JP2007120319A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一つの燃料添加弁を用い、良好な燃費を確保する。
【解決手段】内燃機関の排気通路内に配置された後処理装置２０が上流部に拡大室２２を有し、この拡大室２２の下流端において排気通路が第１の排気通路２４ａと第２の排気通路２４ｂとに分岐される。各排気通路２４ａ，２４ｂ内には夫々ＮＯ_x吸蔵還元触媒２５ａ，２５ｂと、パティキュレートフィルタ２６ａ，２６ｂが配置される。例えばＮＯ_x吸蔵還元触媒２５ａからＮＯ_xを放出すべきときには排気制御弁２８ｂにより第２の排気通路２４ｂを閉鎖して燃料添加弁３３から燃料を添加する。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

共通の排気通路から分岐された第１の排気通路と第２の排気通路を具備し、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のＮＯ_xを吸蔵し、流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸蔵しているＮＯ_xを放出するＮＯ_x吸収剤を第１の排気通路内および第２の排気通路内に夫々配置し、ＮＯ_x吸収剤上流の第１の排気通路内および第２の排気通路内に夫々燃料添加弁を配置し、ＮＯ_x吸収剤下流の第１の排気通路内および第２の排気通路内に夫々排気制御弁を配置した内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。

この内燃機関では第１の排気通路内に配置されたＮＯ_x吸収剤から吸蔵したＮＯ_xを放出させるときには第１の排気通路内に配置された排気制御弁を閉弁して第１の排気通路内に排気ガスを滞留させた状態で第１の排気通路内に配置された燃料添加弁から燃料を添加することにより第１の排気通路内における排気ガスの空燃比をリッチに保持し、第２の排気通路内に配置されたＮＯ_x吸収剤から吸蔵したＮＯ_xを放出させるときには第２の排気通路内に配置された排気制御弁を閉弁して第２の排気通路内に排気ガスを滞留させた状態で第２の排気通路内に配置された燃料添加弁から燃料を添加することにより第２の排気通路内における排気ガスの空燃比をリッチに保持するようにしている。
特開平７−１０２９４７号公報

しかしながらこの内燃機関では各ＮＯ_x吸収剤からＮＯ_xを放出させるために２つの燃料添加弁が必要であるという問題がある。更に大きな問題は、これら燃料添加弁はエンジンからかなり離れたところに配置されており、従ってエンジンからかなり離れたところまで燃料供給管を配管しなければならないということにある。

上記問題点を解決するために本発明によれば、機関排気通路内に配置された後処理装置が排気ガス流入口と、この排気ガス流入口と整列配置されかつ排気ガス流入口よりも大きな排気ガス流通断面積を有する拡大室と、この拡大室の下流端を画定する触媒とを具備し、触媒上流の拡大室内では一つである排気通路が触媒の上流側端面を境として上流側端面から下流側では第１の排気通路と第２の排気通路に分岐され、燃料添加弁から添加されて排気ガス流入口から拡大室内に流入する燃料を第１の排気通路内に流入させるときには第２の排気通路を閉鎖し、この燃料を第２の排気通路内に流入させるときには第１の排気通路を閉鎖するようにしている。

良好な燃費を確保しつつ燃料添加弁の数を低減できると共に燃料添加弁の取付け位置をエンジン本体に近づけることができる。

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の入口はエアフローメータ８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内には電子制御式スロットル弁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の出口は排気後処理装置２０に連結される。

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１２を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１２内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１３が配置される。また、ＥＧＲ通路１２周りにはＥＧＲ通路１２内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１４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１４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１５を介してコモンレール１６に連結される。このコモンレール１６内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ１７から燃料が供給され、コモンレール１６内に供給された燃料は各燃料供給管１５を介して燃料噴射弁３に供給される。

排気後処理装置２０は排気タービン７ｂの出口に連通する排気ガス流入口２１と、この排気ガス流入口２１と整列配置されかつ排気ガス流入口２１よりも大きな排気ガス流通断面積を有する拡大室２２と、拡大室２２の下流端に連結された一対の排気分岐管２３ａ，２３ｂとを具備しており、これらの各排気管２３ａ，２３ｂ内に夫々第１の排気通路２４ａおよび第２の排気通路２４ｂが形成される。

第１の排気通路２４ａ内には上流側から順に第１のＮＯ_x吸蔵還元触媒２５ａ、第１のパティキュレートフィルタ２６ａ、第１の酸化触媒２７ａ、およびアクチュエータにより駆動される第１の排気制御弁２８ａが配置され、第２の排気通路２４ｂ内には上流側から順に第２のＮＯ_x吸蔵還元触媒２５ｂ、第２のパティキュレートフィルタ２６ｂ、第２の酸化触媒２７ｂ、およびアクチュエータにより駆動される第２の排気制御弁２８ｂが配置される。これら第１の排気通路２４ａおよび第２の排気通路２４ｂは第１の排気制御弁２８ａおよび第２の排気制御弁２８ｂの下流において共通の排気管２９に合流せしめられる。

また、第１の排気通路２４ａには第１のＮＯ_x吸蔵還元触媒２５ａの温度を検出するための温度センサ３０ａと、第１のパティキュレートフィルタ２６ａの前後差圧を検出するための第１の差圧センサ３１ａと、第１の酸化触媒２７ａから排出された排気ガスの温度を検出するための温度センサ３２ａが配置され、第２の排気通路２４ｂには第２のＮＯ_x吸蔵還元触媒２５ｂの温度を検出するための温度センサ３０ｂと、第２のパティキュレートフィルタ２６ｂの前後差圧を検出するための第２の差圧センサ３１ｂと、第２の酸化触媒２７ｂから排出された排気ガスの温度を検出するための温度センサ３２ｂが配置される。

図２（Ａ）に後処理装置２０の斜視図を示し、図２０（Ｂ）に図１のII−II線に沿ってみた後処理装置２０の断面図を示す。図１および図２に示されるように拡大室２２は排気ガス流入口２１の中心軸線に沿って延びており、この拡大室２２は排気ガス流入口２１から両ＮＯ_x吸蔵還元触媒２５ａ，２５ｂの上流側端面に向けて徐々に拡開している。この徐々に拡開している拡大室２２の下流端は同一平面内を延びる両ＮＯ_x吸蔵還元触媒２５ａ，２５ｂの上流側端面により画定されており、従って拡大室２２内では一つである排気通路が両ＮＯ_x吸蔵還元触媒２５ａ，２５ｂの上流側端面を境としてこれら上流側端面から下流側では第１の排気通路２４ａと第２の排気通路２４ｂに分岐されることになる。

また、図１および図２に示されるように一対の排気分岐管２３ａ，２３ｂは排気ガス流入口２１の中心軸線を含む平面に対して対称的に配置されており、従って第１の排気通路２４ａおよび第２の排気通路２４ｂは排気ガス流入口２１の中心軸線を含む平面に対して対称的に配置されることになる。

一方、図１に示されるように排気マニホルド５内には燃料添加弁３３が配置され、この燃料添加弁３２から排気マニホルド５内に燃料が添加される。本発明による実施例ではこの燃料は軽油からなる。

電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５および出力ポート４６を具備する。エアフローメータ８、各温度センサ３０ａ，３０ｂ，３２ａ，３２ｂ、および各差圧センサ３１ａ，３１ｂの出力信号は夫々対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また、アクセルペダル４９にはアクセルペダル４９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５０が接続され、負荷センサ５０の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。更に入力ポート４５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５１が接続される。一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０駆動装置、ＥＧＲ制御弁１３、燃料ポンプ１７および燃料添加弁３３に接続される。

図３に後処理装置２０の別の実施例を示す。図４（Ａ）は図３に示す後処理装置２０の斜視図を示しており、図４（Ｂ）は図３のIV−IV線に沿ってみた後処理装置２０の断面図を示している。この実施例では拡大室２２が円錐状をなしており、ＮＯ_x吸蔵還元触媒２５が後処理装置２０の内部空間の横断面全体を延びる一つのストレートフロー型のモノリス触媒からなる。

また、後処理装置２０の内部空間はＮＯ_x吸蔵還元触媒２５の下流側端面から下流に向けて延びる隔壁３４によって２つの小空間に分離されており、各小空間が夫々第１の排気通路２４ａおよび第２の排気通路２４ｂを形成している。後処理装置２０は全体的に円筒状をなしており、従って第１の排気通路２４ａおよび第２の排気通路２４ｂの断面は半円形状をなす。この実施例では第１の排気通路２４ａ内に第１のパティキュレートフィルタ２６ａ、第１の酸化触媒２７ａおよび第１の排気制御弁２８ａが配置され、第２の排気通路２４ｂ内に第２のパティキュレートフィルタ２６ｂ、第２の酸化触媒２７ｂおよび第２の排気制御弁２８ｂが配置される。

図５は図１に示されるＮＯ_x吸蔵還元触媒２５ａ，２５ｂおよび図３に示されるＮＯ_x吸蔵還元触媒２５の構造を示している。図１および図３に示される実施例ではＮＯ_x吸蔵還元触媒２５ａ，２５ｂ，２５はストレートフロー型、即ち直進流型のハニカム構造をなしており、薄肉の隔壁６０により互いに分離された真すぐに延びる複数個の排気ガス流通路６１を具備する。各隔壁６０の両側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６（Ａ）および（Ｂ）はこの触媒担体６５の表面部分の断面を図解的に示している。図６（Ａ）および（Ｂ）に示されるように触媒担体６５の表面上には貴金属触媒６６が分散して担持されており、更に触媒担体６５の表面上にはＮＯ_x吸収剤６７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６６として白金Ｐｔが用いられており、ＮＯ_x吸収剤６７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吸蔵還元触媒２５ａ，２５ｂ，２５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６７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６７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６（Ａ）に示されるように白金Ｐｔ６６上において酸化されてＮＯ₂となり、次いでＮＯ_x吸収剤６７内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形でＮＯ_x吸収剤６７内に拡散する。このようにしてＮＯ_xがＮＯ_x吸収剤６７内に吸収される。排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔ６６の表面でＮＯ₂が生成され、ＮＯ_x吸収剤６７のＮＯ_x吸収能力が飽和しない限りＮＯ₂がＮＯ_x吸収剤６７内に吸収されて硝酸イオンＮＯ₃ ^-が生成される。

これに対し、排気ガスの空燃比がリッチ或いは理論空燃比にされると排気ガス中の酸化濃度が低下するために反応が逆方向（ＮＯ₃ ^-→ＮＯ₂）に進み、斯くして図６（Ｂ）に示されるようにＮＯ_x吸収剤６７内の硝酸イオンＮＯ₃ ^-がＮＯ₂の形でＮＯ_x吸収剤６７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６７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ＮＯ_x吸収剤６７のＮＯ_x吸収能力が飽和してしまい、斯くしてＮＯ_x吸収剤６７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６７の吸収能力が飽和する前に燃料添加弁３３から燃料を添加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６７からＮＯ_xを放出させるようにしている。

一方、図７（Ａ）および（Ｂ）は図１に示されるパティキュレートフィルタ２６ａ，２６ｂの構造を示している。なお、図７（Ａ）はパティキュレートフィルタ２６ａ，２６ｂの正面図を示しており、図７（Ｂ）はパティキュレートフィルタ２６ａ，２６ｂの側面断面図を示している。図７（Ａ）および（Ｂ）に示されるようにパティキュレートフィルタ２６ａ，２６ｂ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７０，７１を具備する。これら排気流通路は下流端が栓７２により閉塞された排気ガス流入通路７０と、上流端が栓７３により閉塞された排気ガス流出通路７１とにより構成される。なお、図７（Ａ）においてハッチングを付した部分は栓７３を示している。従って排気ガス流入通路７０および排気ガス流出通路７１は薄肉の隔壁７４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７０および排気ガス流出通路７１は各排気ガス流入通路７０が４つの排気ガス流出通路７１によって包囲され、各排気ガス流出通路７１が４つの排気ガス流入通路７０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２６ａ，２６ｂ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７０内に流入した排気ガスは図７（Ｂ）において矢印で示されるように周囲の隔壁７４内を通って隣接する排気ガス流出通路７１内に流出する。なお、図３に示されるパティキュレートフィルタ２６ａ，２６ｂの構造は輪郭形状が半円形であるということを除いて基本的には図７（Ａ），（Ｂ）に示される構造と同じである。

図１および図３に示される実施例では各排気ガス流入通路７０および各排気ガス流出通路７１の周壁面、即ち各隔壁７４の両側表面上および隔壁７４内の細孔内壁面上にも例えばアルミナからなる触媒担体が担持されており、この触媒担体６５の表面上には図６（Ａ）および（Ｂ）に示されるように白金Ｐｔからなる貴金属触媒６６が分散して担持されており、ＮＯ_x吸収剤６７の層が形成されている。

従ってリーン空燃比のもとで燃料が行われているときには排気ガス中のＮＯ_xがパティキュレートフィルタ２６ａ，２６ｂ上のＮＯ_x吸収剤６７内にも吸収される。このＮＯ_x吸収剤６７に吸収されたＮＯ_xも燃料添加弁３３から燃料を添加することによって放出される。

一方、排気ガス中に含まれる粒子状物質はパティキュレートフィルタ２６ａ，２６ｂ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ュレートフィルタ２６ａ，２６ｂ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ュレートフィルタ２６ａ，２６ｂの温度を６００℃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タ２６ａ，２６ｂ上に堆積した粒子状物質の量が許容量を越えたとき、即ち差圧センサ３１ａ，３１ｂにより検出されたパティキュレートフィルタ２６ａ，２６ｂの前後差圧ΔＰが許容値を越えたときにはパティキュレートフィルタ２６ａ，２６ｂに流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつ燃料添加弁３３から燃料を添加してこの添加された燃料の酸化反応熱によりパティキュレートフィルタ２６ａ，２６ｂの温度を上昇させ、それによって堆積した粒子状物質を酸化除去するようにしている。

なお、図１および図３においてＮＯ_x吸蔵還元触媒２５ａ，２５ｂに代え、酸化触媒或いは三元触媒を用いることができる。この場合、図３に示す実施例ではこれら酸化触媒或いは三元触媒はストレートフロー型のモノリス触媒から形成される。また、図１および図３においてパティキュレートフィルタ２６ａ，２６ｂとして、ＮＯ_x吸収剤６７を担持していないパティキュレートフィルタを用いることもできる。

次に図８を参照しつつＮＯ_x吸蔵還元触媒２５ａ，２５ｂ，２５上のＮＯ_x吸収剤６７、およびパティキュレートフィルタ２６ａ，２６ｂ上のＮＯ_x吸収剤６７からのＮＯ_xの放出制御について説明する。

機関から単位時間当りに排出されるＮＯ_x量は機関の運転状態に応じて変化し、従って単位時間当りにＮＯ_x吸収剤６７に吸収されるＮＯ_x量も機関の運転状態に応じて変化する。本発明による実施例ではＮＯ_x吸収剤６７に単位時間当り吸収される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９に示すマップの形で予めＲＯＭ４２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図８に示されるＮＯ_x吸収剤６７に吸収されたＮＯ_x量ΣＮＯＸが算出される。

本発明による実施例では第１の排気通路２４ａ内のＮＯ_x吸収剤６７からと、第２の排気通路２４ｂ内のＮＯ_x吸収剤６７からとから交互にＮＯ_xの放出作用が行われ、ＮＯ_x吸収剤６７に吸収されたＮＯ_x量ΣＮＯＸが図８に示される許容値ＭＡＸに達するといずれか一方の排気通路２４ａ，２４ｂ内のＮＯ_x吸収剤６７のＮＯ_x吸収量が許容値に達していることになる。従ってこのとき許容値に達している方のＮＯ_x吸収剤６７からＮＯ_xを放出すべきであると判断される。このとき他のＮＯ_x吸収剤６７に吸収されているＮＯ_x量は許容値の半分である。なお、図８においてＸ１は第１の排気通路２４ａ内のＮＯ_x吸収剤６７のＮＯ_x吸収量が許容値に達したときを示しており、Ｘ２は第２の排気通路２４ｂ内のＮＯ_x吸収剤６７のＮＯ_x吸収量が許容値に達したときを示している。

一方、図８においてＩは第１の排気通路２４ａを示しており、IIは第２の排気通路２４ｂを示している。図８からわかるように通常は、即ちＮＯ_x量ΣＮＯＸが許容値ＭＡＸよりも低いときには第１の排気制御弁２８ａおよび第２の排気制御弁２８ｂのいずれも開弁せしめられており、第１の排気通路２４ａおよび第２の排気通路２４ｂ内のいずれもリーン空燃比の排気ガスが流通している。従ってこのときにはいずれの排気通路２４ａ，２４ｂ内のＮＯ_x吸収剤６７においても排気ガス中のＮＯ_xの吸収作用が行われている。

さて、図８においてＸ１で示されるように第１の排気通路２４ａ内に配置されたＮＯ_x吸収剤６７からＮＯ_xを放出すべきときにはまず初めに第２の排気制御弁２８ｂが閉弁せしめられ、それによって第２の排気通路２４ｂが閉鎖される。その結果、排気ガス流入口２１から拡大室２２内に流入した排気ガスは第１の排気通路２４ａ内へのみ流入することになる。次いで第２の排気通路２４ｂが閉鎖された後、予め定められた第１の時間Δｔ１を経過したときに燃料添加弁３２からミスト状、即ち微粒子状の燃料が添加され、この添加燃料は微粒子状をなして拡大室２２内に流入する。

添加燃料の微粒子が拡大室２２内に流入するとこれら微粒子は減速され、燃料微粒子の慣性力が弱められる。このとき上述したように排気ガスは第１の排気通路２４ａ内にのみ流入しており、一方このとき上述したように燃料微粒子の慣性力が弱められているので燃料微粒子は排気ガスに載って第１の排気通路２４ａ内に向かう。従って添加されたほとんど全ての燃料が拡大室２２の内壁面や第２のＮＯ_x吸蔵還元触媒２５ｂの上流側端面上に付着することなく、第１の排気通路２４ａ内に送り込まれる。なお、第１の時間は第２の排気通路２４ｂ内への排気ガスの流入が停止するまでの待ち時間に相当する。

一方、燃料が添加されてから予め定められた第２の時間Δｔ２を経過すると第２の排気制御弁２８ｂが開弁して第２の排気通路２４ｂが開通せしめられると共に第１の排気制御弁２８ａが閉弁せしめられて第１の排気通路２４ａが閉鎖される。即ち、燃料添加弁３３から燃料が添加されるとこの燃料は排気ガス流に乗って即座に第１の排気通路２４ａ内を突き抜けるのではなくて、排気ガス流に対し遅れて第１の排気通路２４ａ内を前進する。次いでこの燃料は第１の排気通路２４ａ内のＮＯ_x吸蔵還元触媒２５ａや、パティキュレートフィルタ２６ａや、酸化触媒２７ａに一旦付着し、その後蒸発する。

即ち、燃料添加弁３３からの燃料添加後、第１の排気制御弁２８ａを早く閉弁しすぎると添加燃料が第１の排気通路２４ａ内の先の方まで進まないためにＮＯ_x吸蔵還元触媒２５ａやパティキュレートフィルタ２６ａの表面を十分に利用して添加燃料を保持しえず、これに対し燃料添加後、第１の排気制御弁２８ａを遅く閉弁しすぎると蒸発した燃料が外部に排出されてしまう。即ち、第２の時間Δｔ２は燃料添加弁３３から添加された燃料を第１の排気通路２４ａ内に保持するために必要な時間である。

この場合、排気ガスの流速が早いほど、即ち吸入空気量が多いほど添加燃料は先に進むので吸入空気量が多いほど第１の排気制御弁２８ａは早く閉弁する必要がある。従って図１０（Ａ）に示されるように吸入空気量Ｇａが増大するほど第２の時間Δｔ２は短くされる。一方、ＮＯ_x吸蔵還元触媒２５ａやパティキュレートフィルタ２６ａの温度Ｔｃ、即ちＮＯ_x吸収剤６７の温度Ｔｃが高くなるほど付着した燃料は蒸発しやすくなるので図１０（Ｂ）に示されるように温度Ｔｃが高くなるほど第２の時間Δｔ２は短くされる。この第２の時間Δｔ２は吸入空気量Ｇａおよび温度Ｔｃの関数として図１０（Ｃ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ４２内に記憶されている。

一方、第１の排気制御弁２８ａが閉弁せしめられ、第１の排気通路２４ａが閉鎖されてから予め定められた第３の時間Δｔ３が経過すると第１の排気制御弁２８ａが開弁せしめられ、第１の排気通路２４ａが開通せしめられる。第１の排気制御弁２８ａが閉弁している間にＮＯ_x吸蔵還元触媒２５ａやパティキュレートフィルタ２６ａに付着した燃料が蒸発して第１の排気通路２４ａ内に滞留している排気ガスの空燃比はリッチとなり、それによってＮＯ_x吸収剤６７に吸収されていたＮＯ_xが放出され、還元される。従って第３の時間Δｔ３は第１の排気通路２４ａ内における排気ガスの空燃比をリッチに保持することのできる時間である。

なお、ＮＯ_x吸収剤６７の温度Ｔｃが高いほどＮＯ_xの放出還元作用が進むので図１１（Ａ）に示されるように温度Ｔｃが高くなるほど第３の時間Δｔ３は短くなる。また、排気制御弁２８ａ，２８ｂは全閉していても若干の漏れがあり、このような漏れがあるとリーン空燃比の排気ガスが第１の排気通路２４ａ内に流入してくるので第１の排気通路２４ａ内の排気ガスの空燃比がリッチからリーンに早期に切換わることになる。この場合、排気ガス量が多いほど、即ち吸入空気量Ｇａが多いほどリッチからリーンに早期に切換わるので図１１（Ｂ）に示されるように吸入空気量Ｇａが増大するほど第３の時間Δｔ３は短くされる。この第３の時間Δｔ３は吸入空気量Ｇａおよび温度Ｔｃの関数として図１１（Ｃ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ４２内に記憶されている。

図８においてＸ２で示されるように第２の排気通路２４ｂ内に配置されたＮＯ_x吸収剤６７からＮＯ_xを放出すべきときも同様である。即ち、第２の排気通路２４ｂ内に配置されたＮＯ_x吸収剤６７からＮＯ_xを放出すべきときには第１の排気通路２４ａを閉鎖した後、予め定められた第１の時間Δｔ１を経過したときに燃料添加弁３３から燃料が添加され、燃料が添加されてから予め定められた第２の時間Δｔ２を経過したときに第１の排気通路２４ａが開通せしめられると共に第２の排気通路２４ｂが閉鎖され、次いで予め定められた第３の時間Δｔ３が経過したときに第２の排気通路２４ｂが開通せしめられる。

本発明の特徴とするところは、排気タービン７ｂの出口、或いはこの出口に通ずる共通の排気通路からただちに第１の排気通路２４ａと第２の排気通路２４ｂとを分岐させるのではなくて、排気タービン７ｂの出口、或いはこの出口に通ずる共通の排気通路を拡大室２２を介して第１の排気通路２４ａおよび第２の排気通路２４ｂに連結するようにしたことにある。このように第１の排気通路２４ａおよび第２の排気通路２４ｂの直前に拡大室２２を形成することによって燃費を向上することができる。

即ち、このような拡大室２２を設けることなく排気タービン７ｂの出口、或いはこの出口に通ずる共通の排気通路からただちに第１の排気通路２４ａと第２の排気通路２４ｂとを分岐させた場合において、例えば添加された燃料を第１の排気通路２４ａ内にのみ送り込むために第１の排気制御弁２８ａを全開し、第２の排気制御弁２８ｂを閉弁した状態で燃料添加弁３３から燃料を添加し、添加された燃料が第１の排気通路２４ａに送り込まれたときに第１の排気制御弁２８ａを閉弁し、第２の排気制御弁２８ｂを開弁したとする。この場合、一見したところ全ての添加燃料が第１の排気通路２４ａ内に送り込まれ、その後第１の排気制御弁２８ａが閉弁せしめられることによって第１の排気通路２４ａ内における排気ガスの空燃比がリッチに保持されるように見える。

しかしながら実際には添加された燃料を第１の排気通路２４ａ内にのみ送り込むために第１の排気制御弁２８ａを全開し、第２の排気制御弁２８ｂを閉弁した状態で燃料添加弁３３から燃料を添加しても添加された燃料は微粒子状をなしているために添加された燃料の一部が慣性により第２の排気通路２４ｂ内に流入し、第２の排気通路２４ｂの内壁面上等に付着する。次いで第２の排気制御弁２８ｂが全開せしめられるとこの付着燃料は第２の排気通路２４ｂ内を流通せしめられる。

ところでこの場合、この付着燃料によっては第２の排気通路２４ｂ内の排気ガスの空燃比はリッチにはならず、従って第２の排気通路２４ｂ内のＮＯ_x吸収剤６７からのＮＯ_x放出作用は行われない。即ち、この場合、この付着燃料は無駄に消費されることになる。これに対し、本発明におけるように拡大室２２を設けると前述したように燃料微粒子は拡大室２２内で減速するために慣性力が弱められる。その結果、ほとんど全ての燃料が排気ガス流に載って流入すべき排気通路２４ａ，２４ｂ内に流入するので燃費を向上できることになる。

なお、図３に示される実施例では触媒２５の直径に沿って延びる隔壁６０が隔壁３４と整列するように配置されており、触媒２５内においては触媒２５の直径に沿って延びる隔壁６０によって第１の排気通路２４ａと第２の排気通路２４ｂが分離されている。即ち、図３に示される実施例では触媒２５の直径に沿って延びる隔壁６０と隔壁３４とによって第１の排気通路２４ａと第２の排気通路２４ｂとが分離されている。

図１２は排気浄化処理ルーチンを示している。
図１２を参照するとまず初めにステップ１００において図９に示すマップから単位時間当り吸収されるＮＯ_x量ＮＯＸＡが算出される。次いでステップ１０１ではこのＮＯＸＡがＮＯ_x吸収剤６７に吸収されているＮＯ_x量ΣＮＯＸに加算される。次いでステップ１０２では吸収ＮＯ_x量ΣＮＯＸが許容値ＭＡＸを越えたか否かが判別され、ΣＮＯＸ＞ＭＡＸとなったときにはステップ１０３に進んで第１の排気通路２４ａ内のＮＯ_x吸収剤６７からＮＯ_xを放出すべきであることを示すフラグＩがセットされているか否かが判別される。

ステップ１０３においてフラグＩがセットされていると判断されたとき、即ち第１の排気通路２４ａ内のＮＯ_x吸収剤６７からＮＯ_xを放出すべきときにはステップ１０４に進んでフラグＩがリセットされる。次いでステップ１０５では第１の時間Δｔ１が算出される。次いでステップ１０６では温度センサ３０ａおよび温度センサ３２ａにより検出された温度の一方又は双方から推定されるＮＯ_x吸蔵還元触媒２５ａおよびパティキュレートフィルタ２６ａの代表温度Ｔｃとエアフローメータ８により検出された吸入空気量Ｇａとに基づいて図１０（Ｃ）に示すマップから第２の時間Δｔ２が算出される。次いでステップ１０７では温度センサ３０ａおよび温度センサ３２ａにより検出された温度の一方又は双方から推定されるＮＯ_x吸蔵還元触媒２５ａおよびパティキュレートフィルタ２６ａの代表温度Ｔｃとエアフローメータ８により検出された吸入空気量Ｇａとに基づいて図１１（Ｃ）に示すマップから第３の時間Δｔ３が算出される。次いでステップ１０８に進む。

ステップ１０８では図８に示されるようにまず初めに第２の排気制御弁２８ｂが閉弁され、次いでステップ１０５において算出された第１の時間Δｔ１が経過したときに燃料添加弁３３から燃料、即ち軽油が添加されると共にＮＯ_x量ΣＮＯＸが零とされる。次いでステップ１０６において算出された第２の時間Δｔ２が経過したときに第１の排気制御弁２８ａが閉弁され、第２の排気制御弁２８ｂが開弁される。次いでステップ１０７において算出された第３の時間Δｔ３が経過したときに第１の排気制御弁２８ａが開弁される。

一方、ステップ１０３においてフラグＩがセットされていないと判断されたとき、即ち第２の排気通路２４ｂ内のＮＯ_x吸収剤６７からＮＯ_xを放出すべきときにはステップ１０９に進んでフラグＩがセットされる。次いでステップ１１０では第１の時間Δｔ１が算出される。次いでステップ１１１では温度センサ３０ｂおよび温度センサ３２ｂにより検出された温度の一方又は双方から推定されるＮＯ_x吸蔵還元触媒２５ｂおよびパティキュレートフィルタ２６ｂの代表温度Ｔｃとエアフローメータ８により検出された吸入空気量Ｇａとに基づいて図１０（Ｃ）に示すマップから第２の時間Δｔ２が算出される。次いでステップ１１２では温度センサ３０ｂおよび温度センサ３２ｂにより検出された温度の一方又は双方から推定されるＮＯ_x吸蔵還元触媒２５ｂおよびパティキュレートフィルタ２６ｂの代表温度Ｔｃとエアフローメータ８により検出された吸入空気量Ｇａとに基づいて図１１（Ｃ）に示すマップから第３の時間Δｔ３が算出される。次いでステップ１０８に進む。

ステップ１０８では図８に示されるようにまず初めに第１の排気制御弁２８ａが閉弁され、次いでステップ１１０において算出された第１の時間Δｔ１が経過したときに燃料添加弁３３から燃料、即ち軽油が添加されると共にＮＯ_x量ΣＮＯＸが零とされる。次いでステップ１１１において算出された第２の時間Δｔ２が経過したときに第２の排気制御弁２８ｂが閉弁され、第１の排気制御弁２８ａが開弁される。次いでステップ１１２において算出された第３の時間Δｔ３が経過したときに第２の排気制御弁２８ｂが開弁される。

ところで燃料添加弁３３に燃料を添加するための燃料供給管を長い距離に亘って車両の床下に配管するのは抵抗感がある。しかしながら本発明では図１および図３に示されるように燃料添加弁３３をエンジン本体近くに配置できるので燃料供給管を短かくすることができる。

図１３に変形例を示す。この変形例では第１の排気通路２４ａの下流端と第２の排気通路２４ｂの下流端の排気通路２９への合流部に一個の排気制御弁２８が配置され、この一個の排気制御弁２８によって実線で示されるように第１の排気通路２４ａと第２の排気通路２４ｂが共に開通している状態と、破線ａで示されるように第１の排気通路２４ａのみが閉鎖されている状態と、破線ｂで示されるように第２の排気通路２４ｂのみが閉鎖されている状態との３つの状態に切換えられる。

圧縮着火式内燃機関の全体図である。 図１の後処理装置を示す図である。 圧縮着火式内燃機関の別の実施例の全体図である。 図３の後処理装置を示す図である。 ＮＯ_x吸蔵還元触媒の側面断面図である。 触媒担体の表面部分の断面図である。 パティキュレートフィルタの構造を示す図である。 燃料添加のタイミングと排気制御弁の開閉弁時期を示すタイムチャートである。 吸収ＮＯ_x量ＮＯＸＡのマップを示す図である。 第２の時間Δｔ２を示す図である。 第３の時間Δｔ３を示す図である。 排気浄化処理を行うためのフローチャートである。 圧縮着火式内燃機関の変形例を示す図である。

符号の説明

５ 排気マニホルド
２０ 排気後処理装置
２４ａ 第１の排気通路
２４ｂ 第２の排気通路
２５ａ 第１のＮＯ_x吸蔵還元触媒
２５ｂ 第２のＮＯ_x吸蔵還元触媒
２６ａ 第１のパティキュレートフィルタ
２６ｂ 第２のパティキュレートフィルタ
２７ａ 第１の酸化触媒
２７ｂ 第２の酸化触媒
２８ａ 第１の排気制御弁
２８ｂ 第２の排気制御弁
３３ 燃料添加弁

Claims (17)

1. 機関排気通路内に配置された後処理装置が排気ガス流入口と、該排気ガス流入口と整列配置されかつ該排気ガス流入口よりも大きな排気ガス流通断面積を有する拡大室と、該拡大室の下流端を画定する触媒とを具備し、該触媒上流の該拡大室内では一つである排気通路が該触媒の上流側端面を境として該上流側端面から下流側では第１の排気通路と第２の排気通路に分岐され、燃料添加弁から添加されて該排気ガス流入口から拡大室内に流入する燃料を第１の排気通路内に流入させるときには第２の排気通路を閉鎖し、該燃料を第２の排気通路内に流入させるときには第１の排気通路を閉鎖するようにした内燃機関の排気浄化装置。
2. 上記拡大室は上記排気ガス流入口から上記触媒の上流側端面に向けて徐々に拡開している請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 上記拡大室は上記排気ガス流入口の中心軸線に沿って延びており、上記第１の排気通路および第２の排気通路は該排気ガス流入口の中心軸線を含む平面に対して対称的に配置されている請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 上記後処理装置の内部空間が隔壁によって２つの小空間に分離されており、各小空間が夫々第１の排気通路および第２の排気通路を形成している請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 上記触媒がストレートフロー型のモノリス触媒からなると共に該触媒が後処理装置の内部空間の横断面全体を延びており、上記隔壁が該触媒の下流側端面から下流に向けて延びている請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 第１の排気通路および第２の排気通路を閉鎖又は開通させるために少くとも一つの排気制御弁を備えている請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 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のＮＯ_xを吸蔵し、流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸蔵しているＮＯ_xを放出するＮＯ_x吸収剤を第１の排気通路内および第２の排気通路内に夫々配置し、第１の排気通路内に配置されたＮＯ_x吸収剤からＮＯ_xを放出すべきときには第２の排気通路を閉鎖しかつ第１の排気通路を開通させた状態で燃料添加弁から燃料を添加して添加された燃料を第１の排気通路内に導びくと共に、第１の排気通路内に燃料が導びかれた後に該燃料により第１の排気通路内における排気ガスの空燃比をリッチに維持するために第１の排気通路を閉鎖し、第２の排気通路内に配置されたＮＯ_x吸収剤からＮＯ_xを放出すべきときには第１の排気通路を閉鎖しかつ第２の排気通路を開通させた状態で燃料添加弁から燃料を添加して添加された燃料を第２の排気通路内に導びくと共に、第２の排気通路内に燃料が導びかれた後に該燃料により第２の排気通路内における排気ガスの空燃比をリッチに維持するために第２の排気通路を閉鎖するようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 上記触媒が上記ＮＯ_x吸収剤を担持したＮＯ_x吸蔵還元触媒からなる請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 第１の排気通路および第２の排気通路内に夫々上記ＮＯ_x吸収剤を担持したパティキュレートフィルタが配置されている請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
10. 第１の排気通路内に配置されたＮＯ_x吸収剤からＮＯ_xを放出すべきときには第２の排気通路を閉鎖した後、予め定められた第１の時間を経過したときに燃料添加弁から燃料が添加され、燃料が添加されてから予め定められた第２の時間を経過したときに第２の排気通路が開通せしめられると共に第１の排気通路が閉鎖され、次いで予め定められた第３の時間が経過したときに第１の排気通路が開通せしめられ、第２の排気通路内に配置されたＮＯ_x吸収剤からＮＯ_xを放出すべきときには第１の排気通路を閉鎖した後、予め定められた第１の時間を経過したときに燃料添加弁から燃料が添加され、燃料が添加されてから予め定められた第２の時間を経過したときに第１の排気通路が開通せしめられると共に第２の排気通路が閉鎖され、次いで予め定められた第３の時間が経過したときに第２の排気通路が開通せしめられる請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
11. 第１の排気通路内に配置されたＮＯ_x吸収剤からＮＯ_xを放出すべきときには上記第１の時間は第２の排気通路内への排気ガスの流入が停止するまでの待ち時間に相当し、第２の排気通路内に配置されたＮＯ_x吸収剤からＮＯ_xを放出すべきときには上記第１の時間は第１の排気通路内への排気ガスの流入が停止するまでの待ち時間に相当する請求項１０に記載の内燃機関の排気浄化装置。
12. 第１の排気通路内に配置されたＮＯ_x吸収剤からＮＯ_xを放出すべきときには上記第２の時間は燃料添加弁から添加された燃料を第１の排気通路内に保持するために必要な時間であり、第２の排気通路内に配置されたＮＯ_x吸収剤からＮＯ_xを放出すべきときには上記第２の時間は燃料添加弁から添加された燃料を第２の排気通路内に保持するために必要な時間である請求項１０に記載の内燃機関の排気浄化装置。
13. 上記第２の時間は吸入空気量が増大するほど短かくなる請求項１２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
14. 上記第２の時間はＮＯ_x吸収剤の温度が高くなるほど短かくなる請求項１２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
15. 第１の排気通路内に配置されたＮＯ_x吸収剤からＮＯ_xを放出すべきときには上記第３の時間は第１の排気通路内における排気ガスの空燃比がリッチに保持されている時間であり、第２の排気通路内に配置されたＮＯ_x吸収剤からＮＯ_xを放出すべきときには上記第３の時間は第２の排気通路内における排気ガスの空燃比がリッチに保持されている時間である請求項１０に記載の内燃機関の排気浄化装置。
16. 上記第３の時間は吸入空気量が増大するほど短かくなる請求項１５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
17. 上記第３の時間はＮＯ_x吸収剤の温度が高くなるほど短かくなる請求項１５に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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