JP2008075585A

JP2008075585A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2008075585A
Application number: JP2006256982A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Hayashi; 篤史林; Shinya Hirota; 信也広田; Kotaro Hayashi; 孝太郎林; Takamitsu Asanuma; 孝充浅沼; Kohei Yoshida; 耕平吉田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2006-09-22
Publication date: 2008-04-03

Abstract

【課題】ＳＯ_xトラップ触媒の暖機時間を短かくする。
【解決手段】機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＳＯ_xを捕獲しうる複数のＳＯ_xトラップ触媒１２ａ〜１２ｃを並列に配置すると共に各ＳＯ_xトラップ触媒１２ａ〜１２ｃを共通のＮＯ_x吸蔵触媒１３に連結する。各排気遮断弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃを開閉制御することによってこれらＳＯ_xトラップ触媒１２ａ〜１２ｃが選択的に使用される。
【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。

内燃機関に使用される燃料および潤滑油内にはイオウが含まれており、従って排気ガス中にはＳＯ_xが含まれている。ところがこのＳＯ_xは機関排気通路内に配置された排気ガス浄化用触媒等の排気後処理装置の性能や耐久性を大巾に低下させる働きがあり、従って排気ガス中のＳＯ_xは除去することが好ましい。

そこで機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＳＯ_xを捕獲しうるＳＯ_xトラップ触媒を配置した内燃機関が公知である（特許文献１参照）。このＳＯ_xトラップ触媒は長期間に亘ってＳＯ_xを捕獲し続けることができるように大きな容量を有する。
特開２００５−１３３６１０号公報

しかしながらこのように大きな容積を有するＳＯ_xトラップ触媒を用いるとＳＯ_xトラップ触媒を暖機するのに時間を要し、斯くしてＳＯ_xトラップ触媒をすり抜けるＳＯ_x量が増大するという問題がある。

上記問題を解決するために本発明によれば、機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＳＯ_xを捕獲しうる複数のＳＯ_xトラップ触媒を並列に配置すると共に各ＳＯ_xトラップ触媒を共通の排気後処理装置に連結し、これらＳＯ_xトラップ触媒を選択的に使用するようにしている。

ＳＯ_xトラップ触媒として小型のＳＯ_xトラップ触媒を使用することができるのでＳＯ_xトラップ触媒の暖機に要する時間が短かくなり、斯くしてＳＯ_xトラップ触媒をすり抜けるＳＯ_x量を低減することができる。

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１０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１０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の出口は第１の排気枝通路１１ａと第２の排気枝通路１１ｂに分岐される。図１に示されるように第１の排気枝通路１１ａ内には第１のＳＯ_xトラップ触媒１２ａが配置され、第２の排気枝通路１１ｂ内には第２のＳＯ_xトラップ触媒１２ｂが配置される。これら第１の排気枝通路１１ａおよび第２の排気枝通路１１ｂは夫々対応するＳＯ_xトラップ触媒１２ａ，１２ｂの下流において合流して共通の排気後処理装置１３に連結される。図１に示される実施例ではこの排気後処理装置１３はＮＯ_x吸蔵触媒からなる。

また、機関排気通路内には選択された排気枝通路１１ａ，１１ｂ内に排気ガスを流通させるための通路切換弁装置が設けられている。図１に示される実施例ではこの通路切換弁装置は第１のＳＯ_xトラップ触媒１２ａ下流の第１の排気枝通路１１ａ内に配置されてアクチュエータ１４ａにより開閉制御される第１の排気遮断弁１５ａと、第２のＳＯ_xトラップ触媒１２ｂ下流の第２の排気枝通路１１ｂ内に配置されてアクチュエータ１４ｂにより開閉制御される第２の排気遮断弁１５ｂとにより構成される。

なお、各排気遮断弁１５ａ，１５ｂは夫々対応するＳＯ_xトラップ触媒１２ａ，１２ｂ上流の排気枝通路１１ａ，１１ｂ内に配置することもできるし、また第１の排気枝通路１１ａと第２の排気枝通路１１ｂとの分岐部に配置した一つの排気切換弁からなる流路切換弁装置を用いることもできる。

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。一方、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に連結される。このコモンレール２０内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２１から燃料が供給され、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、排気マニホルド５内にはＮＯ_x吸蔵触媒１３からＮＯ_xを放出させるための燃料を添加する燃料添加弁２２が配置される。

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。図１に示されるようにＮＯ_x吸蔵触媒１３にはＮＯ_x吸蔵触媒１３の前後差圧を検出するための差圧センサ２３が取付けられており、この差圧センサ２３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。

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９駆動用ステップモータ、各アクチュエータ１４ａ，１４ｂ、ＥＧＲ制御弁１７、燃料ポンプ２１および燃料添加弁２２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タービン７ｂの出口は第１の排気枝通路１１ａと第２の排気枝通路１１ｂと第３の排気枝通路１１ｃに分岐され、第１の排気枝通路１１ａ内には第１のＳＯ_xトラップ触媒１２ａが配置され、第２の排気枝通路１１ｂ内には第２のＳＯ_xトラップ触媒１２ｂが配置され、第３の排気枝通路１１ｃ内には第３のＳＯ_xトラップ触媒１２ｃが配置される。この第２実施例でも第１の排気枝通路１１ａ、第２の排気枝通路１１ｂおよび第３の排気枝通路１１ｃは夫々対応するＳＯ_xトラップ触媒１２ａ，１２ｂ，１２ｃの下流において合流して共通の排気後処理装置１３に連結される。

一方、図２に示される実施例では図１に示される実施例と同様に通路切換弁装置は第１のＳＯ_xトラップ触媒１２ａ下流の第１の排気枝通路１１ａ内に配置された第１の排気遮断弁１５ａと、第２のＳＯ_xトラップ触媒１２ｂ下流の第２の排気枝通路１１ｂ内に配置された第２の排気遮断弁１５ｂと、第３のＳＯ_xトラップ触媒１２ｃ下流の第３の排気枝通路１１ｃ内に配置された第３の排気遮断弁１５ｃとにより構成される。

まず初めに図１および図２に示されるＮＯ_x吸蔵触媒１３について説明すると、これらＮＯ_x吸蔵触媒１３は三次元網目構造のモノリス担体或いはペレッ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トフィルタ上に担持されている。このようにＮＯ_x吸蔵触媒１３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１３をパティキュレート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ＮＯ_x吸蔵触媒１３を担持したパティキュレートフィルタ１３ａ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１３ａの正面図を示しており、図３（Ｂ）はパティキュレートフィルタ１３ａ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ュレートフィルタ１３ａ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６０，６１を具備する。これら排気流通路は下流端が栓６２により閉塞された排気ガス流入通路６０と、上流端が栓６３により閉塞された排気ガス流出通路６１とにより構成される。なお、図３（Ａ）においてハッチングを付した部分は栓６３を示している。従って排気ガス流入通路６０および排気ガス流出通路６１は薄肉の隔壁６４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６０および排気ガス流出通路６１は各排気ガス流入通路６０が４つの排気ガス流出通路６１によって包囲され、各排気ガス流出通路６１が４つの排気ガス流入通路６０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１３ａ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６０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６４内を通って隣接する排気ガス流出通路６１内に流出する。
このようにＮＯ_x吸蔵触媒１３をパティキュレートフィルタ１３ａ上に担持させた場合には、各排気ガス流入通路６０および各排気ガス流出通路６１の周壁面、即ち各隔壁６４の両側表面上および隔壁６４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４５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、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４に示されるように白金Ｐｔ４６上において酸化されてＮＯ₂となり、次いでＮＯ_x吸収剤４７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ＮＯ₂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ＮＯ₂がＮＯ_x吸収剤４７内に吸収されて硝酸イオンＮＯ₃ ^-が生成される。

これに対し、燃料添加弁２２から燃料を添加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ＮＯ_x吸収剤４７内の硝酸イオンＮＯ₃ ^-がＮＯ₂の形でＮＯ_x吸収剤４７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４７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燃料添加弁２２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ＳＯ₂が含まれており、このＳＯ₂がＮＯ_x吸蔵触媒１３に流入するとこのＳＯ₂は白金Ｐｔ４６において酸化されてＳＯ₃となる。次いでこのＳＯ₃はＮＯ_x吸収剤４７内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、硫酸イオンＳＯ₄ ^2-の形でＮＯ_x吸収剤４７内に拡散し、安定した硫酸塩ＢａＳＯ₄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ＢａＳＯ₄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ＢａＳＯ₄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ＢａＳＯ₄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。

ところでこの場合、ＮＯ_x吸蔵触媒１３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１３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ＳＯ_xが放出される。ただし、この場合ＮＯ_x吸収剤４７からは少しずつしかＳＯ_xが放出されない。従ってＮＯ_x吸収剤４７から全ての吸収ＳＯ_xを放出させるには長時間に亘って空燃比をリッチにしなければならず、斯くして多量の燃料が必要になるという問題がある。また、ＮＯ_x吸収剤４７から放出されたＳＯ_xは大気中に排出されることになり、このことも好ましいことではない。

そこで本発明ではＮＯ_x吸蔵触媒１３の上流にＳＯ_xトラップ触媒１２ａ〜１２ｃを配置してこのＳＯ_xトラップ触媒１２ａ〜１２ｃにより排気ガス中に含まれるＳＯ_xを捕獲し、それによってＮＯ_x吸蔵触媒１３にＳＯ_xが流入しないようにしている。次にこれらＳＯ_xトラップ触媒１２ａ〜１２ｃについて説明する。

これらＳＯ_xトラップ触媒１２ａ〜１２ｃは例えばハニカム構造のモノリス触媒からなり、ＳＯ_xトラップ触媒１２ａ〜１２ｃの軸線方向にまっすぐに延びる多数の排気ガス流通孔を有する。図５はこのようにＳＯ_xトラップ触媒１２ａ〜１２ｃをハニカム構造のモノリス触媒から形成した場合の各排気ガス流通孔の内周壁面、即ち基体５０の表面部分の断面を図解的に示している。図５に示されるように基体５０の表面上にはコート層５１が形成されており、このコート層５１の表面上には貴金属触媒５２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５２として白金が用いられており、コート層５１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。即ち、ＳＯ_xトラップ触媒１２ａ〜１２ｃのコート層５１は強塩基性を呈している。

さて、排気ガス中に含まれるＳＯ_x、即ちＳＯ₂は図５に示されるように白金Ｐｔ５２において酸化され、次いでコート層５１内に捕獲される。即ち、ＳＯ₂は硫酸イオンＳＯ₄ ^2-の形でコート層５１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５１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ＳＯ₂の一部は直接コート層５１内に捕獲される。

図５においてコート層５１内における濃淡は捕獲されたＳＯ_xの濃度を示している。図５からわかるようにコート層５１内におけるＳＯ_x濃度はコート層５１の表面近傍が最も高く、奥部に行くに従って次第に低くなっていく。コート層５１の表面近傍におけるＳＯ_x濃度が高くなるとコート層５１の表面の塩基性が弱まり、ＳＯ_xの捕獲能力が弱まる。ここで排気ガス中に含まれるＳＯ_xのうちでＳＯ_xトラップ触媒１２ａ〜１２ｃに捕獲されるＳＯ_xの割合をＳＯ_xトラップ率と称すると、コート層５１の表面の塩基性が弱まればそれに伴なってＳＯ_xトラップ率が低下することになる。

さて、容量の大きなＳＯ_xトラップ触媒を用いると時間を経過してもＳＯ_xトラップ率はさほど低下しない。従って容量の大きなＳＯ_xトラップ触媒を用いると車両を長期間に亘って運転したとしてもＮＯ_x吸蔵触媒１３に多量のＳＯ_xが吸蔵されるのを阻止しうるように見える。しかしながらＳＯ_xトラップ触媒の容量を大きくするとＳＯ_xトラップ触媒を暖機するまでに長時間を要し、この間ＳＯ_xがＳＯ_xトラップ触媒を素通りするので多量のＳＯ_xがＮＯ_x吸蔵触媒１３に吸蔵されることになる。

そこで本発明ではＳＯ_xトラップ触媒の暖機に要する時間が短かくなるように容量の小さなＳＯ_xトラップ触媒１２ａ〜１２ｃを用い、それによって多量のＳＯ_xがＮＯ_x吸蔵触媒１３に吸蔵されないようにしている。

ところが容量の小さなＳＯ_xトラップ触媒１２ａ〜１２ｃを用いると容量が小さい分だけ早期にＳＯ_xトラップ率が低下しはじめる。そこで本発明による第１実施例では例えば図１において第１のＳＯ_xトラップ触媒１２ａおよび第２のＳＯ_xトラップ触媒１２ｂを対応する排気枝通路１１ａ，１１ｂに対して夫々着脱自在に取付け、いずれか一方の排気枝通路１１ａ，１１ｂ内に排気ガスを流通させ、排気ガスが流通せしめられている方の排気枝通路１１ａ，１１ｂ内のＳＯ_xトラップ触媒１２ａ，１２ｂが劣化したときには排気ガスの流通を停止して今度は他方の排気枝通路１１ａ，１１ｂ内に排気ガスを流通させ、排気ガスの流通が停止せしめられた方の排気枝通路１１ａ，１１ｂ内の劣化したＳＯ_xトラップ触媒１２ａ，１２ｂを新品と交換するようにしている。

このことについて図６を参照しつつもう少し具体的に説明する。なお、図６においてＩは第１の排気枝通路１１ａ内における第１排気遮断弁１５ａの状態と第１のＳＯ_xトラップ触媒１２ａのＳＯ_xトラップ率の変化を示しており、IIは第２の排気枝通路１１ｂ内における第２排気遮断弁１５ｂの状態と第２のＳＯ_xトラップ触媒１２ｂのＳＯ_xトラップ率の変化を示している。

図６を参照すると第１排気遮断弁１５ａが開弁しているときには第２排気遮断弁１５ｂが閉弁せしめられており、従ってこのときには第１の排気枝通路１１ａ内のみに排気ガスが流通せしめられている。このような状態で時間が経過すると第１のＳＯ_xトラップ触媒１２ａのＳＯ_xトラップ率が次第に低下してくる。次いで第１のＳＯ_xトラップ触媒１２ａのＳＯ_xトラップ率が予め定められた許容値ＳＸまで低下したときには第１排気遮断弁１５ａが閉弁せしめられ、第２排気遮断弁１５ｂが開弁せしめられる。

このときには第２の排気枝通路１１ｂ内のみに排気ガスが流通せしめられている。このとき第１の排気枝通路１１ａ内の劣化したＳＯ_xトラップ触媒１２ａが新品と交換される。次いで第２のＳＯ_xトラップ触媒１２ｂのＳＯ_xトラップ率が予め定められた許容値ＳＸまで低下したときには再び第１排気遮断弁１５ａが開弁せしめられ、第２排気遮断弁１５ｂが閉弁せしめられる。このときには第１の排気枝通路１１ａ内のみに排気ガスが流通せしめられており、このとき第２の排気枝通路１１ｂ内の劣化したＳＯ_xトラップ触媒１２ｂが新品と交換される。

このように本発明によれば一部のＳＯ_xトラップ触媒１２ａ，１２ｂを使用している間に使用していないＳＯ_xトラップ触媒１２ａ，１２ｂを交換しうるようにＳＯ_xトラップ触媒１２ａ，１２ｂが交換可能に配置されている。本発明では各ＳＯ_xトラップ触媒１２ａ，１２ｂの容量は走行距離にして数万km程度連続使用しうる容量に設定されている。従ってＳＯ_xトラップ触媒１２ａ，１２ｂの交換は例えば定期点検時に行えばよいのでメインテナンスに関しては煩わしさがないと言える。

次に図７および図８を参照しつつ図６に示される排気遮断弁１５ａ，１５ｂの制御ルーチンについて説明する。
本発明による実施例では、ＳＯ_xトラップ触媒１２ａ，１２ｂに捕獲されたＳＯ_x量を推定し、ＳＯ_xトラップ触媒１２ａ，１２ｂに捕獲されたＳＯ_x量が予め定められた量を越えたときにＳＯ_xトラップ率が予め定められた許容値ＳＸよりも低下したと判断され、このとき排気流路の切換えが行われる。

即ち、燃料中には或る割合でイオウが含まれており、従って排気ガス中に含まれるＳＯ_x量、即ちＳＯ_xトラップ触媒１２ａ，１２ｂに捕獲されるＳＯ_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ＳＯ_xトラップ触媒１２ａ，１２ｂに捕獲されるＳＯ_x量も要求トルクおよび機関回転数の関数となる。従って本発明による実施例ではＳＯ_xトラップ触媒１２ａ，１２ｂに単位時間当り捕獲されるＳＯ_x量ＳＯＸＡが要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図７に示されるようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

なお、ＳＯ_xトラップ率はその他の種々の方法によって検出することができる。例えばＳＯ_xトラップ触媒１２ａ，１２ｂの下流にＳＯ_x濃度検出センサを取付けてＳＯ_xトラップ触媒１２ａ，１２ｂから流出する排気ガス中のＳＯ_x濃度が高くなったときにＳＯ_xトラップ率が低下したと判断することができる。また、ＳＯ_xトラップ率を推定する際にＳＯ_xトラップ触媒１２ａ，１２ｂの熱劣化を考慮することもできる。この場合には例えばＳＯ_xトラップ触媒１２ａ，１２ｂの受けた熱負荷を積算することによって熱劣化の度合が求められ、この熱劣化の度合から熱劣化によるＳＯ_xトラップ率の低下量が推定される。

図８に排気遮断弁の制御ルーチンを示す。
図８を参照するとまず初めにステップ１００において図７に示すマップから単位時間当り捕獲されるＳＯ_x量ＳＯＸＡが算出される。次いでステップ１０１ではこのＳＯＸＡがＳＯ_xトラップ触媒１２ａ，１２ｂに捕獲されているＳＯ_x量ΣＳＯＸに加算される。次いでステップ１０２ではこの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１０３に進んで排気ガス流路を切換えるために排気遮断弁１５ａ，１５ｂの開閉制御が行われる。

次に図９から図１を参照しつつＮＯ_x吸蔵触媒１３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ＮＯ_x吸蔵触媒１３に単位時間当り吸蔵される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１０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１３に吸蔵されたＮＯ_x量ΣＮＯＸが算出される。本発明による実施例では図９に示されるようにこのＮＯ_x量ΣＮＯＸが許容値ＮＸに達する毎に燃料添加弁２２から燃料を添加することによってＮＯ_x吸蔵触媒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ＮＯ_x吸蔵触媒１３からＮＯ_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１３を担持しているパティキュレートフィルタ１３ａ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１３ａ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１３ａ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１３ａ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１３ａ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。具体的に言うと本発明による実施例では差圧センサ２３により検出されたパティキュレートフィルタ１３ａの前後差圧ΔＰが図９に示されるように許容値ＰＸ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１３ａ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タ１３ａの温度Ｔを上昇させる昇温制御が行われる。この昇温制御は燃料添加弁２２から燃料を添加することによって行われる。なお、パティキュレートフィルタ１３ａの温度Ｔが高くなるとＮＯ_x吸蔵触媒１３からＮＯ_xが放出されるために捕獲されているＮＯ_x量ΣＮＯＸは減少する。

図１１はＮＯ_x吸蔵触媒１３に対する処理ルーチンを示している。
図１１を参照するとまず初めにステップ２００において図１０に示すマップから単位時間当り吸蔵されるＮＯ_x量ＮＯＸＡが算出される。次いでステップ２０１ではこのＮＯＸＡがＮＯ_x吸蔵触媒１３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２０２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、ΣＮＯＸ＞ＮＸとなったときにはステップ２０３に進んで燃料添加弁２２から添加された燃料によってＮＯ_x吸蔵触媒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２０４では差圧センサ２３によりパティキュレートフィルタ１３ａの前後差圧ΔＰが検出される。次いでステップ２０５では差圧ΔＰが許容値ＰＸを越えたか否かが判別され、ΔＰ＞ＰＸとなったときにはステップ２０６に進んでパティキュレートフィルタ１３ａの昇温制御が行われる。

これまで図１を参照しつつ第１実施例について説明してきたがこの第１実施例は図２に示されるように並列配置された３つのＳＯ_xトラップ触媒１２ａ〜１２ｃ、或いはそれ以上の個数のＳＯ_xトラップ触媒を有する場合にも適用しうる。

図１２に第２実施例を示す。なお、図６と同様にこの図１２においてもＩは図１に示される第１の排気枝通路１１ａ内における第１排気遮断弁１５ａの状態と第１のＳＯ_xトラップ触媒１２ａのＳＯ_xトラップ率の変化を示しており、IIは図１において第２の排気枝通路１１ｂ内における第２排気遮断弁１５ｂの状態と第２のＳＯ_xトラップ触媒１２ｂのＳＯ_xトラップ率の変化を示している。

この第２実施例では途中の段階までは第１実施例と同じ排気遮断弁１５ａ，１５ｂの制御が行われる。即ち、図１２に示されるように第１排気遮断弁１５ａが開弁しているときには第２排気遮断弁１５ｂが閉弁せしめられており、従ってこのときには第１の排気枝通路１１ａ内のみに排気ガスが流通せしめられている。次いで第１のＳＯ_xトラップ触媒１２ａのＳＯ_xトラップ率が予め定められた許容値ＳＸまで低下したときには第１排気遮断弁１５ａが閉弁せしめられ、第２排気遮断弁１５ｂが開弁せしめられる。

このときには第２の排気枝通路１１ｂ内のみに排気ガスが流通せしめられる。次いで第２のＳＯ_xトラップ触媒１２ｂのＳＯ_xトラップ率が予め定められた許容値ＳＸまで低下すると今度は第１排気遮断弁１５ａと第２排気遮断弁１５ｂとが共に開弁せしめられ、斯くしてこのときには第１の排気枝通路１１ａ内および第２の排気枝通路１１ｂ内の双方に排気ガスが流通せしめられる。

この第２実施例は各ＳＯ_xトラップ触媒１２ａ，１２ｂを新品と交換しないようにした場合に各ＳＯ_xトラップ触媒１２ａ，１２ｂを可能な限り有効に利用するようにしたものである。即ち、ＳＯ_xトラップ触媒１２ａ，１２ｂを単独で使用する場合には低いトラップ率しか得られなくても両ＳＯ_xトラップ触媒１２ａ，１２ｂを同時に使用すると各ＳＯ_xトラップ触媒１２ａ，１２ｂにおける排気ガスの空間速度が低くなるために各ＳＯ_xトラップ触媒１２ａ，１２ｂにおけるＳＯ_xトラップ率は上昇する。従って図１２に示されるように途中の段階で両ＳＯ_xトラップ触媒１２ａ，１２ｂを同時に使用することによって長期間に亘って高いＳＯ_xトラップ率を維持することができる。

この第２実施例についても図２に示されるように並列配置された３つのＳＯ_xトラップ触媒１２ａ〜１２ｃ、或いはそれ以上の個数のＳＯ_xトラップ触媒を有する場合にも適用しうる。従ってこの第２実施例について一般的に表現するとこの第２実施例では各ＳＯ_xトラップ触媒１２ａ〜１２ｃはその劣化度合が予め定められた劣化度合に達するまで順次使用され、全てのＳＯ_xトラップ触媒１２ａ〜１２ｃが予め定められた劣化度合に達するまで使用された後は、複数のＳＯ_xトラップ触媒１２ａ〜１２ｃを同時に使用するようにしている。

次に図１３および図１４を参照しつつ第３実施例について説明する。
この第３実施例では機関の運転状態に応じて使用するＳＯ_xトラップ触媒１２ａ〜１２ｃの個数を変更するようにしており、図１３に示される例では単位時間当りの燃料供給量が増大するほど使用するＳＯ_xトラップ触媒１２ａ〜１２ｃの個数が増大せしめられる。

即ち、図１３には要求トルクＴＱと機関回転数Ｎから定まる３つの領域Ｉ，II，IIIが示されており、領域Ｉでは、即ち機関低速低負荷運転時には図２において第１のＳＯ_xトラップ触媒１２ａのみが使用され、領域IIでは、即ち機関中速中負荷運転時には図２において第１のＳＯ_xトラップ触媒１２ａと第２のＳＯ_xトラップ触媒１２ｂとが使用され、領域IIIでは、即ち機関高速高負荷運転時には全てのＳＯ_xトラップ触媒１２ａ〜１２ｃが使用される。

図１４は図１３に示される例を実行するための排気遮断弁１５ａ〜１５ｃの制御ルーチンを示している。
図１４を参照するとまず初めにステップ３００において領域Ｉであるか否かが判別される。領域Ｉであるときにはステップ３０２に進んで第１の排気遮断弁１５ａのみが開弁せしめられ、残りの排気遮断弁１５ｂ，１５ｃは閉弁せしめられる。このとき排気ガスは第１の排気枝通路１１ａ内のみを流通せしめられる。

一方、ステップ３００において領域Ｉではないと判別されたときにはステップ３０１に進んで領域IIであるか否かが判別される。領域IIであるときにはステップ３０３に進んで第１の排気遮断弁１５ａおよび第２の排気遮断弁１５ｂが開弁せしめられ、残りの排気遮断弁１５ｃは閉弁せしめられる。このとき排気ガスは第１の排気枝通路１１ａ内および第２の排気枝通路１１ｂ内を流通せしめられる。

これに対し、ステップ３０１において領域IIではないと判別されたとき、即ち領域IIIであるときにはステップ３０４に進んで全ての排気遮断弁１５ａ〜１５ｃが開弁せしめられる。このとき排気ガスは全ての排気枝通路１１ａ〜１１ｃ内を流通せしめられる。

単位時間当りの燃料供給量が増大するほど排気ガス中のＳＯ_x濃度が高くなり、従って単位時間当りの燃料供給量が増大するほど高いＳＯ_xのトラップ能力が必要とされる。従ってこの実施例では単位時間当りの燃料供給量が増大するほど、即ち要求トルクＴＱが高くなるほど、或いは機関回転数Ｎが高くなるほど使用されるＳＯ_xトラップ触媒１２ａ〜１２ｃの個数が増大せしめられる。なお、この第３実施例についても並列配置された４個又はそれ以上のＳＯ_xトラップ触媒を用いることができる。

圧縮着火式内燃機関の全体図である。圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す全体図である。パティキュレートフィルタの構造を示す図である。ＮＯ_x吸蔵触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。ＳＯ_xトラップ触媒の基体の表面部分の断面図である。排気遮断弁の開閉制御とＳＯ_xトラップ率の変化とを示すタイムチャートである。捕獲ＳＯ_x量ＳＯＸＡのマップを示す図である。排気遮断弁を制御するためのフローチャートである。ＮＯ_x放出制御およびパティキュレートフィルタの昇温制御を示すタイムチャートである。吸蔵ＮＯ_x量ＮＯＸＡのマップを示す図である。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。排気遮断弁の開閉制御とＳＯ_xトラップ率の変化とを示すタイムチャートである。領域Ｉ〜IIIを示す図である。排気遮断弁を制御するためのフローチャートである。

符号の説明

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
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ排気枝通路
１２ａ，１２ｂ，１２ｃＳＯ_xトラップ触媒
１３ＮＯ_x吸蔵触媒
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ排気遮断弁

Claims

機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＳＯ_xを捕獲しうる複数のＳＯ_xトラップ触媒を並列に配置すると共に各ＳＯ_xトラップ触媒を共通の排気後処理装置に連結し、これらＳＯ_xトラップ触媒を選択的に使用するようにした内燃機関の排気浄化装置。
一部のＳＯ_xトラップ触媒を使用している間に使用していないＳＯ_xトラップ触媒を交換しうるようにＳＯ_xトラップ触媒が交換可能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。
各ＳＯ_xトラップ触媒はその劣化度合が予め定められた劣化度合に達するまで順次使用され、全てのＳＯ_xトラップ触媒が予め定められた劣化度合に達するまで使用された後は、複数のＳＯ_xトラップ触媒を同時に使用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。
機関の運転状態に応じて使用するＳＯ_xトラップ触媒の個数を変更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。
単位時間当りの燃料供給量が増大するほど使用するＳＯ_xトラップ触媒の個数が増大せしめられる請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
機関排気通路が複数の排気枝通路に分岐されると共に各排気枝通路内に夫々ＳＯ_xトラップ触媒が配置され、選択された排気枝通路内に排気ガスを流通させるための通路切換弁装置を具備した請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記ＳＯ_xトラップ触媒は触媒担体上に形成されたコート層と、コート層上に維持された貴金属触媒からなり、コート層内にはアルカリ金属、アルカリ土類金属又は希土類金属が分散して含有されている請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記排気後処理装置は、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吸蔵触媒からなる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
ＮＯ_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タ上に担持されている請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置。