JP2010043583A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気浄化触媒を活性化しうるときに昇温させる。
【解決手段】機関排気通路内に排気浄化触媒１３と、小型酸化触媒１４と、小型酸化触媒１４に燃料を供給するための燃料供給弁１５とを配置する。排気浄化触媒１３への流入排気ガス温ＴＦが排気浄化触媒１３を活性状態に維持可能となる温度以上に上昇するときには燃料供給弁１５から燃料を供給して排気浄化触媒１３を活性化させ、排気浄化触媒１３への流入排気ガス温ＴＦが排気浄化触媒１３を活性状態に維持不可能となる温度までしか上昇しないときには燃料供給弁１５からの燃料の供給を停止して排気浄化触媒１３の活性化作用を廃止する。
【選択図】図５

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、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、ＮＯ_X吸蔵触媒上流の機関排気通路内に排気通路の断面よりも小さな断面を有する小型の燃料改質触媒を配置して機関から排出された排気ガスの一部を燃料改質触媒内に流通させ、ＮＯ_X吸蔵触媒からＮＯ_Xを放出すべきときには燃料改質触媒の上流側端面に向けて燃料を噴射するように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ＮＯ_X吸蔵触媒からＮＯ_Xを放出すべきときに噴射された燃料は燃料改質触媒内において改質され、改質された燃料、例えばＨ₂やＣＯを含む還元能力の高い燃料がＮＯ_X吸蔵触媒に送り込まれる。その結果、ＮＯ_X吸蔵触媒から放出されたＮＯ_Xが良好に還元せしめられることになる。
特開２００５−１２７２５７号公報

ところがこの内燃機関ではこのように改質された燃料をＮＯ_X吸蔵触媒に送り込んだとしてもＮＯ_X吸蔵触媒が活性化した状態に維持されていない場合にはＮＯ_X吸蔵触媒に送り込まれた改質燃料がＮＯ_X吸蔵触媒を素通りし、大気中に放出されてしまう。ところでこの場合、ＮＯ_X吸蔵触媒が活性化した状態に維持されるか否かはＮＯ_X吸蔵触媒に流入する排気ガス温によって左右される。この点について概略的に言うと例えばＮＯ_X吸蔵触媒が活性していなくもＮＯ_X吸蔵触媒に流入する排気ガス温が高い場合にはＮＯ_X吸蔵触媒は活性化した状態に維持されるようになる。これに対し、ＮＯ_X吸蔵触媒が活性化していたとしてもＮＯ_X吸蔵触媒に流入する排気ガス温が低い場合にはＮＯ_X吸蔵触媒は活性化していない状態となる。

このようにＮＯ_X吸蔵触媒が活性化した状態に維持されるか否かはＮＯ_X吸蔵触媒に流入する排気ガス温によって左右される。しかしながら上述の内燃機関ではＮＯ_X吸蔵触媒が活性化した状態に維持されるか否かを左右するＮＯ_X吸蔵触媒への流入排気ガス温については何ら考慮が払われておらず、斯くして上述したようにＮＯ_X吸蔵触媒に送り込まれた改質燃料が大気中に排出されるという問題を生ずる。

上記問題を解決するために本発明によれば、機関排気通路内に酸化機能を有する排気浄化触媒を配置し、排気浄化触媒上流の機関排気通路内に排気浄化触媒よりも体積が小さくかつ排気浄化触媒に流入する排気ガスの一部が流通する小型酸化触媒と、小型酸化触媒に燃料を供給するための燃料供給弁とを配置し、排気浄化触媒を昇温すべく燃料供給弁から活性化している小型酸化触媒に燃料が供給されたときの排気浄化触媒への流入排気ガスの温度変化を予測し、排気浄化触媒が活性化しているか否かにかかわらずに予測された排気浄化触媒への流入排気ガス温が排気浄化触媒を活性状態に維持可能となる温度以上に上昇するときには燃料供給弁から燃料を供給して排気浄化触媒の昇温作用を行い、排気浄化触媒が活性化しているか否かにかかわらずに予測された排気浄化触媒への流入排気ガス温が排気浄化触媒を活性状態に維持不可能となる温度までしか上昇しないときには燃料供給弁からの燃料の供給を停止して排気浄化触媒の昇温作用を行わないようにしている。

排気浄化触媒への流入排気ガス温が排気浄化触媒を活性状態に維持不可能となる温度までしか上昇しないと予測されるときには燃料供給弁からの燃料の供給が停止されるので燃料供給弁から供給された燃料が排気浄化触媒を素通りして大気中に排出されるのが阻止される。

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の出口は排気管１２を介して酸化機能を有する排気浄化触媒１３に連結される。この排気浄化触媒１３上流の機関排気通路内には、即ち排気管１２内には排気浄化触媒１３よりも体積が小さくかつ排気浄化触媒１３に流入する排気ガスの一部が流通する小形酸化触媒１４が配置され、この小形酸化触媒１４上流の機関排気通路内には、即ち排気管１２内には小形酸化触媒１４に燃料を供給するための燃料供給弁１５が配置される。

図１に示される実施例ではこの排気浄化触媒１３は酸化触媒からなり、排気浄化触媒１３下流の、即ち酸化触媒１３下流の機関排気通路内には排気ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタ１６が配置される。また、図１に示される実施例ではパティキュレートフィルタ１６下流の機関排気通路内にＮＯ_X吸蔵触媒１７が配置される。

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１８を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１８内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１９が配置される。また、ＥＧＲ通路１８周りにはＥＧＲ通路１８内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２０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２０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２１を介してコモンレール２２に連結され、このコモンレール２２は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２３を介して燃料タンク２４に連結される。燃料タンク２４内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ２３によってコモンレール２２内に供給され、コモンレール２２内に供給された燃料は各燃料供給管２１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。小型酸化触媒１４には小型酸化触媒１４の温度を検出するための温度センサ２５が配置され、小型酸化触媒１４上流の排気管１２内には小型酸化触媒１４に流入する排気ガスの温度を検出するための温度センサ２６が配置される。これら温度センサ２５，２６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、パティキュレートフィルタ１６にはパティキュレートフィルタ１６の前後差圧を検出するための差圧センサ２７が取付けられ、この差圧センサ２７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。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、ＥＧＲ制御弁１９および燃料ポンプ２３に接続される。

図２（Ａ）は図１における小型酸化触媒１４周りの拡大図を示しており、図２（Ｂ）は図２（Ａ）においてＢ−Ｂ線に沿ってみた断面図を示している。図２（Ａ），（Ｂ）に示される実施例では小型酸化触媒１４は金属薄肉平板と金属薄肉波形板との積層構造からなる基体を有しており、この基体の表面上に例えばアルミナからなる触媒担体の層が形成されていると共にこの触媒担体上には白金Ｐｔ、ロジウムＲｄ、パラジウムＰｄのような貴金属触媒が担持されている。なお、この基体はコージライトから形成することもできる。

図２（Ａ），（Ｂ）からわかるようにこの小型酸化触媒１４は排気浄化触媒１３、即ち酸化触媒１３に向かう排気ガスの全流路断面よりも小さな断面、即ち排気管１２の断面よりも小さな断面を有していると共に、排気管１２内の中央において排気ガスの流れ方向に延びる筒状をなしている。なお、図２（Ａ），（Ｂ）に示される実施例では小型酸化触媒１４は円筒状外枠２８内に配置されており、この円筒状外枠２８は複数のステー２９によって排気管１２内に支持されている。

酸化触媒１３は例えば白金Ｐｔのような貴金属触媒を担持したモノリス触媒から形成されている。これに対し図１に示される実施例ではパティキュレートフィルタ１６上には貴金属触媒は担持されていない。しかしながらパティキュレートフィルタ１６上に白金Ｐｔのような貴金属触媒を担持させることもでき、この場合には酸化触媒１３を省略することもできる。

一方、図１に示されるＮＯ_X吸蔵触媒１７もその基体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３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３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。

図３に示される例では貴金属触媒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を称すると、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を吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸蔵した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３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内に吸収されて炭酸バリウムＢａＣＯ₃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内に吸蔵される。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、排気ガスの空燃比をリッチ或いは理論空燃比にされ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（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燃料供給弁１５から燃料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１７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内に吸収されて炭酸バリウムＢａＣＯ₃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。即ち、ＮＯ_X吸蔵触媒１７がイオウ被毒を生ずることになる。

ところでこの場合、ＮＯ_X吸蔵触媒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ＳＯ_Xが放出される。そこで本発明ではＮＯ_X吸蔵触媒１７がイオウ被毒を生じたときには燃料供給弁１５から燃料を供給することによってＮＯ_X吸蔵触媒１７の温度をＳＯ_X放出温度まで上昇させ、ＮＯ_X吸蔵触媒１７に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしてＮＯ_X吸蔵触媒１７からＳＯ_Xを放出させるようにしている。

さて、図２に示される実施例では燃料供給弁１５のノズル口は排気管１２の断面の中央に配置されており、このノズル口から小型酸化触媒１４の上流側端面に向けて、燃料Ｆ、即ち軽油Ｆが噴射される。このとき小型酸化触媒１４が活性化していれば小型酸化触媒１４内で燃料が酸化せしめられ、このとき発生する酸化反応熱によって小型酸化触媒１４が昇温せしめられる。

ところで小型酸化触媒１４内は流路抵抗が大きいので小型酸化触媒１４内を流れる排気ガス量は少ない。また、小型酸化触媒１４内で酸化反応が生じると小型酸化触媒１４内でガスが膨張するために小型酸化触媒１４内を流れる排気ガス量が更に減少し、また酸化反応によりガス温が上昇するとガスの粘性が高くなるために小型酸化触媒１４内を流れる排気ガス量が更に減少する。従って小型酸化触媒１４内における排気ガスの流速は排気管１２内を流れる排気ガスの流速に比べてかなり遅い。

このように小型酸化触媒１４内における排気ガスの流速が遅いので小型酸化触媒１４内における酸化反応は活発となり、また小型酸化触媒１４の体積が小さいので小型酸化触媒１４の温度は急速にかなり高温まで上昇する。また、小型酸化触媒１４の温度が高くなると炭素数の多い燃料中の炭化水素が分解して炭素数の少ない反応性の高い炭化水素が生成される。即ち燃料が反応性の高い燃料に改質される。従って、小型酸化触媒１４に燃料が供給されると小型酸化触媒１４は一方では急速に発熱する急速発熱器を構成し、他方では改質された燃料を排出する改質燃料排出器を構成する。

ところでパティキュレートフィルタ１６上に堆積したパティキュレートを燃焼させるためにはパティキュレートフィルタ１６の温度を６００℃程度まで上昇させる必要がある。また前述したようにＮＯ_X吸蔵触媒１７からＳＯ_Xを放出させる場合にもＮＯ_X吸蔵触媒１７の温度を６００℃以上のＳＯ_X放出温度まで上昇させる必要がある。このようにパティキュレートフィルタ１６の温度或いはＮＯ_X吸蔵触媒１７の温度を夫々目的に応じた目標温度まで上昇すべきときには小型酸化触媒１４が活性化している状態のときに燃料供給弁１５から小型酸化触媒１４に燃料が供給される。

燃料供給弁１５から燃料が供給されるとこの燃料は小型酸化触媒１４内で酸化せしめられ、このとき小型酸化触媒１４で発生する酸化反応熱によって排気浄化触媒１３、パティキュレートフィルタ１６およびＮＯ_X吸蔵触媒１７が昇温せしめられる。また、このとき排気浄化触媒１３が活性化した状態にあれば小型酸化触媒１４から排出される改質燃料が排気浄化触媒１３内で酸化せしめられ、このとき発生する酸化反応熱によって排気浄化触媒１３、パティキュレートフィルタ１６およびＮＯ_X吸蔵触媒１７が昇温せしめられる。

これに対し、排気浄化触媒１３、即ち酸化触媒１３が活性化した状態にないときに小型酸化触媒１４から改質された燃料を排出させるとこの改質燃料は酸化触媒１３で酸化されることなく酸化触媒１３を素通りし、斯くして改質燃料が大気中に排出されてしまう。従って燃料供給弁１５から燃料を供給する場合には排気浄化触媒１３が活性化した状態にあるか否か、或いは活性化して活性化した状態に維持されるか否かを判断する必要がある。

ところで排気浄化触媒１３が活性化した状態に維持されるか否かは排気浄化触媒１３に流入する排気ガス温によって左右される。即ち、小型酸化触媒１４が活性化した状態にあるときに燃料供給弁１５から燃料が供給されると小型酸化触媒１４内における酸化反応熱により小型酸化触媒１４の温度が急速に上昇し、小型酸化触媒１４から流出する排気ガス温も急速に上昇する。小型酸化触媒１４から流出する排気ガス温が上昇すると排気浄化触媒１３に流入する排気ガス温が上昇する。

ただし、このとき排気浄化触媒１３に流入する排気ガス温は小型酸化触媒１４周りを流れる排気ガス温と小型酸化触媒１４から流出する排気ガス温から定まるので小型酸化触媒１４周りを流れる排気ガス温、即ち小型酸化触媒１４に流入する排気ガス温が低い場合には排気浄化触媒１３に流入する排気ガス温はさほど高くならない。これに対し、このとき小型酸化触媒１４に流入する排気ガス温が高い場合には排気浄化触媒１３に流入する排気ガス温はかなり高くなる。

ところで排気浄化触媒１３は排気浄化触媒１３により定まる活性化温度以上で活性化する。ところが例えば改質燃料が排気浄化触媒１３に流入するとこの改質燃料の気化潜熱により排気浄化触媒１３は温度低下する。従って排気浄化触媒１３が活性化温度以上であっても改質燃料の気化潜熱による冷却作用により排気浄化触媒１３が活性化温度以下になることもある。このとき排気浄化触媒１３が活性化温度以下になるか否かは排気浄化触媒１３に流入する排気ガス温による。

即ち、改質燃料の気化潜熱による冷却作用によって排気浄化触媒１３の温度が低下したとしても排気浄化触媒１３を活性化温度以上に維持可能な温度まで排気浄化触媒１３への流入排気ガス温が上昇する場合には排気浄化触媒１３は活性化した状態に維持され、このとき排気浄化触媒１３を活性化温度以上に維持できない温度までしか排気浄化触媒１３への流入排気ガス温が上昇しない場合には排気浄化触媒１３は不活性状態となる。

一方、排気浄化触媒１３が活性化温度以下であって改質燃料の気化潜熱による冷却作用が生じたとしても排気浄化触媒１３が活性化温度以上になることもあり、このときも排気浄化触媒１３が活性化温度以上になるか否かは排気浄化触媒１３に流入する排気ガス温による。

即ち、排気浄化触媒１３が活性化していようといまいと排気浄化触媒１３が活性化した状態に維持されるか否かは排気浄化触媒１３に流入する排気ガス温に左右される。この場合、燃料供給弁１５からの燃料供給量、小型酸化触媒１４への流入排気ガス温および機関からの排出ガス量が定まると排気浄化触媒１４への流入排気ガス温の変化を予測することができる。

そこで本発明では、排気浄化触媒１３を昇温すべく燃料供給弁１５から活性化している小型酸化触媒１４に燃料が供給されたときの排気浄化触媒１３への流入排気ガスの温度変化を予測し、排気浄化触媒１３が活性化しているか否かにかかわらずに予測された排気浄化触媒１３への流入排気ガス温が排気浄化触媒１３を活性状態に維持可能となる温度以上に上昇するときには燃料供給弁１５から燃料を供給して排気浄化触媒１３の昇温作用を行い、排気浄化触媒１３が活性化してるか否かにかかわらずに予測された排気浄化触媒１３への流入排気ガス温が排気浄化触媒１３を活性状態に維持不可能となる温度までしか上昇しないときには燃料供給弁１５からの燃料の供給を停止して排気浄化触媒１３の昇温作用を行わないようにしている。

ところで上述したように燃料供給弁１５からの燃料供給量、小型酸化触媒１４への流入排気ガス温および機関からの排出ガス量が定まると排気浄化触媒１３への流入排気ガス温が定まる。従って、燃料供給弁１５からの燃料供給量、小型酸化触媒１４への流入排気ガス温および機関からの排出ガス量が定まると排気浄化触媒１３が活性化した状態に維持されるか否かが定まることになる。

そこで本発明による実施例では図４に示されるように、排気浄化触媒１３が活性化しているか否かにかかわらずに燃料供給弁１５から活性化している小型酸化触媒１４に燃料を供給することにより排気浄化触媒１３を活性状態に維持可能な触媒活性維持可能領域と、排気浄化触媒１３が活性化しているか否かにかかわらずに燃料供給弁１５から活性化している小型酸化触媒１４に燃料を供給しても排気浄化触媒１３を活性状態に維持不可能な触媒活性維持不可能領域とが機関からの排出ガス量Ｇｅおよび小型酸化触媒１４に流入する排気ガス温ＴＥに応じて予め定められている。なお、図４において排出ガス量Ｇｅに代えて排出ガス量を代表する量を用いることができる。本発明による実施例ではこの排気ガス量Ｇｅを代表する量として吸入空気量Ｇａが用いられている。

ところで図４は、排気浄化触媒１３の温度を目標温度、例えば６５０℃まで上昇させるのに必要な量の燃料を燃料供給弁１５から活性化してる小型酸化触媒１４に供給した場合を示しており、従って図４に示される触媒活性維持可能領域はこのとき排気浄化触媒１３の温度を目標温度まで上昇可能な領域を示していることになる。次にこのとこについて図５を参照しつつ説明する。

図５は燃料供給弁１５からの燃料噴射量Ｑ、小型酸化触媒１４の温度ＴＳ、排気浄化触媒１３に流入する排気ガス温ＴＦおよび排気浄化触媒１３の温度ＴＣの変化を示しており、図５において時刻ｔ₀は排気浄化触媒１３等の昇温のために燃料供給弁１５から燃料の供給を開始すべき指令が発せられたときを示している。また、図５は小型酸化触媒１４および排気浄化触媒１３のいずれも活性化温度ＴＳＸ，ＴＣＸがほぼ１９０℃である場合を例にとって示している。

さて、今小型酸化触媒１４への流入排気ガス温ＴＥが図４のＡ点で示されるように触媒活性維持可能領域内にあり、小型酸化触媒１４の温度ＴＳが活性化温度ＴＳＸ以上であったとすると、図５はこのような状態のときに時刻ｔ₀において燃料の供給指令が発せられた場合を示している。

この場合には図５に示されるように時刻ｔ₀において燃料供給弁１５から燃料の供給が開始されると小型酸化触媒１４の温度ＴＳは急速に上昇し、その結果、排気浄化触媒１３に流入する排気ガス温ＴＦもかなり高温まで上昇する。このときには時刻ｔ₀における排気浄化触媒１３の温度ＴＣが実線で示すように活性化温度ＴＣＸ以下であった場合でも破線で示すように活性化温度ＴＣＸ以上であった場合でも排気浄化触媒１３の温度ＴＣは目標温度まで上昇する。

一方、図６は、排気ガス温ＴＥが図４のＢ点で示されるように触媒活性維持不可能領域内にあり、小型酸化触媒１４が活性化温度ＴＳＸ以上であるときに時刻ｔ₀において燃料の供給指令が発せられた場合を示している。この場合においても時刻ｔ₀において燃料供給弁１５からの燃料の供給が開始されると小型酸化触媒１４の温度ＴＳは急速に上昇する。

しかしながらこのとき図６に示される例では排気ガス温ＴＥが低いために排気浄化触媒１３に流入する排気ガス温ＴＦはさほど上昇せず、斯くしてこのときには時刻ｔ₀における排気浄化触媒１３の温度ＴＣが実線で示されるように活性化温度ＴＣＸ以下であっても破線で示されるように活性化温度ＴＣＸ以上であっても排気浄化触媒１３は活性化温度ＴＣＸ以下となる。斯くしてこのときには排気浄化触媒１３を活性状態に維持するのは不可能となる。

なお、この場合でも燃料供給弁１５からの燃料の供給量を大巾に増大すれば排気浄化触媒１３を活性化しうる場合がある。しかしながら燃料供給弁１５から燃料の供給量を大巾に増大すると小型酸化触媒１４の温度は極度に高くなるために小型酸化触媒１４は熱劣化し、また排気浄化触媒１３が活性化した場合には排気浄化触媒１３の温度も極度に高くなるために排気浄化触媒１３も熱劣化する。従ってこの場合には燃料供給弁１５からの燃料の供給量を大巾に増大することができず、斯くしてこの場合には結局、排気浄化触媒１３を活性状態に維持するのが不可能となる。

従って経つ活性維持不可能領域は、燃料供給弁１５から活性化している小型酸化触媒１４に燃料を供給しても排気浄化触媒１３の温度を目標温度まで上昇させて目標温度に維持できない領域を示していると言うことができる。

ところで排気ガス量Ｇｅが増大すると、即ち排気ガスの流速が速くなると排気浄化触媒１３上における反応時間が短かくなるために排気浄化触媒１３上における改質燃料の酸化作用が弱まり、排気浄化触媒１３が活性化しずらくなる。この場合、排気ガス量が増大しても排気浄化触媒１３の温度ＴＣが高くなれば排気浄化触媒１３は活性化する。従って排気浄化触媒１３を活性化した状態にするには排気ガス量Ｇｅが増大するほど高い排気ガス温ＴＥが必要となる。

一方、排気ガス量Ｇｅが増大するほど燃料供給量Ｑが増大されるので排気浄化触媒１３内に送り込まれる改質燃料の量は排気ガス量が増大するほど多くなる。従って排気ガス量Ｇｅが増大するほど改質燃料の気化潜熱による冷却作用は強くなり、この冷却作用に打ち勝って排気浄化触媒１３を活性化した状態にするには排気ガス量Ｇｅが増大するほど高い排気ガス温ＴＥが必要となる。従って図４に示されるように触媒活性維持可能領域と触媒活性維持不可能領域との境界Ｘにおける小型酸化触媒１４への流入排気ガス温ＴＥは排出ガス量Ｇｅが増大するほど高くなる。

なお、図４においてＹで示される排気ガス量Ｇｅの少ない領域、即ち排気ガスの流速が遅い領域では燃料供給弁１５から供給されたほとんどの燃料は小型酸化触媒１４内において消費され、従ってこのとき改質燃料はほとんど排気浄化触媒１３内に送り込まれない。従ってこのときには排気浄化触媒１３は排気ガス流による弱い冷却作用しか受けず、また改質燃料の気化潜熱による冷却作用もほとんど受けないので排気ガス温ＴＥが低くても排気浄化触媒１３が活性状態に維持されるようになる。

図６に示されるように排気浄化触媒１３が活性化した状態に維持されないときに燃料供給弁１５から燃料を供給するとこの燃料は排気浄化触媒１３を素通りして大気中に放出されてしまう。従って本発明では、排出ガス量Ｇｅを代表する量および小型酸化触媒１４に流入する排気ガス温ＴＥから排気浄化触媒１３が触媒活性維持可能領域内にあると判断されたときには燃料供給弁１５から燃料を供給して排気浄化触媒１３の昇温作用を行い、排出ガス量Ｇｅを代表する量および小型酸化触媒１４に流入する排気ガス温ＴＥにより排気浄化触媒１３が触媒活性維持不可能領域内にあると判断されたときには燃料供給弁１５からの燃料の供給を停止して排気浄化触媒１３の昇温作用を行わないようにしている。

図７（Ａ）におけるＱ₁，Ｑ₂・・・Ｑ_iは排気浄化触媒１３の温度ＴＣを目標温度，例えば６５０℃まで上昇させるのに必要な等燃料量線を表しており，Ｑ₁からＱ_iに向かうに従って燃料量は減少していく。なお、図５および図６からわかるように燃料供給弁１５からは一定の時間間隔でもってパルス状に燃料が供給され、燃料供給量はこのパルス状の燃料噴射期間を変化させることによって制御される。即ち、燃料供給量Ｑが増大せしめられる場合にはパルス状の燃料噴射期間が長くされる。

この排気浄化触媒１３の温度ＴＣを目標温度とするのに必要な燃料供給弁１５からの燃料供給量Ｑは触媒活性維持可能領域について吸入空気量Ｇａおよび小型酸化触媒１４に流入する排気ガス温ＴＥの関数として図７（Ｂ）に示されるマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。なお、本発明による実施例ではパティキュレートフィルタ１６を再生するためのパティキュレートフィルタ１６の目標温度、ＮＯ_X吸蔵触媒１７からＳＯ_Xを放出するためのＮＯ_X吸蔵触媒１７の目標温度、排気浄化触媒１３を活性化するための排気浄化触媒１３の目標温度等、種々の目標温度が存在し、パティキュレートフィルタ１６等の温度を夫々対応する目標温度とするのに必要な燃料供給量Ｑが図７（Ｂ）に示すようなマップの形で夫々記憶されている。

図８は時刻ｔ₀において小型酸化触媒１４が活性化していない場合を示している。この場合にはまず初めに例えば燃料噴射弁３からの燃料噴射時期を遅角させるか、或いは燃料噴射弁３から膨張行程に追加の燃料を噴射することにより燃焼室２から排出される排気ガスの温度を上昇せしめる排気昇温制御が行われる。本発明による実施例ではこの排気昇温制御は小型酸化触媒１４の温度ＴＳが設定温度ＴＳ₀になるまで行われる。ＴＳ＞ＴＳ₀になると排気浄化触媒１３の温度ＴＣを活性化させるための目標温度、例えば３００℃まで上昇させるのに必要な燃料が燃料供給弁１５から供給される。

図９に排気浄化触媒１３、パティキュレートフィルタ１６或いはＮＯ_X吸蔵触媒１７を目標温度まで昇温すべき指令が発せられたときに実行される昇温制御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５０において温度センサ２５の出力信号に基づき小型酸化触媒１４が活性化しているか否かが判別される。小型酸化触媒１４が活性化しているときにはステップ５３に進む。

これに対し小型酸化触媒１４が活性化していないときにはステップ５１進んで機関から排出される排気ガス温を上昇させる排気昇温制御が開始される。次いでステップ５２では小型酸化触媒１４の温度ＴＳが図８に示される設定温度ＴＳ₀よりも高くなったか否かが判別される。ＴＳ≦ＴＳ₀のときにはステップ５１に戻って排気昇温制御が続行される。これに対し、ステップ５２においてＴＳ＞ＴＳ₀になったと判断されたときにはステップ５３に進む。

ステップ５３では温度センサ２６の出力信号に基づいて小型酸化触媒１４に流入する排気ガス温ＴＥが読込まれ、次いでステップ５４では吸入空気量検出器８の出力信号に基づいて吸入空気量Ｇａが読込まれる。次いでステップ５５では目標温度に応じたマップが選定され、次いでステップ５６では選定されたマップにおける触媒活性維持可能領域であるか否かが判別される。触媒活性維持可能領域であるときにはステップ５７に進んでマップから燃料供給量Ｑが算出され、次いでステップ５８において算出された燃料供給量Ｑに基づいて燃料供給弁１５から燃料が供給される。次いでステップ５９では昇温制御が完了したか否かが判別され、昇温制御が完了していないときにはステップ５８に戻って燃料の供給作用が続行される。

次に図１０を参照しつつ燃料供給弁１５の配置、或いは小型酸化触媒１４の配置及び/又は形状に関する種々の変形例について順次説明する。
まず初めに図１０（Ａ）から説明するとこの図１０（Ａ）に示される変形例では燃料供給弁１５のノズル口が高温の排気ガス流に直接晒されないように排気管１２の内壁面上に形成された凹部内に配置されている。また、図１０（Ｂ）に示す変形例では小型酸化触媒１４の上流側端面上に上流側端面の周縁部から上流に向けて延びるトラフ状の燃料案内部１４ａが形成されており、燃料供給弁１５から燃料案内部１４ａに向けて燃料が噴射される。

図１０（ｃ）に示される変形例では排気浄化触媒１３に向かう排気管１２内の排気ガスの流通路が分岐された一対の流通路１２ａ，１２ｂから形成されており、これら一対の流通路１２ａ，１２ｂのうちの一方の流通路１２ａ内に小型酸化触媒１４が配置されている。燃料供給弁１５からは小型酸化触媒１４の上流側端面に向けて燃料が噴射される。

図１１は排気浄化処理システムの種々の変形例を示している。しかしながらいずれの変形例においても酸化機能を有する排気浄化触媒１３の上流に小型酸化触媒１４と燃料供給弁１５とが配置されていることには変わりない。

図１１（Ａ）に示される変形例では図１に示される実施例と同様に排気浄化触媒１３が酸化触媒からなる。しかしながらこの変形例では酸化触媒１３のすぐ下流にＮＯ_X吸蔵触媒１７が配置され、ＮＯ_X吸蔵触媒１７の下流に酸化触媒６０とパティキュレートフィルタ１６とが配置されている。更に酸化触媒６０の上流にはもう一つの燃料供給弁６１が配置されている。

一方、図１１（Ｂ）に示す変形例では排気浄化触媒１３がＮＯ_X吸蔵触媒から構成される。このＮＯ_X吸蔵触媒の下流には図１１（Ａ）と同様に燃料供給弁６１、酸化触媒６０およびパティキュレートフィルタ１６が配置される。図１１（Ａ），（Ｂ）に示される実施例ではパティキュレートフィルタ１６を再生する際には燃料供給弁６１のみから、或いは燃料供給弁１５に加えて燃料供給弁６１からも燃料が供給される。

図１１（ｃ）に示される変形例では図１に示される実施例と同様に排気浄化触媒１３が酸化触媒からなり、酸化触媒１３のすぐ下流にパティキュレートフィルタ１６が配置されている。しかしながらこの変形例では排気浄化触媒１３およびパティキュレートフィルタ１６下流の機関排気通路内にアンモニアの存在のもとで排気ガス中のＮＯ_Xを還元することのできるＮＯ_X選択還元触媒６２と、ＮＯ_X選択還元触媒６２に尿素水を供給するための尿素水供給弁６３とが配置される。尿素水供給弁６３からは排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを還元するのに必要な量の尿素水が供給され、排気ガス中のＮＯ_XはＮＯ_X選択還元触媒６２において尿素水から生成されたアンモニアによって還元される。この変形例ではＮＯ_X選択還元触媒６２を活性化すべきときには燃料供給弁１５から燃料が供給される。

圧縮着火式内燃機関の全体図である。 図１の小型酸化触媒周りの拡大図である。 ＮＯ_Xの吸放出作用を説明するための図である。 触媒活性維持可能領域と触媒活性維持不可能領域とを示す図である。 小型酸化触媒の温度ＴＳ、排気浄化触媒への流入排気ガス温ＴＦ、排気浄化触媒の温度ＴＣ等の変化を示すタイムチャートである。 小型酸化触媒の温度ＴＳ、排気浄化触媒への流入排気ガス温ＴＦ、排気浄化触媒の温度ＴＣ等の変化を示すタイムチャートである。 燃料供給量Ｑを示す図である。 小型酸化触媒の温度ＴＳ、排気浄化触媒への流入排気ガス温ＴＦ、排気浄化触媒の温度ＴＣ等の変化を示すタイムチャートである。 昇温制御を実行するためのフローチャートである。 種々の変形例を示す図である。 種々の変形例を示す図である。

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
１２ 排気管
１３ 排気浄化触媒
１４ 小型酸化触媒
１５ 燃料供給弁
１６ パティキュレートフィルタ
１７ ＮＯ_X吸蔵触媒

Claims (14)

1. 機関排気通路内に酸化機能を有する排気浄化触媒を配置し、該排気浄化触媒上流の機関排気通路内に該排気浄化触媒よりも体積が小さくかつ排気浄化触媒に流入する排気ガスの一部が流通する小型酸化触媒と、該小型酸化触媒に燃料を供給するための燃料供給弁とを配置し、排気浄化触媒を昇温すべく燃料供給弁から活性化している小型酸化触媒に燃料が供給されたときの排気浄化触媒への流入排気ガスの温度変化を予測し、排気浄化触媒が活性化しているか否かにかかわらずに予測された排気浄化触媒への流入排気ガス温が排気浄化触媒を活性状態に維持可能となる温度以上に上昇するときには燃料供給弁から燃料を供給して排気浄化触媒の昇温作用を行い、排気浄化触媒が活性化しているか否かにかかわらずに予測された排気浄化触媒への流入排気ガス温が排気浄化触媒を活性状態に維持不可能となる温度までしか上昇しないときには燃料供給弁からの燃料の供給を停止して排気浄化触媒の昇温作用を行わないようにした内燃機関の排気浄化装置。
2. 排気浄化触媒が活性化しているか否かにかかわらずに燃料供給弁から活性化している小型酸化触媒に燃料を供給することにより排気浄化触媒を活性状態に維持可能な触媒活性維持可能領域と、排気浄化触媒が活性化しているか否かにかかわらずに燃料供給弁から活性化している小型酸化触媒に燃料を供給しても排気浄化触媒を活性状態に維持不可能な触媒活性維持不可能領域とが機関からの排出ガス量を代表する量および小型酸化触媒に流入する排気ガス温に応じて予め定められており、該排出ガス量を代表する量および小型酸化触媒に流入する排気ガス温から排気浄化触媒が該触媒活性維持可能領域内にあると判断されたときには燃料供給弁から燃料を供給して排気浄化触媒の昇温作用を行い、該排出ガス量を代表する量および小型酸化触媒に流入する排気ガス温から排気浄化触媒が該触媒活性維持不可能領域内にあると判断されたときには燃料供給弁からの燃料の供給を停止して排気浄化触媒の昇温作用を行わないようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 上記触媒活性維持可能領域は、燃料供給弁から活性化している小型酸化触媒に燃料を供給することによって排気浄化触媒の温度を目標温度まで上昇可能な領域である請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 上記触媒活性維持可能領域については、排気浄化触媒の温度を目標温度とするのに必要な燃料供給弁からの燃料供給量が上記排出ガス量を代表する量および小型酸化触媒に流入する排気ガス温の関数として予め記憶されている請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 上記触媒活性維持不可能領域は、燃料供給弁から活性化している小型酸化触媒に燃料を供給しても排気浄化触媒の温度を目標温度まで上昇させて該目標温度に維持できない領域である請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 上記触媒活性維持可能領域と触媒活性維持不可能領域との境界における小型酸化触媒への流入排気ガス温は上記排出ガス量を代表する量が増大するほど高くなる請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 上記排出ガス量を代表する量が吸入空気量である請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 排気浄化触媒を昇温すべきときに小型酸化触媒が活性化していないときには小型酸化触媒を活性化するために燃焼室から排出される排気ガスの温度が上昇せしめられる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 排気浄化触媒が酸化触媒からなると共に排気浄化触媒下流の機関排気通路内に排気ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタが配置され、パティキュレートフィルタを再生すべくパティキュレートフィルタを昇温させるときに燃料供給弁から燃料が供給される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
10. 排気浄化触媒は、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吸蔵触媒から構成されており、ＮＯ_X吸蔵触媒をＳＯ_X放出温度まで昇温させるときに燃料供給弁から燃料が供給される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
11. 排気浄化触媒下流の機関排気通路内にアンモニアの存在のもとで排気ガス中のＮＯ_Xを還元することのできるＮＯ_X選択還元触媒と、ＮＯ_X選択還元触媒に尿素水を供給するための尿素水供給弁とが配置されており、ＮＯ_X選択還元触媒を活性化すべきときに燃料供給弁から燃料が供給される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
12. 上記小型酸化触媒は排気浄化触媒に向かう排気ガスの全流路断面よりも小さな断面を有すると共に排気ガスの流れ方向に延びる筒状をなす請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
13. 小型酸化触媒の上流側端面上に該上流側端面の周縁部から上流に向けて延びる燃料案内部が形成されており、燃料供給弁から該燃料案内部に向けて燃料が噴射される請求項１２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
14. 排気浄化触媒に向かう排気ガスの流通路が一対の流通路から形成されており、これら一対の流通路のうちの一方の流通路内に上記小型酸化触媒が配置されている請求項１２に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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