WO2007111373A1

WO2007111373A1 - 圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: WO2007111373A1
Application number: PCT/JP2007/057004
Authority: WO
Inventors: Kohei Yoshida; Kotaro Hayashi
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2006-03-23
Filing date: 2007-03-23
Publication date: 2007-10-04
Also published as: US20090031709A1; CN101405488B; EP2003299A4; EP2003299A1; EP2003299B1; CN101405488A; JP4432923B2; JP2007255321A; US7891175B2

Abstract

内燃機関において、ＮＯx吸蔵触媒（１２）上流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＳＯxを捕獲しうるＳＯxトラップ触媒（１１）が配置される。ＳＯxトラップ触媒（１１）は、ＳＯxトラップ触媒（１１）の温度が通常運転時における温度範囲、即ちほぼ１５０℃からほぼ４００℃のときにＳＯxトラップ触媒（１１）によるＮＯx浄化率が常時ＮＯx吸蔵触媒（１２）によるＮＯx浄化率のほぼ１０パーセント以下になる程度までＮＯx吸蔵触媒（１２）に比べて塩基性が強められている。ＮＯx吸蔵触媒（１２）からＮＯxを放出すべきときにはＳＯxトラップ触媒（１１）に流入する排気ガスの空燃比がリーンからリッチに一時的に切換えられる。

Description

圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置

技術分野

本発明は圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置に関する。明

背景技術

細

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 N〇_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ツチになると吸蔵した N〇_xを放出する 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 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ツチにされ、それによつて N〇_x吸蔵触媒から N〇_xが放出され還元される。

ところで燃料および潤滑油内にはィォゥが含まれており、従って排気ガス中には S〇 _xが含まれている。この S〇 _xは N〇 _xと共に N O_x吸蔵触媒に吸蔵される。ところがこの S〇_xは排気ガスの空燃比を単にリッチにしただけでは N〇_x吸蔵触媒から放出されず、従つて NO_x吸蔵触媒に吸蔵されている S O_xの量が次第に増大していく。その結果吸蔵しうる N O_x量が次第に減少してしまう。

そこで NO_x吸蔵触媒に S O_xが送り込まれるのを阻止するために N〇_x吸蔵触媒上流の機関排気通路内に S O_x トラップ剤を配置した内燃機関が公知である（特開 2 0 0 4— 9 2 5 2 4号公報参照）。この内燃機関では排気ガス中に含まれる S O_xが S O_x トラップ剤に捕獲され、斯くして NO_x吸蔵触媒に S O_xが流入するのが阻止され 2007/057004 る。その結果、 S O_xの吸蔵により N O_xの吸蔵能力が低下するのを阻止することができる。

ところでこの内燃機関では S O _x トラップ剤の S〇 _x トラップ能力が飽和する前に S O_x トラップ剤から S〇_](が放出される。この場合

、 s〇_x トラップ剤から良好に s〇_xを放出させるには s o_xトラップ剤の温度が s o_x放出温度のときに排気ガスの空燃比をリツチにする必要があり、従ってこの内燃機関では s O_x トラップ剤から S 〇 _xを放出させるために S〇 _x トラップ剤の温度が s o _x放出温度のときに排気ガスの空燃比をリッチにするようにしている。

また、この内燃機関は S O_xトラップ剤から放出された S O_xが N O_x吸蔵触媒に流入しないようにするために N〇_x吸蔵触媒を迂回するバイパス排気通路を具備しており、 S〇_x トラップ剤から S〇：₍が放出されたときには s o_x トラップ剤から流出した排気ガスをバイパス排気通路内に導びくようにしている。

一方、この内燃機関では s〇_x トラップ剤の s〇_x トラップ量がー定量以上になると NO_x吸蔵触媒からの N〇_x放出のために排気ガスの空燃比がリッチにされたときにたとえ S〇_x トラップ剤の温度が S O_x放出温度以下であったとしても S O_x トラップ剤から S 0₎₍が放出されてしまい、斯くして S O_xが NO_x吸蔵触媒に吸蔵されてしまう。そこでこの内燃機関では S O_x トラップ剤の S O_x トラップ量がー定量以上になったときには排気ガスの空燃比をリッチにするのを禁止するようにしている。

ところでこの場合、 N〇_x吸蔵触媒から N〇_xを放出すべく排気ガスの空燃比がリッチにされたときに S O_xが放出しないような S O_x トラップ剤を用いれば S O_xが N〇_x吸蔵触媒に吸蔵されることもなくなり、また N O_x吸蔵触媒から N O_xを放出すべきときには常に排気ガスの空燃比をリッチにすることができる。しかしながらこの内 T/JP2007/057004 燃機関におけるように s o _xトラップ剤に s〇 _xを放出する機能を持たせている限り、排気ガスの空燃比がリッチになったときに s o_x が放出しないようにすることは困難である。発明の開示

本発明は、 s o_x トラップ触媒に s o_xを放出する機能を持たせず

、 S O_xを吸蔵する機能のみを持たせることによって N〇_x吸蔵触媒から N〇_xを放出すべく排気ガスの空燃比がリッチにされても S〇_x トラップ触媒から S O_xが放出されることのない圧縮着火式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ガス中に含まれる S〇_x を捕獲しうる S O_x トラップ触媒を配置し、 S O_x トラップ触媒下流の排気通路内に、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 N〇 _xを放出する N O _x吸蔵触媒を配置した圧縮着火式内燃機関において、 S〇_x トラップ触媒は、 S O_x トラップ触媒の温度がほぼ 1 5 0 °Cからほぼ 4 0 0 °Cのときに S O_x トラップ触媒による NO_x浄化率が常時 NO_x吸蔵触媒による NO_x浄化率のほぼ 1 0パーセント以下になる程度まで N〇_x吸蔵触媒に比べて塩基性が強められていると共に酸化性が弱められており、 N O_x吸蔵触媒から NO_xを放出すべきときには S O_x トラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンからリツチに一時的に切換えられる圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置が提供される。図面の簡単な説明

図 1は圧縮着火式内燃機関の全体図、図 2は圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す全体図、図 3はパティキュレートフィル夕の構造を示す図、図 4は NO_x吸蔵触媒の触媒担体の表面部分の断面図、図 5は S O_x 卜ラップ触媒の触媒担体の表面部分の断面図、図 6 は S O _x トラップ率を示す図、図 7は昇温制御を説明するための図、図 8は NO_x浄化率と S O_x放出量との関係等を示す図、図 9は吸蔵 30₎₍量∑ 30 と、昇温制御を行うべき吸蔵 S O_x量 S〇 (n ) との関係等を示す図、図 1 0は吸蔵 S O_x量∑ S OX等の変化を示すタイムチャート、図 1 1は S〇_x安定化処理の第 1実施例を実行するためのフローチャート、図 1 2は S〇_x安定化処理の第 2実施例を実行するためのフローチャート、図 1 3は S〇_x安定化処理を示すタイムチャート、図 1 4はパティキュレートフィル夕の昇温制御を示すタイムチヤ一ト、図 1 5は吸蔵 N〇_x量 NOXAのマップを示す図、図 1 6は N〇_x吸蔵触媒に対する処理を実行するためのフローチヤ一卜である。発明を実施するための最良の形態

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。吸気マ二ホルド 4は吸気ダクト 6 を介して排気夕ーポチャージャ 7のコンプレツサ 7 aの出口に連結され、コンプレッサ 7 aの入口はエアクリーナ 8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 9が配置され、更に吸気ダク卜 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 1 0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 1 0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は排気ターボチヤ一ジャ 7の排気ターピン 7 bの入口に連結され、排気タービン 7 bの出口は S O_xトラップ触媒 1 1の入口に連結される。また、 S O_x トラップ触媒 1 1 の出口は排気管 1 3 を介して NO_x吸蔵触媒 1 2に連結される。図 1 に示されるように排気マニホルド 5の例えば 1番気筒のマニホルド枝管 5 a内には例えば炭化水素からなる還元剤を供給するための還元剤供給弁 1 4が設けられている。

排気マ二ホルド 5 と吸気マ二ホルド 4とは排気ガス再循環（以下、 E G Rと称す）通路 1 5を介して互いに連結され、 E GR通路 1 5内には電子制御式 E G R制御弁 1 6が配置される。また、 E G R 通路 1 5周りには E GR通路 1 5内を流れる E GRガスを冷却するための冷却装置 1 7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 1 7内に導かれ、機関冷却水によって E G Rガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁 3は燃料供給管 1 8を介してコモンレール 1 9に連結される。このコモンレール 1 9内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ 2 0から燃料が供給され、コモンレール 1 9内に供給された燃料は各燃料供給管 1 8を介して燃料噴射弁 3に供給される。

電子制御ュニット 3 0はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス 3 1 によって互いに接続された R O M (リードオンリメモリ ) 3 2、 RAM (ランダムアクセスメモリ） 3 3、 C P U (マイク口プロセッサ） 3 4、入力ポート 3 5および出力ポート 3 6 を具備する。 S O_x 卜ラップ触媒 1 1 には S〇_x 卜ラップ触媒 1 1の温度を検出するための温度センサ 2 1が取付けられ、 NO_x吸蔵触媒 1 2 には N〇_x吸蔵触媒 1 2の温度を検出するための温度センサ 2 2が取付けられる。これら温度センサ 2 1 , 2 2の出力信号は夫々対応する A D変換器 3 7 を介して入力ポート 3 5に入力される。また、 NO_x吸蔵触媒 1 2 には NO_x吸蔵触媒 1 2の前後差圧を検出するための差圧センサ 2 3が取付けられており、この差圧センサ 2 3の出力信号は対応する AD変換器 3 7 を介して入力ポート 3 5に入力される。

アクセルペダル 4 0にはアクセルペダル 4 0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 4 1が接続され、負荷センサ 4 1の出力電圧は対応する AD変換器 3 7 を介して入力ポート 3 5に入力される。更に入力ポート 3 5にはクランクシャフトが例えば 1 5 ° 回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ 4 2が接続される。一方、出力ポート 3 6は対応する駆動回路 3 8 を介して燃料噴射弁 3、スロットル弁 9駆動用ステップモー夕、還元剤供給弁 1 4、 E G R制御弁 1 6および燃料ポンプ 2 0に接続される。

図 2に圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す。この実施例では排気管 1 3内に S O_x トラップ触媒 1 1から流出した排気ガス中の S O_x濃度を検出するための S O_xセンサ 2 4が配置されている。まず初めに図 1および図 2に示される N O _x吸蔵触媒 1 2について説明すると、これら NO_x吸蔵触媒 1 2は三次元網目構造のモノリス担体或いはペレツト状担体上に担持されているか、又はハニカム構造をなすパティキュレー卜フィル夕上に担持されている。このように N O_x吸蔵触媒 1 2は種々の担体上に担持させることができるが、以下 NO_x吸蔵触媒 1 2 をパティキュレー卜フィルタ上に担持した場合について説明する。

図 3 (A) および（B) は N〇_x吸蔵触媒 1 2を担持したパティキュレートフィル夕 1 2 aの構造を示している。なお、図 3 ( A) はパティキュレートフィルタ 1 2 aの正面図を示しており、図 3 ( B ) はパティキユレ一トフィル夕 1 2 aの側面断面図を示している。図 3 ( A) および（B) に示されるようにパティキユレ一トフィル夕 1 2 aはハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路 6 0 , 6 1 を具備する。これら排気流通路は下流端が栓 6 2により閉塞された排気ガス流入通路 6 0 と、上流端が栓 6 3により閉塞された排気ガス流出通路 6 1 とにより構成される。なお、図 3 ( Α ) においてハッチングを付した部分は栓 6 3 を示している。従って排気ガス流入通路 6 0および排気ガス流出通路 6 1は薄肉の隔壁 6 4を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス流入通路 6 0および排気ガス流出通路 6 1は各排気ガス流入通路 6 0が 4つの排気ガス流出通路 6 1 によって包囲され、各排気ガス流出通路 6 1が 4つの排気ガス流入通路 6 0によって包囲されるように配置される。

パティキュレートフィルタ 1 2 aは例えばコージライトのような多孔質材料から形成されており、従って排気ガス流入通路 6 0内に流入した排気ガスは図 3 ( B ) において矢印で示されるように周囲の隔壁 6 4内を通って隣接する排気ガス流出通路 6 1内に流出するこのように N O _x吸蔵触媒 1 2をパティキュレートフィルタ 1 2 a上に担持させた場合には、各排気ガス流入通路 6 0およぴ各排気ガス流出通路 6 1の周壁面、即ち各隔壁 6 4の両側表面上および隔壁 6 4内の細孔内壁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 4はこの触媒担体 4 5の表面部分の断面を図解的に示している。図 4に示されるように触媒担体 4 5の表面上には貴金属触媒 4 6が分散して担持されており、更に触媒担体 4 5の表面上には N〇_x吸収剤 4 7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 4 6として白金 P tが用いられており、 N O _x吸収剤 4 7 を構成する成分としては例えば力リウム K、ナトリウム N a、セシウム C s のようなアルカリ金属、バリゥム B a、カルシウム C aのようなアルカリ土類、ランタン L a、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 ΝΟ_χ吸蔵触媒 1 2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、 ΝΟ_χ吸収剤 4 7は排気ガスの空燃比がリーンのときには Ν Ο_χを吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収した Ν〇 _χを放出する Ν Ο _χの吸放出作用を行う。

即ち、 Ν〇 _χ吸収剤 4 7 を構成する成分とレてバリウム B a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 N〇は図 4に示されるように白金 P t 4 6上において酸化されて N〇 ₂となり、次いで N O _x吸収剤 4 7内に吸収されて酸化バリウム B a〇と結合しながら硝酸イオン N0₃—の形で N〇_x吸収剤 4 7内に拡散する。このようにして NO_xが NO _x吸収剤 4 7内に吸収される。排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金 P t 4 6の表面で N0₂ が生成され、 NO_x吸収剤 4 7の NO_x吸収能力が飽和しない限り N 〇₂がNO_x吸収剤 4 7内に吸収されて硝酸イオン N0₃—が生成される。

これに対し、還元剤供給弁 1 4から還元剤を供給することによつ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（N〇₃-→N〇₂) に進み、斯くして NO_x吸収剤 4 7内の硝酸ィォン1^〇₃—が]^〇₂の形で N〇_x吸収剤 4 7から放出される。次いで放出された NO_xは排気ガス中に含まれる未燃 H C， C O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N 〇_x吸収剤 4 7内に吸収される。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 N O_x吸収剤 4 7の N O_x吸収能力が飽和してしまい、斯くして N〇_x吸収剤 4 7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 N O _x 吸収剤 4 7の吸収能力が飽和する前に還元剤供給弁 1 4から還元剤を供給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、それによつて NO_x吸収剤 4 7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 s〇_x、即ち s o₂が含まれており、この

S 0₂が NO_x吸蔵触媒 1 2に流入するとこの S〇₂は白金 P t 4 6 において酸化されて S O ₃となる。次いでこの S 0₃は N O _x吸収剤 4 7内に吸収されて酸化バリゥム B a Oと結合しながら、硫酸ィォン S〇₄ の形で NO_x吸収剤 4 7内に拡散し、硫酸塩 B a S〇₄を生成する。この硫酸塩 B a S 0₄が増大すると NO_xの吸収量が減少し、斯くして時間が経過するにつれて NO_x吸収剤 4 7が吸収しうる N〇_x量が低下することになる。

そこで本発明では NO _x吸蔵触媒 1 2の上流に S O_x トラップ触媒 1 1 を配置してこの S〇_x トラップ触媒 1 1 により排気ガス中に含まれる S O_xを捕獲し、それによつて NO_x吸蔵触媒 1 2に 3〇_!(が流入しないようにしている。次にこの S O_x トラップ触媒 1 1 について説明する。

この S〇_x トラップ触媒 1 1 は例えばハニカム構造のモノリス触媒からなり、 S O_x トラップ触媒 1 1の軸線方向にまつすぐに延びる多数の排気ガス流通孔を有する。このように S O_x トラップ触媒 1 1 をハニカム構造のモノリス触媒から形成した場合には、各排気ガス流通孔の内周壁面上に例えばアルミナからなる触媒担体が担持されており、図 5はこの触媒担体 5 0の表面部分の断面を図解的に示している。図 5に示されるように触媒担体 5 0の表面上にはコート層 5 1が形成されており、このコート層 5 1の表面上には貴金属触媒 5 2が分散して担持されている。

本発明による実施例では貴金属触媒 5 2 として白金が用いられており、コート層 5 1 を構成する成分としては例えばカリウム K、ナトリウム N a、セシウム C s のようなアルカリ金属、ノリウム B a 、カルシウム C aのようなアルカリ土類、ランタン L a、イツトリゥム 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。即ち、 S O_x トラップ触媒 1 1のコート層 5 1は強塩基性を呈している。

さて、排気ガス中に含まれる S〇_x、即ち S〇₂は図 5に示されるように白金 P t 5 2において酸化され、次いでコート層 5 1内に捕獲される。即ち、 S〇₂は硫酸イオン S O ₄ ²_の形でコート層 5 1内に拡散し、硫酸塩を形成する。なお、上述したようにコート層 5 1 は強塩基性を呈しており、従って図 5に示されるように排気ガス中に含まれる S 0₂の一部は直接コート層 5 1内に捕獲される。

図 5においてコート層 5 1内における濃淡は捕獲された S O_xの濃度を示している。図 5からわかるようにコート層 5 1内における S O_x濃度はコート層 5 1の表面近傍が最も高く、奥部に行くに従つて次第に低くなつていく。コート層 5 1の表面近傍における S O _x濃度が高くなるとコート層 5 1の表面の塩基性が弱まり、 S O_xの捕獲能力が弱まる。ここで排気ガス中に含まれる S〇_xのうちで S O_x トラップ触媒 1 1に捕獲される S〇_xの割合を S O_x トラップ率と称すると、コート層 5 1の表面の塩基性が弱まればそれに伴なつて S O_x トラップ率が低下することになる。

図 6 に S O_x トラップ率の時間的変化を示す。図 6に示されるように S O_x トラップ率は初めは 1 0 0パーセントに近いが時間が経過すると S〇_x 卜ラップ率は急速に低下する。そこで本発明では図 7に示されるように S O_xトラップ率が予め定められた率よりも低下したときには排気ガスの空燃比がリーンのもとで S O_x トラップ触媒 1 1 の温度を上昇させる昇温制御を行い、それによつて S O_x トラップ率を回復させるようにしている。

即ち、排気ガスの空燃比がリーンのもとで S O_x トラップ触媒 1 1の温度を上昇させるとコート層 5 1内の表面近傍に集中的に存在する S O_xはコート層 5 1内における S〇_x濃度が均一となるようにコート層 5 1の奥部に向けて拡散していく。即ち、コート層 5 1内に生成されている硝酸塩はコート層 5 1の表面近傍に集中している不安定な状態からコート層 5 1内の全体に亘つて均一に分散した安定した状態に変化する。コート層 5 1内の表面近傍に存在する S O _xがコート層 5 1 の奥部に向けて拡散するとコート層 5 1の表面近傍の S〇_x濃度が低下し、斯くして S O_x トラップ触媒 1 1の昇温制御が完了すると図 7に示されるように S〇_x トラップ率が回復する

S O_x トラップ触媒 1 1の昇温制御を行ったときに S O_xトラップ触媒 1 1の温度をほぼ 4 5 0 °C程度にすればコート層 5 1の表面近傍に存在する S O_xをコート層 5 1内に拡散させることができ、 S O_xトラップ触媒 1 1の温度を 6 0 0 °C程度まで上昇させるとコ一ト層 5 1内の S O_x濃度をかなり均一化することができる。従って S O_x トラップ触媒 1 1の昇温制御時には排気ガスの空燃比がリ― ンのもとで S O_x トラップ触媒 1 1 の温度を 6 0 0 °C程度まで昇温させることが好ましい。

さて、前述したように本発明による実施例では NO_x吸収剤 4 7 の吸収能力が飽和する前に還元剤供給弁 1 4から還元剤を供給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、それによつて N〇_x吸収剤 4 7から N〇_xを放出させるようにしている。従ってこのとき S O_x トラップ触媒 1 1 に流入する排気ガスの空燃比が一時的にリッチになる。ところがこのとき s〇 _x トラップ触媒 1 1力、ら S〇_xが放出されてしまうとこの S O_xは N〇_x吸蔵触媒 1 2内に吸収されることになる。そこで本発明ではこのとき S〇 _xトラップ触媒 1 1から S O_xが放出されないように S O_x トラップ触媒 1 1 を形成するようにしている。

即ち、 S O_x トラップ触媒 1 1の塩基性を強くすると捕獲された N O _xは放出されずらくなり、従って S O _xが放出しないようにするためには S O_x トラップ触媒 1 1の塩基性を強くすることが好ましいことになる。また、 s〇_x放出という現象は酸化され吸収された s o_xを還元し放出する現象であり、従って s〇_xが放出しないようにするには s o_xが還元されないようにすることが必要である。この場合、 S〇_xの還元作用は還元剤供給弁 1 4から供給される還元剤、即ち H Cによって行われるので S O _xが放出しないようにするには H Cにより NO_xを還元する機能、即ち N〇_xによる H Cの酸化機能を弱めることが必要となる。

ところで S O_xの捕獲作用はコート層 5 1 によって行われ、従つて S O _xが放出しないようにするにはコート層 5 1の塩基性を強くすることが必要である。また、 S O_xの還元作用は貴金属触媒 4 6 によって行われ、従って S〇_xが放出しないようにするには貴金属触媒 4 6による S O_xの還元作用、即ち H Cの酸化作用を弱めることが必要である。この場合、コート層 5 1の塩基性を強くすると貴金属触媒 4 6による H Cの酸化作用、即ち酸化性が弱まる。

そこで本発明では S〇_xが放出しないようにコート層 5 1の塩基性、即ち S O_x トラップ触媒 1 1の塩基性を強めると共に酸化性を弱めるようにしている。この場合、 S〇_x トラップ触媒 1 1の塩基性をどの程度強め、酸化性をどの程度弱めるかを定量的に表すのは難かしいが、どの程度塩基性を強め、どの程度酸化性を弱めるかは

NO_x吸蔵触媒 1 2 と比較した NO_x浄化率や H C酸化率を用いて表すことができる。次にこのことについて図 8 を参照しつつ説明する図 8 ( A) は本発明において用いられている S O_x トラップ触媒 1 1 と NO_x吸蔵触媒 1 2の NO_x浄化率と S O_x放出率との関係を示しており、図 8 ( B ) は本発明において用いられている S O_x トラップ触媒 1 1 と N〇_x吸蔵触媒 1 2の H C酸化率と S〇_x放出率との関係を示している。なお、図 8 ( A) および図 8 ( B ) に示す関係は S O_x トラップ触媒 1 1の温度が通常運転時における温度範囲、即ちほぼ 1 5 0 °Cからほぼ 4 0 0 °Cの間にあるときのものである。 NO_x吸蔵触媒 1 2は N〇_xの吸蔵放出を繰返すことによって NO _xを浄化することを目的としているので図 8 ( A) および図 8 ( B ) に示されるように当然のことながら N〇_x浄化率および H C酸化率が高い。

ところが図 8 ( A) ， (B) に示されるように NO_x吸蔵触媒 1 2からはかなりの量の S O_xが放出される。無論この S O_xの放出作用は排気ガスの空燃比がリッチにされたときに行われたものである。これに対し、本発明では S〇_x トラップ触媒の温度が通常運転時における温度範囲、即ちほぼ 1 5 0 °Cからほぼ 4 0 0 °Cのときに S O_x放出量が零となるまで NO_x吸蔵触媒 1 2に比べて S O_x トラップ触媒 1 1の塩基性が強められ、酸化性が弱められている。このように NO_x吸蔵触媒 1 2に比べて S O_x トラップ触媒 1 1の塩基性が強められ、酸化性が弱められると S O_x トラップ触媒 1 1では N〇_x は吸収するが吸収した NO_xをほとんど放出しえなくなるので図 8

( A ) に示されるように S〇 _x トラップ触媒 1 1 の N 0 _x浄化率はかなり低くなる。この場合、 s o_x トラップ触媒の温度が通常運転時における温度範囲、即ちほぼ 1 5 0 °Cからほぼ 4 0 0 °Cのときに S O _x放出率が零になるまで S〇_x トラップ触媒 1 1の塩基性を強くし、酸化性を弱めると S O_x トラップ触媒 1 1 を用いたときの N O_x浄化率は N〇 _x吸蔵触媒 1 2 を用いたときの N O _x浄化率のほぼ 1 0パ一セント以下となる。従って S〇_x トラップ触媒 1 1は、 S〇_x トラップ触媒の温度が通常運転時における温度範囲、即ちほぼ 1 5 0でからほぼ 4 0 0 のときに S O_x トラップ触媒 1 1による N〇_x浄化率が N O_x 吸蔵触媒 1 2による N〇_x浄化率のほぼ 1 0パーセント以下になる程度まで NO_x吸蔵触媒 1 2に比べて塩基性が強められていると共に酸化性が弱められていると言うことができる。

一方、図 8 (B) からわかるように S〇_x トラップ触媒の温度が通常運転時における温度範囲、即ちほぼ 1 5 0でからほぼ 4 0 0 °C のときに S O_x放出率が零になるまで S O_x トラップ触媒 1 1 の塩基性を強くし、酸化性を弱めると S O_x トラップ触媒 1 1 を用いたときの H C酸化率は NO_x吸蔵触媒 1 2を用いたときの H C酸化率のほぼ 1 0パーセント以下となる。従って S〇_x トラップ触媒 1 1は、 S〇_xトラップ触媒の温度が通常運転時における温度範囲、即ちほぼ 1 5 0 °Cからほぼ 4 0 0 °Cのときに S〇 _xトラップ触媒 1 1 による H C酸化率が常時 NO _x吸蔵触媒 1 2による H C酸化率のほぼ 1 0パーセント以下になる程度まで NO _x吸蔵触媒 1 2に比べて塩基性が強められていると共に酸化性が弱められていると言うこともできる。

なお、貴金属触媒の量が少ないほど H Cの酸化作用は弱まるので本発明による実施例では S O_xトラップ触媒 1 1 に担持されている貴金属触媒 5 2の量は NO_x吸蔵触媒 1 2に担持されている貴金属触媒 4 6の量よりも少ない。さて、前述したように本発明による実施例では s o _x トラップ率が予め定められた率よりも低下したときには排気ガスの空燃比がリーンのもとで S O _x トラップ触媒 1 1の温度を上昇させる昇温制御を行い、それによつて s〇_x トラップ率を回復させるようにしている。この場合、本発明による実施例では還元剤供給弁 1 4から還元剤を供給し、この還元剤の酸化反応熱によつて S O _x トラップ触媒 1 1の温度を上昇させるようにしている。

なお、本発明では基本的には車両を購入してから廃車するまで s

O _x トラップ触媒 1 1 を交換することなくそのまま使用することを考えている。近年では特に燃料内に含まれるィォゥの量が減少せしめられており、従って S〇_x トラップ触媒 1 1の容量を或る程度大きくすれば S O _x トラップ触媒 1 1 を交換することなく廃車するまでそのまま使用することができる。例えば車両の耐用走行距離を 5 0万 kmとすると S O _x トラップ触媒 1 1 の容量は、走行距離が 2 5 万 km程度まで昇温制御することなく高い S〇_x トラップ率でもって S〇_xを捕獲し続けることのできる容量とされる。この場合、最初の昇温制御は走行距離が 2 5万 km程度で行われる。

次に図 9から図 1 1 を参照しつつ S〇_xトラップ触媒 1 1 における S O _x安定化処理の第 1実施例について説明する。

この第 1実施例では、 S O _x トラップ触媒 1 1 に捕獲された S O _x 量を推定し、 S O _x トラップ触媒 1 1 に捕獲された S O _x量が予め定められた量を越えたときに S O _x トラップ率が予め定められた率よりも低下したと判断され、このとき S O _x トラップ率を回復するために排気ガスの空燃比がリーンのもとで S〇_x トラップ触媒 1 1の温度を上昇させる昇温制御を行うようにしている。

即ち、燃料中には或る割合でィォゥが含まれており、従って排気ガス中に含まれる s O _x量、即ち S〇_xトラップ触媒 1 1 に捕獲され 7004 る S〇_x量は燃料噴射量に比例する。燃料噴射量は要求トルクおよび機関回転数の関数であり、従って S O_x トラップ触媒 1 1に捕獲される s o_x量も要求トルクおよび機関回転数の関数となる。本発明による実施例では S O_x トラップ触媒 1 1 に単位時間当り捕獲される S O_x量 S OXAが要求トルク T Qおよび機関回転数 Nの関数として図 9 ( A) に示されるようなマップの形で予め R OM 3 2内に記憶されている。

また、潤滑油内にも或る割合でィォゥが含まれており、燃焼室 2 内で燃焼せしめられる潤滑油量、即ち排気ガス中に含まれていて S O_x トラップ触媒 1 1 に捕獲される S O_x量も要求卜ルクおよび機関回転数の関数となる。本発明による実施例では潤滑油に含まれていて S O_x トラップ触媒 1 1 に単位時間当り捕獲される S O_xの量 S〇 X Bが要求トルク T Qおよび機関回転数 Nの関数として図 9 (B) に示されるようなマップの形で予め R O M 3 2内に記憶されており、 S O_x量 S OXAおよび S O_x量 S OX Bの和を積算することによつて S〇_x トラップ触媒 1 1 に捕獲されている S O_xi∑ S O Xが算出される。

また、本発明による実施例では図 9 ( C ) に示されるように S O _xi∑ S〇 Xと、 S O_x トラップ触媒 1 1 を昇温処理すべきときの予め定められた S O_x量 S O ( n ) との関係が予め記憶されており、 S O_xi∑ S OXが予め定められた S O ( n ) (n = l， 2 , 3 , ···) を越えたときに S Ο_χ トラップ触媒 1 1の昇温処理が行われる。なお、図 9 (C) においては ηは何回目の昇温処理であるかを示している。図 9 (C) からわかるように S〇_χ トラップ率を回復するための昇温処理回数 ηが増大するにつれて予め定められた量 S O ( n ) が増大せしめられ、この予め定められた量 S O ( n ) の増大割合は処理回数 nが増大するほど減少する。即ち、 S O ( 2 ) に対する S O ( 3 ) の増大割合は S O ( 1 ) に対する S O ( 2 ) の増大割合よりも減少する。

即ち、図 1 0のタイムチャートに示されるように S〇_x トラップ触媒 1 1 に捕獲された 30_](量∑ 30 は許容値 MAXまで時間の経過と共に増大し続ける。なお、図 1 0において∑ S〇 X = MAX になったときが走行距離にして 5 0万 km程度のときである。

—方、図 1 0において S O_x濃度は S O_x トラップ触媒 1 1の表面近傍における S O_x濃度を示している。図 1 0からわかるように S 〇_x トラップ触媒 1 1の表面近傍における S〇_x濃度が許容値 S〇 Z を越えると排気ガスの空燃比 A/Fがリーンのもとで S〇_x トラップ触媒 1 1の温度 Tを上昇させる昇温制御が行われる。昇温制御が行われると S O_x トラップ触媒 1 1の表面近傍における S O_x濃度は減少するがこの S O_x濃度の減少量は昇温制御が行われる毎に小さくなり、従って昇温制御が行われてから次に昇温制御が行われるまでの期間は昇温制御が行われる毎に短かくなる。

なお、図 1 0に示されるように捕獲された S O_xi∑ S OXが S 〇（ 1 ) , S O ( 2 ) ， …に達するということは S O_x トラップ触媒 1 1の表面近傍における S O_x濃度が許容値 S O Zに達したことを意味している。

図 1 1は S O_x安定化処理の第 1実施例を実行するためのルーチンを示している。

図 1 1 を参照するとまず初めにステップ 1 0 0において図 9 ( A ) , (B) から夫々単位時間当り捕獲される S O_x量 S O X Aおよび S O X Bが読み込まれる。次いでステップ 1 0 1ではこれら S O XAおよび S O X Bの和が S O_xi∑ S〇 Xに加算される。次いでステップ 1 0 2では 3〇₁₍量∑ 30 が図 9 ( C ) に示される予め定められた量 S O ( n ) ( n = 1 , 2 , 3， ···）に達したか否かが 4 判別される。 S O _χ量∑ S O Xが予め定められた量 S O ( n ) に達したときにはステップ 1 0 3に進んで昇温制御が行われる。

図 1 2および図 1 3に S〇_x安定化処理の第 2実施例を示す。この実施例では図 2に示されるように S〇_xトラップ触媒 1 1 の下流に S O_xセンサ 2 4が配置されており、この S O_xセンサ 2 4によつて S O_x トラップ触媒 1 1から流出した排気ガス中の S O_x濃度が検出される。即ち、この第 2実施例では図 1 3に示されるように S O _xセンサ 2 4により検出された排気ガス中の S O_x濃度が予め定められた濃度 S OYを越えたときに S O_x トラップ率が予め定められた率よりも低下したと判断され、このとき S〇_x トラップ率を回復するために排気ガスの空燃比 A / Fがリーンのもとで S〇 _x トラップ触媒 1 1の温度 Tを上昇せしめる昇温制御が行われる。

図 1 2はこの第 2実施例を実行するためのルーチンを示している図 1 2 を参照するとまず初めにステップ 1 1 0において 3〇_!4センサ 2 4の出力信号、例えば出力電圧 Vが読込まれる。次いでステップ 1 1 1では S O_xセンサ 2 4の電力電圧 Vが設定値 VXを越えたか否か、即ち排気ガス中の S〇_x濃度が予め定められた濃度 S O Yを越えたか否かが判別される。 V>VXになると、即ち排気ガス中の S O_x濃度が予め定められた濃度 S〇Yを越えるとステップ 1 1 2 に進んで昇温制御が行われる。

次に図 1 4を参照しつつ N〇_x吸蔵触媒 1 2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 N O_x吸蔵触媒 1 2に単位時間当り吸蔵される NO_x量 NOXAが要求トルク T Qおよび機関回転数 Nの関数として図 1 5に示すマップの形で予め R〇 M 3 2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 1 2に吸蔵された N O_x量 Σ Ν Ο Χが算出される。本発明による実施例では図 1 4に示されるようにこの Ν Ο_χ量 Σ Ν Ο Χが許容値 Ν Xに達する毎に ΝΟ_χ吸蔵触媒 1 2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、それによつて N O_x吸蔵触媒 1 2から N〇_xが放出される。

一方、排気ガス中に含まれる粒子状物質は NO _x吸蔵触媒 1 2 を担持しているパティキュレートフィルタ 1 2 a上に捕集され、順次酸化される。しかしながら捕集される粒子状物質の量が酸化される粒子状物質の量よりも多くなると粒子状物質がパティキユレ一トフィル夕 1 2 a上に次第に堆積し、この場合粒子状物質の堆積量が増大すると機関出力の低下を招いてしまう。従って粒子状物質の堆積量が増大したときには堆積した粒子状物質を除去しなければならない。この場合、空気過剰のもとでパティキユレ一卜フィルタ 1 2 a の温度を 6 0 0 °C程度まで上昇させると堆積した粒子状物質が酸化され、除去される。

そこで本発明による実施例ではパティキュレートフィル夕 1 2 a 上に堆積した粒子状物質の量が許容量を越えたときには排気ガスの空燃比がリーンのもとでパティキュレートフィル夕 1 2 aの温度を上昇させ、それによつて堆積した粒子状物質を酸化除去するようにしている。具体的に言うと本発明による実施例では差圧センサ 2 3 により検出されたパティキユレ一トフィル夕 1 2 aの前後差圧厶 P が図 1 4に示されるように許容値 P Xを越えたときに堆積粒子状物質の量が許容量を越えたと判断され、このときパティキュレートフィルタ 1 2 aに流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつパティキュレートフィル夕 1 2 aの温度 Tを上昇させる昇温制御が行われる。なお、パティキュレートフィルタ 1 2 aの温度 Tが高くなると N O_x吸蔵触媒 1 2から N〇_xが放出されるために捕獲されている N O_x量 Σ ΝΟ Χは減少する。

図 1 6は Ν Ο_χ吸蔵触媒 1 2に対する処理ルーチンを示している図 1 6 を参照するとまず初めにステップ 1 2 0 において図 1 5に示すマップから単位時間当り吸蔵される Ν〇 _χ量 Ν〇 X Αが算出される。次いでステップ 1 2 1ではこの N O XAが N〇_x吸蔵触媒 1 2に吸蔵されている N〇_x量 Σ Ν Ο Χに加算される。次いでステツプ 1 2 2では吸蔵 N O _x量∑ N O Xが許容値 N Xを越えたか否かが判別され、 ∑ N O X > N Xとなったときにはステップ 1 2 3に進んで還元剤供給弁 1 4から供給された還元剤によって N O_x吸蔵触媒 1 2に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリーンからリツチに切換えるリッチ処理が行われ、 ∑ N O Xがクリアされる。

次いでステップ 1 2 4では差圧センサ 2 3によりパティキュレー卜フィル夕 1 2 aの前後差圧 Δ Ρが検出される。次いでステップ 1 2 5では差圧△ Pが許容値 P Xを越えたか否かが判別され、 Δ P > P Xとなったときにはステップ 1 2 6に進んでパティキユレ一トフィル夕 1 2 aの昇温制御が行われる。この昇温制御はパティキユレ —卜フィルタ 1 2 a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 1 4から還元剤を供給することによって行われる

Claims

1. 機関排気通路内に排気ガス中に含まれる s o_xを捕獲しうる s o_x トラップ触媒を配置し、 s o_xトラップ触媒下流の排気通路内に、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 N〇_xを吸蔵し流請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 N O_xを放出する N〇_x吸蔵触媒を配置した圧縮着火式内燃機関において、上記 S〇_x トラップ触媒は、 S O_x 卜ラップ触媒の温度がほぼ 1 5 0 °Cからほぼ 4 0 0 °Cのときに S O _x トラップ触媒による N〇_x浄化率が上記 N〇_x吸蔵触媒による N O_x 浄化率のほぼ 1 0パーセント以下になる程画度まで該 NO_x吸蔵触媒に比べて塩基性が強められていると共に酸化性が弱められており、 N O_x吸蔵触媒から N〇_xを放出すべきときには S O_x トラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンからリツチに一時的に切換えられる圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。

2. 上記 S〇_x トラップ触媒は、 S O_x トラップ触媒の温度がほぼ 1 5 0 °Cからほぼ 4 0 0 °Cのときに S〇 _x トラップ触媒による H C 酸化率も常時 N O_x吸蔵触媒による H C酸化率のほぼ 1 0パーセント以下になる程度まで該 NO_x吸蔵触媒に比べて塩基性が強められていると共に酸化性が弱められている請求項 1 に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。

3. 上記 S O_x トラップ触媒は触媒担体上に形成されたコ一ト層と、コート層上に担持された貴金属触媒からなると共に該コート層内にはアル力リ金属、アル力リ土類金属又は希土類金属が分散して含有されており、上記 NO_x吸蔵触媒は触媒担体上にアルカリ金属、アル力リ土類又は希土類から選ばれた NO_x吸収剤と貴金属触媒とが担持されている請求項 1 に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。

4. 上記 S〇_x トラップ触媒に担持されている貴金属触媒量は上記 NO_x吸蔵触媒に担持されている貴金属触媒量よりも少ない請求項 3に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。

5. S O_x 卜ラップ触媒上流の排気通路内に還元剤供給装置を配置し、 N〇_x吸蔵触媒から NO_xを放出すべきときには還元剤供給装置から排気通路内に還元剤を供給して NO_x吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチにするようにした請求項 1に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。

6. 上記 S〇_x トラップ触媒は、 S O_x トラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのもとで S O _xトラップ触媒の温度が上昇すると捕獲した S O_xが次第に NO_x トラップ触媒の内部に拡散していく性質を有し、排気ガス中に含まれる S〇_xのうちで S〇_x トラップ触媒に捕獲される S O_xの割合を示す S O_x 卜ラップ率を推定する推定手段を具備し、 S O_x トラップ率が予め定められた率よりも低下したときには排気ガスの空燃比がリーンのもとで S〇_x トラップ触媒の温度を上昇させ、それによつて S O_x トラップ率を回復させるようにした請求項 1に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置

7. 上記 S O_x トラップ触媒に捕獲された S〇_x量を推定し、 S O _xトラップ触媒に捕獲された S O_x量が予め定められた量を越えたときに S O_x トラップ率が予め定められた率よりも低下したと判断され、このとき S O_x トラップ率を回復するために排気ガスの空燃比がリーンのもとで s o _x トラップ触媒の温度が上昇せしめられる請求項 6に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。

8. S O_x トラップ率を回復するための処理回数が増大するにつれて上記予め定められた量が増大せしめられ、この予め定められた量の増大割合は該処理回数が増大するほど減少する請求項 7 に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。

9. S O_x トラップ触媒下流の排気通路内に排気ガス中の S O_x濃度を検出しうる S O_xセンサを配置し、該 S O_xセンサの出力信号から S O_x トラップ率を算出する請求項 6に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。

10. S O_xセンサにより検出された排気ガス中の S〇_x濃度が予め定められた濃度を越えたときに s o_x トラップ率が予め定められた率よりも低下したと判断され、このとき s o_x トラップ率を回復するために排気ガスの空燃比がリーンのもとで s〇_x トラップ触媒の温度が上昇せしめられる請求項 9に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。

11. N〇_x吸蔵触媒が排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕獲して酸化させるためのパティキュレートフィル夕上に担持されている請求項 1 に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。

12. パティキユレ一トフィル夕上に堆積した粒子状物質の量が許容量を越えたときには排気ガスの空燃比がリーンのもとでパティキュレートフィルタの温度を上昇させ、それによつて堆積した粒子状物質を酸化除去するようにした請求項 1 1 に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。