする方法である。そこで本発明による実施例では下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７のＮＯ_ｘ吸収剤４７の量が各上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５，１５ａ，１５ｂのＮＯ_ｘ吸収剤４７の量よりも少なくされている。例えばＮＯ_ｘ吸収剤４７としてカリウムＫを用いた場合、下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７のカリウムＫの担持量は各上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５ａ，１５ｂのカリウムＫの担持量のほぼ１／３とされている。
一方、下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７の塩基性を上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５，１５ａ，１５ｂの塩基性よりも弱くするようにした別の実施例では、下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７のＮＯ_ｘ吸収剤４７として上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５，１５ａ，１５ｂのＮＯ_ｘ吸収剤４７よりも塩基性の弱い成分が用いられている。例えば上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５，１５ａ，１５ｂのＮＯ_ｘ吸収剤４７としてはカリウムＫ、ナトリウムＮａ等のアルカリ金属が用いられ、下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７のＮＯ_ｘ吸収剤４７としてはバリウムＢａのようなアルカリ土類金属が用いられている。
ところで排気ガスの空燃比をリッチにして上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５，１５ａ，１５ｂからＮＯ_ｘを放出させた場合、この放出されたＮＯ_ｘは下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７に再吸蔵されることはない。しかしながら上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５，１５ａ，１５ｂからＳＯ_ｘを放出させた場合、放出されたＳＯ_ｘは再吸着、再脱離を繰返しながら下流側に移動していくことが知られている。この場合、本発明におけるように下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７における空間速度が速くされると上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５，１５ａ，１５ｂから放出されたＳＯ_ｘが比較的速く下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１７を通り抜ける。斯くして短時間のうちにＳＯ_ｘを脱離させることができるようになる。
次に図７から図９を参照しつつＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５，１５ａ，１５ｂ，１７に対する処理について説明する。
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ＮＯ_ｘ量ＮＯＸＡが要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図８Ａに示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、このＮＯ_ｘ量ＮＯＸＡを積算することによってＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５，１５ａ，１５ｂ，１７に吸蔵された全ＮＯ_ｘ量ΣＮＯＸが算出される。本発明による実施例では図７に示されるようにこの全ＮＯ_ｘ量ΣＮＯＸが許容値ＮＸに達する毎にＮＯ_ｘ処理装置１３に流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆが一時的にリッチにされ、それによって全ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５，１５ａ，１５ｂ，１７からＮＯ_ｘが放出される。
一方、前述したようにＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５，１５ａ，１５ｂ，１７からＳＯ_ｘを放出させるにはＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５，１５ａ，１５ｂ，１７の温度をＳＯ_ｘ放出温度まで上昇させかつＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５，１５ａ，１５ｂ，１７に流入する排気ガスの空燃比をリッチにする必要がある。そこで本発明による実施例では図７に示されるようにＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５，１５ａ，１５ｂ，１７に吸蔵されている全ＳＯ_ｘ量ΣＳＯＸが許容値ＳＸに達したときにはＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５，１５ａ，１５ｂ，１７の温度ＴがＮＯ_ｘ放出温度ＴＸまで上昇せしめられ、ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５，１５ａ，１５ｂ，１７に流入する排気ガスの空燃比がリッチとされる。なお機関から単位時間当り排出されるＳＯ_ｘ量ＳＯＸＺは要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図８Ｂ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ＳＯ_ｘ量ＳＯＸＺを積算することにより吸蔵ＳＯ_ｘ量ΣＳＯＸが算出される。
図９はＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５，１５ａ，１５ｂ，１７に対する処理ルーチンを示している。
図９を参照するとまず初めにステップ６０において図８Ａ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６１ではこのＮＯＸＡがＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５，１５ａ，１５ｂ，１７に吸蔵されているＮＯ_ｘ量ΣＮＯＸに加算される。次いでステップ６２では吸蔵ＮＯ_ｘ量ΣＮＯＸが許容値ＮＸを越えたか否かが判別される。ΣＮＯＸ＞ＮＸとなったときにはステップ６３に進んで還元剤供給弁１８から供給された還元剤によってＮＯ_ｘ処理装置１３に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリーンからリッチに切換えるリッチ処理が行われ、ΣＮＯＸがクリアされる。
次いでステップ６４では図８Ｂに示すマップから単位時間当りの排出ＳＯ_ｘ量ＳＯＸＺが算出される。次いでステップ６５ではこのＳＯＸＺがＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５，１５ａ，１５ｂ，１７に吸蔵されているＳＯ_ｘ量ΣＳＯＸに加算される。次いでステップ６６では吸蔵ＳＯ_ｘ量ΣＳＯＸが許容値ＳＸを越えたか否かが判別され、ΣＳＯＸ＞ＳＸとなったときにはステップ６７に進んでＮＯ_ｘ処理装置１３に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつ還元剤供給弁１８から還元剤を供給することによって各ＮＯ_ｘ吸蔵触媒１５，１５ａ，１５ｂ，１７の温度ＴをＳＯ_ｘ放出温度ＴＸまで上昇させる昇温制御が行われる。次いでステップ６８では還元剤供給弁１８から供給された還元剤によって、或いは燃焼室２内における空燃比をリッチに維持することによってＮＯ_ｘ処理装置１３に流入する排気ガスの空燃比をリッチに維持するリッチ処理が行われ、ΣＳＯＸがクリアされる。

Claims

機関排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯ_ｘを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯ_ｘを放出するＮＯ_ｘ吸蔵触媒を配置した内燃機関の排気浄化装置において、上記ＮＯ_ｘ吸蔵触媒が上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒と、該上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒の下流端から下流側に排気通路空間を隔てて配置された下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒からなり、上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒および下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒は下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒における空間速度が上流側吸蔵触媒における空間速度よりも大きくなるように形成されている内燃機関の排気浄化装置。
上記上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒は並列配置された複数のＮＯ_ｘ吸蔵触媒からなり、上記下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒は少くとも一つのＮＯ_ｘ吸蔵触媒からなる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒は並列配置された一対のＮＯ_ｘ吸蔵触媒からなり、上記下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒は一つのＮＯ_ｘ吸蔵触媒からなる請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒の総断面積が上記下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒の総断面積よりも大きい請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒の単位容積当りの触媒表面積が上記下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒の単位容積当りの触媒表面積よりも大きい請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒および上記下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒は夫々排気ガスの流れ方向に延びる複数個のセルを有しており、上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒の単位断面積当りのセル数が下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒の単位断面積当りのセル数よりも多い請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒上および上記下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒上には貴金属触媒とＮＯ_ｘ吸収剤とが担持されており、上記下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒の方が上記上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒よりも塩基性が弱い請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒のＮＯ_ｘ吸収剤の量が上記上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒のＮＯ_ｘ吸収剤の量よりも少ない請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記下流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒のＮＯ_ｘ吸収剤として上記上流側ＮＯ_ｘ吸蔵触媒のＮＯ_ｘ吸収剤よりも塩基性の弱い成分が用いられている請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記貴金属触媒として白金Ｐｔが用いられ、ＮＯ_ｘ吸収剤を構成する成分としてはカリウム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、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請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。