JP4321241B2 - 圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置に関する。

排気ガス中に含まれる炭化水素、即ちＨＣを吸着するためのＨＣ吸着触媒を機関排気通路内に配置し、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に含まれるＮＯ_Xを吸蔵し流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸蔵されたＮＯ_Xを放出するＮＯ_X吸蔵触媒をＨＣ吸着触媒下流の機関排気通路内に配置した内燃機関が公知である（例えば特許文献１）。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ＨＣはＨＣ吸着触媒に吸着され、このとき発生するＮＯ_XはＮＯ_X吸蔵触媒に吸蔵される。

ところでこのようなＮＯ_X吸蔵触媒を用いたときにはＮＯ_X吸蔵触媒のＮＯ_X吸蔵能力が飽和する前にＮＯ_X吸蔵触媒からＮＯ_Xを放出させる必要があり、この場合燃料の供給量を増量してＮＯ_X吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすればＮＯ_X吸蔵触媒からＮＯ_Xを放出させかつ放出したＮＯ_Xを還元することができる。しかしながらＮＯ_X吸蔵触媒からＮＯ_Xを放出させる毎にリーンからリッチに空燃比を大巾に変化させると燃料消費量が増大してしまう。

ところが上述のＨＣ吸着触媒ではＨＣ吸着触媒の温度が活性化温度付近、即ち２００℃付近になると吸着されているＨＣの酸化反応が活発となり、その結果排気ガス中の酸素が急激に消費されるために排気ガス中の酸素濃度が急激に低下する。従ってこのときには少量の燃料を追加供給すれば排気ガスの空燃比をリッチにすることができる。そこで上述の内燃機関ではＨＣ吸着触媒において十分な量の酸素が消費されているか否かを検出し、ＨＣ吸着触媒において十分な量の酸素が消費されているときに排気ガスの空燃比をリッチにしてＮＯ_X吸蔵触媒からＮＯ_Xを放出させるようにしている。
特開２００３−９７２５５号公報

しかしながらＨＣ吸着触媒の温度が活性化温度付近になる時期、即ちＨＣ吸着触媒において十分な量の酸素が消費される時期は限られているので、ＮＯ_X吸蔵触媒からのＮＯ_X放出作用からみて必要な時期にＨＣ吸着触媒の温度が活性化温度にならず、斯くして上述の内燃機関ではＮＯ_X吸蔵触媒からＮＯ_Xを放出することが必要となったときにＮＯ_X吸蔵触媒からＮＯ_Xを放出することができないという問題がある。また、この内燃機関ではＨＣ吸着触媒上流の排気通路内に燃料を供給することによってＮＯ_X吸蔵触媒の温度を上昇させることに関して何ら言及されていない。

上記問題点を解決するために本発明によれば、微粒子状の燃料を排気ガス中に添加するための燃料添加手段と、燃料添加手段下流の機関排気通路内に配置されて排気ガス中に含まれる炭化水素を吸着するＨＣ吸着触媒と、ＨＣ吸着触媒下流の機関排気通路内に配置されて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吸蔵触媒とを具備し、ＨＣ吸着触媒は排気ガス中に添加された微粒子状の燃料を吸着保持した後に徐々に蒸発させると共に蒸発する燃料を炭素数の多い炭化水素から炭素数の少ない炭化水素にクラッキングする機能を有し、ＮＯ_X吸蔵触媒からＮＯ_Xを放出すべきときにはＨＣ吸着触媒の最大ＨＣ吸着量よりも少ない燃料が燃料添加手段により排気ガス中に添加され、ＮＯ_X吸蔵触媒の温度を上昇すべきときにはＨＣ吸着触媒の最大ＨＣ吸着量よりも多い燃料が燃料添加手段により排気ガス中に添加される。

ＮＯ_X吸蔵触媒から確実にＮＯ_Xを放出させることができると共にＮＯ_X吸蔵触媒の温度を必要に応じて確実に上昇させることができる。

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ＨＣ吸着触媒１１の入口に連結される。また、ＨＣ吸着触媒１１の出口は排気管１３を介してＮＯ_X吸蔵触媒１２に連結される。排気マニホルド５にはミスト状の、即ち微粒子状の燃料を排気ガス中に添加するための燃料添加弁１４が取付けられる。本発明による実施例ではこの燃料は軽油からなる。

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１５を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１５内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１６が配置される。また、ＥＧＲ通路１５周りにはＥＧＲ通路１５内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１７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１７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１８を介してコモンレール１９に連結される。このコモンレール１９内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２０から燃料が供給され、コモンレール１９内に供給された燃料は各燃料供給管１８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。ＨＣ吸着触媒１１にはＨＣ吸着触媒１１の温度を検出するための温度センサ２１が取付けられ、排気管１３内には排気ガス中のガス状成分の空燃比を検出するための空燃比センサ２２が配置される。これら温度センサ２１および空燃比センサ２２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。また、ＮＯ_X吸蔵触媒１２にはＮＯ_X吸蔵触媒１２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、燃料添加弁１４、ＥＧＲ制御弁１６および燃料ポンプ２０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ＮＯ_X吸蔵触媒１２の出口に連結された排気管２４内に排気ガス中のガス状成分の空燃比を検出するための空燃比センサ２２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ＮＯ_X吸蔵触媒１２について説明すると、これらＮＯ_X吸蔵触媒１２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１２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１２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１２を担持したパティキュレートフィルタ１２ａ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１２ａ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１２ａ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１２ａ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１２ａ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１２をパティキュレートフィルタ１２ａ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（Ａ）および（Ｂ）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（Ａ）および（Ｂ）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１２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（Ａ）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、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、斯くして図４（Ｂ）に示されるように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１４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。

さて、上述したように燃料添加弁１４から燃料を添加することにより排気ガスの空燃比をリッチにすると排気ガス中の酸素濃度が低下するためにＮＯ_X吸収剤４７からＮＯ_Xが放出され、放出されたＮＯ_Xが排気ガス中に含まれる未燃ＨＣ、ＣＯによって還元される。この場合、添加された燃料が液状であったとすると理論上は排気ガスの空燃比がリッチになったとしても排気ガス中の酸素濃度は低下せず、従ってＮＯ_X吸収剤４７からＮＯ_Xが放出しない。また、燃料が液状である場合にはＮＯ_Xの還元も行われない。即ち、ＮＯ_X吸収剤４７からＮＯ_Xを放出させかつ放出されたＮＯ_Xを還元するにはＮＯ_X吸蔵触媒１２に流入する排気ガス中のガス状成分の空燃比をリッチにしなければならない。

本発明では燃料添加弁１４から添加される燃料は微粒子状であり、一部の燃料はガス状となっているがかなりの部分は液状となっている。本発明では添加された燃料がこのように微粒子状であっても排気ガス中の酸素濃度が低下しかつＮＯ_X吸蔵触媒１２に流入する燃料がガス状となるようにＮＯ_X吸蔵触媒１２の上流にＨＣ吸着触媒１１が配置されている。次にこのＨＣ吸着触媒１１について説明する。

ＨＣ吸着触媒１１はゼオライトのような細孔構造をもつ比表面積の大きな材料から構成されており、図１に示すＨＣ吸着触媒１１の基体はゼオライトの一種であるモルデナイトからなる。図５（Ａ）から（Ｄ）はＨＣ吸着触媒１１の表面部分の断面を図解的に示している。なお、図５（Ｂ）は図５（Ａ）におけるＢ部分の拡大図を示しており、図５（Ｃ）は図５（Ｂ）と同じ断面を示しており、図５（Ｄ）は図５（Ｃ）におけるＤ部分の拡大図を示している。図５（Ｂ）および（Ｃ）からわかるようにＨＣ吸着触媒１１の表面は凹凸した粗い表面形状を呈しており、この粗い表面形状を有する表面上には図５（Ｄ）に示されるように多数の細孔５１が形成されていると共に白金Ｐｔからなる貴金属触媒５２が分散して担持されている。

燃料添加弁１４から微粒子状の燃料が添加されると一部の燃料は蒸発してガス状になるがかなりの部分は微粒子の形で基体５０の表面上に吸着する。図５（Ａ）および（Ｂ）は燃料微粒子５３が吸着する様子を示している。このように液状の形で燃料が吸着するときの燃料吸着割合はガス状燃料の吸着割合に比べてかなり高くなる。なお、ＨＣ吸着触媒１１が吸着しうる燃料量を表す最大ＨＣ吸着量ＡＤmaxはＮＯ_X吸着触媒１１の温度の関数であってこの最大ＨＣ吸着量ＡＤmaxは図６に示されるようにＨＣ吸着触媒１１の温度が低くなるほど増大する。

基体５０の表面上に吸着した燃料微粒子５３は徐々に蒸発してガス状燃料となる。このガス状燃料は主に炭素数の多いＨＣからなる。この炭素数の多いＨＣは蒸発する際にゼオライト表面上の酸点又は貴金属触媒５２上においてクラッキングされ、炭素数の少ないＨＣに改質される。次いでこの改質されたガス状のＨＣがＮＯ_X吸蔵触媒１２に流入する。

図７は燃料添加弁１４からの燃料の添加量と、排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／Ｆとを示している。なお、図７において（Ａ）はＨＣ吸着触媒１１に流入する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／Ｆを示しており、（Ｂ）はＨＣ吸着触媒１１から流出してＮＯ_X吸蔵触媒１２に流入する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／Ｆを示しており。（Ｃ）はＮＯ_X吸蔵触媒１２から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／Ｆを示している。

本発明による実施例ではＮＯ_X吸蔵触媒１２からＮＯ_Xを放出すべきときには図７に示されるように燃料添加弁１４から燃料が時間間隔を隔てて複数回に亘りパルス状に添加される。燃料添加弁１４から燃料が添加されると一部の燃料は蒸発するために排気ガス中の酸素濃度は低くなり、斯くして図７（Ａ）に示されるようにＨＣ吸着触媒１１に流入する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／Ｆは小さくなる。しかしながら添加された燃料はかなりの部分が液状であるのでＨＣ吸着触媒１１に流入する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／Ｆはリッチとなるほど小さくはならない。

一方、燃料添加弁１４から燃料が添加されると燃料微粒子はＨＣ吸着触媒１１に吸着され、次いでこの燃料微粒子から燃料が徐々に蒸発して前述したようにクラッキングされ、改質される。燃料微粒子から蒸発した燃料又は改質された燃料の一部は排気ガス中に含まれる酸素を反応して酸化され、それによって排気ガス中の酸素濃度が低下する。一方、余剰の燃料、即ち余剰のＨＣはＨＣ吸着触媒１１から排出され、その結果ＨＣ吸着触媒１１から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／Ｆはわずかばかりリッチとなる。

ＨＣ吸着触媒１１に吸着された燃料微粒子からは燃料が徐々に蒸発し、吸着された燃料微粒子が少量となるまで、ＨＣ吸着触媒１１から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／Ｆはわずかばかりリッチになり続ける。従って図７（Ｂ）に示されるように燃料添加弁１４からの燃料の添加作用が完了した後にかなりの時間に亘ってＨＣ吸着触媒１１から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／Ｆはわずかばかりリッチになり続ける。

ＨＣ吸着触媒１１から流出しＮＯ_X吸蔵触媒１２に流入する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／ＦがリッチになるとＮＯ_X吸蔵触媒１２からＮＯ_Xが放出され、放出されたＮＯ_Xが未燃ＨＣ、ＣＯによって還元される。この場合、前述したようにＮＯ_X吸蔵触媒１２に流入する未燃ＨＣはＨＣ吸着触媒１１において改質されており、従って放出されたＮＯ_Xは未燃ＨＣによって良好に還元される。図７（Ｃ）からわかるようにＮＯ_X吸蔵触媒１２からのＮＯ_Xの放出作用と還元作用が行われている間、ＮＯ_X吸蔵触媒１２から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／Ｆはほぼ理論空燃比に維持される。

一方、燃料の添加量が少ないとＨＣ吸着触媒１１から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／Ｆはリッチになることなくリーンに維持される。従ってこのときＮＯ_X吸蔵触媒１２からのＮＯ_X放出作用は行われない。

このように添加される燃料量によってＮＯ_X吸蔵触媒１２に流入する排気ガス中のガス状成分の空燃比は変化し、従ってＮＯ_X吸蔵触媒１２からＮＯ_Xを放出すべきときにはＮＯ_X吸蔵触媒１２に流入する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／Ｆがリッチになるような量の燃料を添加する必要がある。そこで本発明ではＮＯ_X吸蔵触媒１２からＮＯ_Xを放出すべく排気ガス中に微粒子状の燃料が添加されたときにＨＣ吸着触媒１１から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比がリッチになったか否かを判断する判断手段を具備しており、ＮＯ_X吸蔵触媒からＮＯ_Xを放出すべきときにこの判断手段による判断に応じてＨＣ吸着触媒１１から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比をリッチにさせるのに必要な量の燃料を添加するようにしている。

排気ガス中のガス状成分の空燃比は排気ガス中のガス状成分から判断できるので、ＨＣ吸着触媒１１から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比がリッチになったか否かを判断する判断手段として排気ガス中のガス状成分を検出するセンサを用いることができる。本発明による実施例では図１および図２に示されるようにこの判断手段として空燃比センサ２２が用いられている。この空燃比センサ２２は、ジルコニアの両側に白金薄膜電極を形成し、一方の白金薄膜電極を大気にさらすと共に他方の白金薄膜電極を拡散層を介して排気ガスにさらした、一般的に使用されているセンサであって、この空燃比センサ２２は排気ガス中のガス状成分の空燃比に応じた出力信号を発生する。

図１に示す実施例ではＨＣ吸着触媒１１から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比を検出しうるように空燃比センサ２２が配置されており、この空燃比センサ２２の出力信号に基づいてＨＣ吸着触媒１１から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比がリッチになったか否かが判断される。

一方、図７（Ｂ）および（Ｃ）に示されるようにＨＣ吸着触媒１１から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／ＦがわずかばかりリッチになっているときにはＮＯ_X吸蔵触媒１２から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／Ｆはほぼ理論空燃比となる。従って図２に示す実施例ではＮＯ_X吸蔵触媒１２から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比を検出しうるように空燃比センサ２２が配置されており、この空燃比センサ２２により検出された排気ガス中のガス状成分の空燃比がほぼ理論空燃比であるときにＨＣ吸着触媒から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比がリッチになっていると判断される。

なお、図１および図２に示す実施例において空燃比センサ２２の出力信号に基づいてＨＣ吸着触媒１１から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比がリッチになっていないと判断されたときには、燃料添加弁１４から添加される微粒子状の燃料量が増量される。この燃料添加量の増量作用は例えばパルス状の燃料添加期間を増大することによって行われる。

次にＮＯ_X吸蔵触媒１２からのＮＯ_X放出制御を含む排気浄化処理全体について図８および図９を参照しつつ説明する。
本発明による実施例ではＮＯ_X吸蔵触媒１２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８（Ａ）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１２に吸蔵されたＮＯ_X量ΣＮＯＸが算出される。更に、本発明による実施例ではこのＮＯ_X量ΣＮＯＸが許容値ＮＸに達する毎にＮＯ_X吸蔵触媒１２に流入する排気ガス中のガス状成分の空燃比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１２からＮＯ_Xが放出される。

図９（Ａ）はこのとき添加される燃料の添加量を示している。ここでＨＣ吸着触媒１１から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／Ｆをリッチにするのに必要な燃料添加量は空燃比がリーンなほど増大し、排気ガス量、即ち吸入空気量が多くなるほど増大する。一方、空燃比および吸入空気量は要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数であり、従って本発明による実施例では燃料添加量ＡＱが要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図８（Ｃ）に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

この燃料添加量ＡＱは添加すべき燃料の総量を表わしており、従ってこの燃料添加量ＡＱから図９（Ａ）に示すパルス状の各添加量が算出される。ＮＯ_X放出時に添加した燃料が液状の形でＮＯ_X吸蔵触媒１２内に流入しないようにするためにこの燃料添加量ＡＱは図６に示される最大ＨＣ吸着量ＡＤmaxよりも少なく設定されている。

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１２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 ^-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、排気ガス中のガス状成分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１２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１２に流入する排気ガス中のガス状成分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。そこで本発明による実施例ではＮＯ_X吸収剤４７内に吸収されたＳＯ_X量が増大したときにはＮＯ_X吸蔵触媒１２の温度を６００℃以上まで上昇させ、次いでＮＯ_X吸蔵触媒１２の温度を６００℃以上に維持しつつＮＯ_X吸蔵触媒１２に流入する排気ガス中のガス状成分の空燃比をリッチにするようにしている。

具体的に言うと、ＮＯ_X吸蔵触媒１２に単位時間当り吸蔵される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８（Ｂ）に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、このＳＯ_X量ＳＯＸＡを積算することによってＮＯ_X吸蔵触媒１２に吸蔵されたＳＯ_X量ΣＳＯＸが算出される。更に、本発明による実施例ではこのＳＯ_X量ΣＳＯＸが許容値ＳＸに達すると燃料添加弁１４から燃料を添加することによりＮＯ_X吸蔵触媒１２の温度が上昇せしめられ、次いでＮＯ_X吸蔵触媒１２を高温に維持しつつＮＯ_X吸蔵触媒１２に流入する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／Ｆが一時的にリッチにされる。

図９（Ｂ）はＮＯ_X吸蔵触媒１２の温度を上昇させてＳＯ_Xを放出させるときの燃料添加量を示している。なお、図９（Ｂ）には３種類の燃料添加方法（Ｉ）、（II）および（III）が示されており、これら（Ｉ）、（II）および（III）に、おいてハッチングを付した部分は図６に示される最大ＨＣ吸着量ＡＤmaxを示している。また、これら（Ｉ）、（II）および（III）において一回目の燃料添加と二回目の燃料添加はＮＯ_X吸蔵触媒１２の温度を上昇させるためのものであり、三回目およびそれ以後（三回目のみ示す）の燃料添加はＮＯ_X吸蔵触媒１２を高温に維持しつつＮＯ_X吸蔵触媒１２に流入する排気ガス中のガス状成分の空燃比をリッチにするためのものである。

図９（Ｂ）の（Ｉ）、（II）および（III）において一回目および二回目の燃料添加量は図６に示される最大ＨＣ添加量ＡＤmaxよりも多いことがわかる。ただし、（Ｉ）に示される場合は燃料添加時間を長くすることによって一回当りの燃料添加量が最大ＨＣ添加量ＡＤmaxよりも多くされ、（II）に示される場合は単位時間当りの燃料添加量を増大することによって一回当りの燃料添加量が最大ＨＣ添加量ＡＤmaxよりも多くされる。また、（III）に示される場合には二回に分けて噴射することにより燃料添加量が最大ＨＣ添加量ＡＤmaxよりも多くされる。

添加された燃料がＮＯ_X吸蔵触媒１２に送り込まれるとこれら燃料の酸化反応熱によってＮＯ_X吸蔵触媒１２の温度は急速に上昇する。ところが添加燃料量が最大ＨＣ吸着量ＡＤmaxよりも少ないと添加された全ての燃料がＨＣ吸着触媒１１に吸着保持されてしまい、添加された燃料がＮＯ_X吸蔵触媒１２に供給されないのでＮＯ_X吸蔵触媒１２の温度を上昇させることができない。そこで本発明では燃料添加量を最大ＨＣ吸着量ＡＤmaxよりも多くすることによって添加された燃料の一部がただちにＮＯ_X吸蔵触媒１２に供給されるようにし、それによってＮＯ_X吸蔵触媒１２の温度を急速に上昇させるようにしている。

図９（Ｂ）の（Ｉ）、（II）および（III）において三回目およびそれ以後の燃料添加量はほぼ最大ＨＣ吸着量ＡＤmaxとされている。この場合、燃料添加量は最大ＨＣ吸着量ＡＤmaxよりも多くすることもできる。しかしながらいずれにしても三回目およびそれ以後の燃料添加量は一回目および二回目の燃料添加量よりも少なくなる。なお、図９（Ｂ）は一例を示しているのであってＮＯ_X吸蔵触媒１２の温度を上昇させるための燃料添加の回数は３回以上とすることができる。

一方、排気ガス中に含まれる粒子状物質はＮＯ_X吸蔵触媒１２を担持しているパティキュレートフィルタ１２ａ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１２ａ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１２ａ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１２ａ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１２ａ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１２ａの前後差圧ΔＰが許容値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１２ａ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１４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１２ａの温度を上昇させる昇温制御が行われる。

図９（Ｃ）はパティキュレートフィルタ１２ａの温度を上昇させるときの燃料添加を示している。この図９（Ｃ）においてもハッチングで示される部分は最大ＨＣ吸着量ＡＤmaxを示しており、従って複数回に分けて行われる各燃料添加における燃料添加量はＮＯ_X吸蔵触媒１２に燃料が供給されるように最大ＨＣ吸着量ＡＤmaxよりも多くなっている。また、このときにはＮＯ_X吸蔵触媒１２に流入する排気ガス中のガス状成分の空燃比はリッチにする必要がなく、リーンに維持されるので各燃料添加におけるパルス状の各噴射期間は図９（Ａ）に示されるＮＯ_X放出時の噴射期間よりも短かくされる。

図１０は排気浄化処理ルーチンを示している。
図１０を参照するとまず初めにステップ１００において図８（Ａ）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１０１ではこのＮＯＸＡがＮＯ_X吸蔵触媒１２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１０２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１０３に進んで図９（Ａ）に示される燃料添加弁１４からの燃料添加処理が行われる。

次いでステップ１０４では図８（Ｂ）に示すマップから単位時間当り吸蔵されるＳＯ_X量ＳＯＸＡが算出される。次いでステップ１０５ではこのＳＯＸＡがＮＯ_X吸蔵触媒１２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１０６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１０７に進んで昇温制御およびリッチ処理、即ち図９（Ｂ）の（Ｉ）、（II）および（III）のうちのいずれか一つの燃料添加作用が行われる。

次いでステップ１０８では差圧センサ２３によりパティキュレートフィルタ１２ａの前後差圧ΔＰが検出される。次いでステップ１０９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１１０に進んでパティキュレートフィルタ１２ａの昇温制御が行われる。即ち、図９（Ｃ）に示す燃料添加作用が行われる。

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。 ＨＣ吸着触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。 最大ＨＣ吸着量を示す図である。 排気ガス中のガス状成分の空燃比の変化を示す図である。 吸蔵ＮＯ_X量ＮＯＸＡ等のマップを示す図である。 燃料添加を示すタイムチャートである。 排気浄化処理を行うためのフローチャートである。

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
１１…ＨＣ吸着触媒
１２…ＮＯ_X吸蔵触媒
１４…燃料添加弁

Claims (7)

1. 微粒子状の燃料を排気ガス中に添加するための燃料添加手段と、該燃料添加手段下流の機関排気通路内に配置されて排気ガス中に含まれる炭化水素を吸着するＨＣ吸着触媒と、該ＨＣ吸着触媒下流の機関排気通路内に配置されて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吸蔵触媒とを具備し、該ＨＣ吸着触媒は排気ガス中に添加された微粒子状の燃料を吸着保持した後に徐々に蒸発させると共に蒸発する燃料を炭素数の多い炭化水素から炭素数の少ない炭化水素にクラッキングする機能を有し、ＮＯ_X吸蔵触媒からＮＯ_Xを放出すべきときにはＨＣ吸着触媒の最大ＨＣ吸着量よりも少ない燃料が燃料添加手段により排気ガス中に添加され、ＮＯ_X吸蔵触媒の温度を上昇すべきときにはＨＣ吸着触媒の最大ＨＣ吸着量よりも多い燃料が燃料添加手段により排気ガス中に添加される圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
2. 上記ＨＣ吸着触媒の基体がゼオライトからなり、白金からなる貴金属触媒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。
3. ＮＯ_X吸蔵触媒からＮＯ_Xを放出すべく排気ガス中に微粒子状の燃料が添加されたときにＨＣ吸着触媒から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比がリッチになったか否かを判断する判断手段を具備し、上記燃料添加手段は、ＮＯ_X吸蔵触媒からＮＯ_Xを放出すべきときに該判断手段による判断に応じてＨＣ吸着触媒から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比をリッチにさせるのに必要な量の燃料を添加する請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
4. ＨＣ吸着触媒下流の機関排気通路内にＨＣ吸着触媒から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比を検出しうる空燃比センサを配置し、上記判断手段は該空燃比センサの出力信号に基づいてＨＣ吸着触媒から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比がリッチになったか否かを判断する請求項３に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
5. ＮＯ_X吸蔵触媒下流の機関排気通路内にＮＯ_X吸蔵触媒から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比を検出しうる空燃比センサを配置し、該空燃比センサにより検出された排気ガス中のガス状成分の空燃比がほぼ理論空燃比であるときに上記判断手段はＨＣ吸着触媒から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比がリッチになっていると判断する請求項３に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
6. ＮＯ_X吸蔵触媒からＳＯ_Xを放出すべきときにＮＯ_X吸蔵触媒の温度が上昇せしめられる請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
7. 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おり、パティキュレートフィルタ上に堆積した粒子状物質の量が許容量を越えたときにパティキュレートフィルタの温度が上昇せしめられる請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。

Images