JP5023573B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

特許文献１に内燃機関の排気浄化装置が記載されている。この排気浄化装置では、流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときにはＮＯｘ（窒素酸化物）を吸収し、流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸放出能力を有するＮＯｘ吸収剤が排気通路内に配置されている。また、この排気浄化装置では、流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときにＳＯｘ（硫黄酸化物）を吸収するＳＯｘ吸収能力を有するＳＯｘ吸収剤がＮＯｘ吸収剤上流の排気通路内に配置されている。この排気浄化装置によれば、ＮＯｘ吸収剤のＮＯｘ吸放出能力が高く維持される。すなわち、ＮＯｘ吸収剤は、流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときにＳＯｘをも吸収してしまい、この場合、ＮＯｘ吸収剤のＮＯｘ吸放出能力が低下してしまう。しかしながら、特許文献１に記載された排気浄化装置では、ＮＯｘ吸収剤上流にＳＯｘ吸収剤が配置されており、このＳＯｘ吸収剤によってＳＯｘが排気ガスから除去されることになる。このため、ＮＯｘ吸収剤に流入するＳＯｘは極めて少なく、ＮＯｘ吸収剤のＮＯｘ吸放出能力が高く維持されるのである。

特開平６−１７３６５２号公報 特開２００５−１３３６１０号公報 特開２００３−６５０３９号公報 特開２００２−１７２３２９号公報

ところで、排気ガス中のＳＯｘ濃度が想定していた濃度よりも非常に高かったり、ＳＯｘ吸収剤のＳＯｘ吸収能力が低下したりした場合、ＳＯｘ吸収剤において吸収されずにＳＯｘ吸収剤から流出してくるＳＯｘの量が多くなる可能性がある。この場合、ＳＯｘ吸収剤から流出したＳＯｘは、ＮＯｘ吸収剤に吸収されることになるので、ＮＯｘ吸収剤のＮＯｘ吸放出能力が低下してしまうし、ＮＯｘ吸収剤に吸収されずにＮＯｘ吸収剤から流出してしまうことも考えられる。

また、ＳＯｘ吸収剤は、ＳＯｘを吸収することを本来果たすべき機能とするものであるので、ＳＯｘ吸収剤下流にＮＯｘ吸収剤が配置されていない場合であっても、ＳＯｘ吸収剤から流出したＳＯｘに何ら処置を施さないのは好ましいことではない。そして、このことは、一般的に、排気ガス中のＳＯｘを捕獲して排気ガスからＳＯｘを除去するためのいわゆるＳＯｘ捕獲材が排気通路に配置されている場合にも当てはまる。

そこで、本発明の目的は、ＳＯｘ捕獲材を備えた内燃機関の排気浄化装置において、ＳＯｘ捕獲材から流出したＳＯｘに処置を施すことにある。

上記課題を解決するために、１番目の発明では、内燃機関の排気通路内にＳＯｘを捕獲する第１のＳＯｘ捕獲材を備えた排気浄化装置において、第１のＳＯｘ捕獲材から流出するＳＯｘの量が予め定められた量よりも多くなるＳＯｘ流出条件が成立したと判断されたときに第１のＳＯｘ捕獲材から流出するＳＯｘを捕獲する機能を発揮するＳＯｘ捕獲手段を第１のＳＯｘ捕獲材とは別に具備する。前記ＳＯｘ捕獲手段は、第１のＳＯｘ捕獲材下流の排気通路から分岐した分岐通路と、分岐通路に排気ガスを流入させるか否かを制御する排気ガス流制御弁とを含む。更に、前記ＳＯｘ捕獲手段は、分岐通路に配置され、ＳＯｘを捕獲する第２のＳＯｘ捕獲材、分岐通路に配置され、排気ガスを収容することができる容積空間、または分岐通路に配置され、過酸化水素を供給する過酸化水素供給装置を含む。前記ＳＯｘ流出条件が成立しているか否かを判別し、前記ＳＯｘ流出条件が成立していないと判断される場合には、前記排気ガス流制御弁を制御して排気ガスを分岐通路に流入させず排気通路に流入させ、更に、ＳＯｘ流出条件が成立したと判断される場合には、前記排気ガス流制御弁を制御して排気ガスを分岐通路に流入させる。

２番目の発明では、１番目の発明において、前記ＳＯｘ捕獲手段は、ＳＯｘを捕獲する第２のＳＯｘ捕獲材と、第２のＳＯｘ捕獲材に空気を供給する空気供給装置とを有し、前記排気通路内に配置された第１のＳＯｘ捕獲材に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときに前記ＳＯｘ流出条件が成立したと判断し、該ＳＯｘ流出条件が成立したと判断されたときに前記ＳＯｘ捕獲手段が前記排気ガス流制御弁を制御して排気ガスを前記分岐通路内に流入させると共に前記空気供給装置から前記分岐通路内に配置されている第２のＳＯｘ捕獲材に空気を供給する。

３番目の発明では、１番目の発明において、前記ＳＯｘ捕獲手段が過酸化水素を供給する過酸化水素供給装置と、該過酸化水素供給装置から供給された過酸化水素とＳＯｘとの反応により生成される硫酸を貯留する硫酸貯留室とを有し、前記ＳＯｘ流出条件が成立したと判断されたときに前記ＳＯｘ捕獲手段が前記排気ガス流制御弁を制御して排気ガスを前記分岐通路内に流入させると共に該分岐通路内を流れる排気ガスに前記過酸化水素供給装置から過酸化水素を供給させる。

４番目の発明では、１番目から３番目の発明のいずれか１つにおいて、排気通路内に配置された第１のＳＯｘ捕獲材はその温度が一定温度よりも低く且つ流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときに排気ガス中のＳＯｘを第１のＳＯｘ捕獲材の表面近傍の領域に捕獲すると共に、その温度が前記一定温度よりも高く且つ流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときには第１のＳＯｘ捕獲材の表面近傍に捕獲されているＳＯｘを第１のＳＯｘ捕獲材の内部に拡散させるＳＯｘ捕獲材であり、第１のＳＯｘ捕獲材のＳＯｘ捕獲率が予め定められた率よりも低くなったときに第１のＳＯｘ捕獲材の温度を前記一定温度よりも高くすると共に第１のＳＯｘ捕獲材に流入する排気ガスの空燃比をリーン空燃比に維持する制御が実行される。

本発明によれば、排気通路に配置されたＳＯｘ捕獲材からＳＯｘが流出したとしても、これらＳＯｘがＳＯｘ捕獲手段によって捕獲される。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態の排気浄化装置を備えた圧縮着火式の内燃機関を示している。図１において、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内にそれぞれ燃料を噴射する電子制御式の燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドをそれぞれ示している。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が配置される。また、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冷却装置１０が配置される。図１に示した内燃機関では、冷却水が冷却装置１０内に導かれ、この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、ＳＯｘ捕獲材（以下「メインＳＯｘ捕獲材」ともいう）１１の入口に連結される。また、ＳＯｘ捕獲材１１の出口は、排気管１３を介してＮＯｘ触媒１２の入口に連結される。また、排気管１３には、該排気管１３内を流れる排気ガス中に、例えば、ＨＣ（炭化水素）からなる還元剤を供給する還元剤供給弁１４が取り付けられる。

また、ＮＯｘ触媒１２の出口は、排気管２４に連結される。排気管２４からは、分岐管２５が分岐し、該分岐管２５の下流端は、ＳＯｘ捕獲材（以下「バックアップＳＯｘ捕獲材」ともいう）２６の入口に連結される。ＳＯｘ捕獲材２６の出口は、分岐管２７を介して排気管２４に連結される。また、分岐管２５が排気管２４から分岐する箇所には、排気ガスを分岐管２５内に流入させるか否かを制御する排気ガス流制御弁２８が取り付けられている。排気ガス流制御弁２８が図１に示されている状態にあるとき、すなわち、分岐管２５の入口を閉鎖しているときには、排気ガスは、分岐管２５には流入せずに、そのまま、排気管２４を通って下流へと流れる。一方、排気ガス流制御弁２８が図２に示されている状態にあるとき、すなわち、排気管２４の流路を閉鎖しているときには、排気ガスは、分岐管２５に流入し、ＳＯｘ捕獲材２６を通り、分岐管２７を介して排気管２４に流入する。

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」という）通路１５を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１５内には、電子制御式のＥＧＲ制御弁１６が配置される。また、ＥＧＲ通路１５周りには、該ＥＧＲ通路１５内を流れる排気ガス（以下「ＥＧＲガス」ともいう）を冷却する冷却装置１７が配置される。図１に示した内燃機関では、冷却水が冷却装置１７内に導かれ、この冷却水によって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。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る。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を有する。メインＳＯｘ捕獲材１１には、該ＳＯｘ捕獲材１１の温度を検出する温度センサ２１が取り付けられる。一方、ＮＯｘ触媒１２には、該ＮＯｘ触媒１２の温度を検出する温度センサ２２が取り付けられる。また、バックアップＳＯｘ捕獲材２６には、該ＳＯｘ捕獲材２６の温度を検出する温度センサ２９が取り付けられる。これら温度センサ２１，２２，２８の出力信号は、それぞれ対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、ＮＯｘ触媒１２には、該ＮＯｘ触媒１２の前後差圧を検出する差圧センサ２３が取り付ける。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、該アクセルペダル４０の踏込量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続される。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。さらに、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、還元剤供給弁１４、ＥＧＲ制御弁１６、および、燃料ポンプ２０に接続される。

ＮＯｘ触媒１２について説明する。ＮＯｘ触媒１２は、三次元網目構造のモノリス担体あるいはペレット状担体上に担持されているか、または、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、ＮＯｘ触媒１２は、種々の担体上に担持させることができるものであるが、以下、ＮＯｘ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、ＮＯｘ触媒１２を担持したパティキュレートフィルタ（以下「フィルタ」という）１２ａの構造を示している。なお、図３（Ａ）は、フィルタ１２ａの正面図を示しており、図３（Ｂ）は、フィルタ１２ａの側面断面図を示している。図３（Ａ）および（Ｂ）に示されているように、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を有する。これら排気流通路は、下流端が栓６２によって閉塞された排気ガス流入通路６０と、上流端が栓６３によって閉塞された排気ガス流出通路６１とによって構成される。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。したがって、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。言い換えると、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。そして、フィルタ１２ａは、例えば、コージェライトのような多孔質材料から形成されており、したがって、排気ガス流入通路６０内に流入した排気ガスは、図５（Ｂ）において矢印で示されているように、周囲の隔壁６４を通って隣接する排気ガス流出通路６１内に流出する。

ここで、こうしたフィルタ１２ａにＮＯｘ触媒１２を担持させる場合、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、すなわち、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、例えば、アルミナからなる触媒担体が担持される。図４は、こうした触媒担体４５の表面部分の断面を図解的に示している。図４に示されているように、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、さらに、触媒担体４５の表面上には、ＮＯｘ吸収剤４７の層が形成されている。

本発明の実施形態では、貴金属触媒４６として、白金（Ｐｔ）が用いられており、ＮＯｘ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択された少なくとも１つが用いられている。

内燃機関の吸気通路、燃焼室２およびＮＯｘ触媒１２上流の排気通路内に供給された空気と燃料（炭化水素）との比を排気ガスの空燃比と称すると、ＮＯｘ吸収剤４７は、ＮＯｘ触媒１２に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときには、ＮＯｘを吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸放出能力を有する。すなわち、ＮＯｘ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、ＮＯｘ触媒１２に流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるとき、すなわち、排気ガス中の酸素濃度が高いときには、排気ガス中のＮＯは、図４に示されているように、白金４６上において酸化されてＮＯ_２となり、次いで、ＮＯｘ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ＮＯｘ吸収剤４７内に拡散する。斯くして、ＮＯｘがＮＯｘ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４６の表面でＮＯ_２が生成され、ＮＯｘ吸収剤４７のＮＯｘ吸収能力が飽和しない限り、ＮＯ_２がＮＯｘ吸収剤４７内に吸収されて硝酸イオンが生成される。

一方、還元剤供給弁１４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リッチ空燃比また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、反応が逆方向に進み（ＮＯ₃ ^-→ＮＯ_２）、斯くして、ＮＯｘ吸収剤４７内の硝酸イオンがＮＯ_２の形でＮＯｘ吸収剤４７から放出される。次いで、放出されたＮＯｘは、排気ガス中の未燃ＨＣや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空燃比であるとき、すなわち、燃焼室２内の混合気の空燃比がリーン空燃比とされて燃焼が行われているときには、排気ガス中のＮＯｘがＮＯｘ吸収剤４７内に吸収される。しかしながら、燃焼室２内の混合気の空燃比がリーン空燃比とされて燃焼が継続して行われると、その間に、ＮＯｘ吸収剤４７のＮＯｘ吸収能力が飽和してしまい、斯くして、ＮＯｘ吸収剤４７がＮＯｘを吸収できなくなってしまう。そこで、本発明の実施形態では、ＮＯｘ吸収剤４７のＮＯｘ吸収能力が飽和してしまう前に、還元剤供給弁１４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空燃比にし、それによって、ＮＯｘ吸収剤４７からＮＯｘを放出させるようにしている。

ところで、排気ガス中には、ＳＯｘ、すなわち、ＳＯ_２も含まれており、このＳＯ_２がＮＯｘ触媒１２に流入すると、このＳＯ_２は、白金４６において酸化されてＳＯ_３となる。次いで、このＳＯ_３は、ＮＯｘ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ＮＯｘ吸収剤４７内に拡散し、安定した硫酸塩（ＢａＳＯ_４）を生成する。そして、ＮＯｘ吸収剤４７が強い塩基性を有することからも、この硫酸塩は、安定していて分解されづらく、ＮＯｘ触媒１２に流入する排気ガスの空燃比を単にリッチ空燃比にしただけでは、硫酸塩は、分解されずにそのまま残る。したがって、時間が経過するにつれて、ＮＯｘ吸収剤４７内の硫酸塩の量が増大することになり、この場合、ＮＯｘ吸収剤４７が吸収しうるＮＯｘ量が低下することになる。

この場合、ＮＯｘ触媒１２の温度を６００℃以上の温度まで上昇させた上でＮＯｘ触媒１２に流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比にすれば、ＮＯｘ吸収剤４７からＳＯｘが放出される。しかしながら、この場合、ＳＯｘは、少しずつしかＮＯｘ吸収剤４７から放出されない。したがって、ＮＯｘ吸収剤４７から全てのＳＯｘを放出させるためには、長時間に亘ってＮＯｘ吸収剤４７に流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比にしなければならず、この場合、多量の燃料または還元剤が必要になる。また、ＮＯｘ吸収剤４７から放出されたＳＯｘ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、本発明の実施形態では、ＮＯｘ触媒１２上流にメインＳＯｘ捕獲材１１を配置して、このＳＯｘ捕獲材１１によって排気ガス中のＳＯｘを捕獲し、それによって、ＮＯｘ触媒１２にＳＯｘが流入しないようにしている。次に、このメインＳＯｘ捕獲材１１について説明する。

メインＳＯｘ捕獲材１１は、例えば、ハニカム構造のモノリス触媒からなり、ＳＯｘ捕獲材１１の軸線方向に真っ直ぐに延びる多数の排気ガス流通孔を有する。このように、ＳＯｘ捕獲材１１をハニカム構造のモノリス触媒から形成した場合、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５０の表面部分の断面を図解的に示している。図５に示したように、触媒担体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。

本発明の実施形態では、貴金属触媒５２として、白金（Ｐｔ）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択された少なくとも１つが用いられている。すなわち、メインＳＯｘ捕獲材１１のコート層５１は、強塩基性を呈している。

ところで、排気ガス中のＳＯｘ、すなわち、ＳＯ_２は、図５に示されているように、白金５２において酸化され、次いで、コート層５１内に捕獲される。すなわち、ＳＯ_２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、したがって、図５に示されているように、排気ガス中のＳＯ_２の一部は、コート層５１内に直接捕獲される。

図５において、コート層５１内における濃淡は、捕獲されたＳＯｘの濃度を示している。図５から判るように、コート層５１内におけるＳＯｘ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ＳＯｘ濃度が高くなると、コート層５１の表面の塩基性が弱まり、ＳＯｘの捕獲能力が弱まる。ここで、排気ガス中のＳＯｘうちでメインＳＯｘ捕獲材１１に捕獲されるＳＯｘの割合をＳＯｘ捕獲率と称すると、コート層５１の表面の塩基性が弱まれば、それに伴って、ＳＯｘ捕獲率が低下することになる。

図６に、ＳＯｘ捕獲率の時間的変化を示した。図６に示されているように、ＳＯｘ捕獲率は、初めは、１００％に近いが、時間が経過すると、ＳＯｘ捕獲率は、急速に低下する。そこで、本発明の実施形態では、図７に示されているように、ＳＯｘ捕獲率が予め定められた率よりも低下したときに、メインＳＯｘ捕獲材１１に流入する排気ガスの空燃比をリーン空燃比とした上でＳＯｘ捕獲材１１の温度を一定温度まで上昇させる昇温制御を行い、それによって、ＳＯｘ捕獲率を回復させるようにしている。

すなわち、メインＳＯｘ捕獲材１１に流入する排気ガスの空燃比をリーン空燃比とした上でＳＯｘ捕獲材１１の温度を一定温度まで上昇させると、コート層５１内の表面近傍に集中的に存在するＳＯｘは、コート層５１内におけるＳＯｘ濃度が均一となるように、コート層５１の奥部に向かって拡散していく。すなわち、コート層５１内に生成されている硫酸塩は、コート層５１内の表面近傍に集中している不安定な状態からコート層５１内の全体に亘って均一に分散した安定した状態に変化する。コート層５１内の表面近傍に存在するＳＯｘがコート層５１の奥部に向かって拡散すると、コート層５１内の表面近傍のＳＯｘ濃度が低下し、斯くして、ＳＯｘ捕獲材１１の昇温制御が完了すると、図９に示したように、ＳＯｘ捕獲率が回復する。

メインＳＯｘ捕獲材１１の昇温制御を行ったときに、ＳＯｘ捕獲材１１の温度を略４５０℃程度にすれば、コート層５１内の表面近傍に存在するＳＯｘをコート層５１の奥部に向かって拡散させることができ、ＳＯｘ捕獲材１１の温度を６００℃程度まで上昇させると、コート層５１内のＳＯｘ濃度をかなり均一化することができる。したがって、ＳＯｘ１１の昇温制御の実行時には、ＳＯｘ捕獲材１１に流入する排気ガスの空燃比をリーン空燃比とした上でＳＯｘ捕獲材１１の温度を６００℃程度まで昇温させることが好ましい。

なお、このように、メインＳＯｘ捕獲材１１を一定温度まで昇温させたときにＳＯｘ捕獲材１１に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比になっていると、ＳＯｘ捕獲材１１からＳＯｘが放出されてしまう。したがって、ＳＯｘ捕獲材１１を一定温度まで昇温させたときには、ＳＯｘ捕獲材１１に流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比にしてはならない。また、コート層５１内の表面近傍のＳＯｘ濃度が高くなると、ＳＯｘ捕獲材１１の温度が一定温度まで昇温されなくても、ＳＯｘ捕獲材１１に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比となると、ＳＯｘ捕獲材１１からＳＯｘが放出されてしまう。そこで、本発明の実施形態では、ＳＯｘ捕獲材１１の温度がＳＯｘを放出してしまう可能性のある温度以上であるときには、ＳＯｘ捕獲材１１に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比とならないようにしている。

また、バックアップＳＯｘ捕獲材２６は、基本的には、メインＳＯｘ捕獲材１１と同じものである。

ところで、上述したように、メインＳＯｘ捕獲材１１によって排気ガスからＳＯｘが除去される。したがって、ＳＯｘ捕獲材１１のＳＯｘ捕獲率が高いときには、ＮＯｘ触媒１２に流入するＳＯｘはなく或いはほとんどなく、ＮＯｘ触媒１２から下流へ流出するＳＯｘはなく或いはほとんどない。したがって、このときには、排気ガス流制御弁２８を図１に示された状態、すなわち、分岐管２５の入口を閉鎖して排気管２４の流路を開放した状態に維持していたとしても、排気管２４から大気に流出するＳＯｘはなく或いはほとんどない。したがって、通常、排気ガス流制御弁２８は図１に示された状態に維持される。

しかしながら、メインＳＯｘ捕獲材１１のＳＯｘ捕獲率が低くなったり、メインＳＯｘ捕獲材１１が捕獲しきれないほど多くのＳＯｘがＳＯｘ捕獲材１１に流入したりすると、ＳＯｘ捕獲材１１からＳＯｘが流出し、ＮＯｘ触媒１２を通過してＮＯｘ触媒から下流へ流出してしまう可能性がある。

そこで、第１実施形態では、メインＳＯｘ捕獲材１１から流出するＳＯｘ量が予め定められた量よりも多くなる条件（以下「ＳＯｘ流出条件」という）が成立したと判断したときには、排気ガス流制御弁２８が図１に示された状態から図２に示された状態、すなわち、排気管２４の流路を閉鎖して分岐管２５の入口を開放した状態に切り換えられる。これによれば、メインＳＯｘ捕獲材１１から流出したＳＯｘは、排気ガスと共に、分岐管２５を介して、バックアップＳＯｘ捕獲材２６に流入し、該バックアップＳＯｘ捕獲材２６によって捕獲される。このため、バックアップＳＯｘ捕獲材２６から流出するＳＯｘはなく或いはほとんどない。そして、本発明の実施形態では、バックアップＳＯｘ捕獲材２６から流出した排気ガスは分岐管２７を介して排気管２４に戻されるのであるが、バックアップＳＯｘ捕獲材２６から流出するＳＯｘがなく或いはほとんどないことから、ＳＯｘが排気管２４から大気に流出することが抑制される。

なお、上述した実施形態において、例えば、燃料噴射弁３から噴射される燃料に含まれている硫黄成分の量（以下「燃料含有硫黄成分量」という）が予め定められた量よりも多いとき、或いは、メインＳＯｘ捕獲材１１に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるとき、或いは、メインＳＯｘ捕獲材１１下流の排気管１３に排気ガス中のＳＯｘ濃度を検出するＳＯｘ濃度センサが配置されている場合において該ＳＯｘ濃度センサによって検出される排気ガス中のＳＯｘ濃度が予め定められた濃度よりも高いときにＳＯｘ流出条件が成立したと判断される。また、燃料含有硫黄成分量が予め定められた量よりも多いときにＳＯｘ流出条件が成立したと判断する場合、例えば、燃料含有硫黄成分量が多いほど、ＮＯｘ触媒１２が最大限に保持可能なＮＯｘ量が早期に少なくなることから、ＮＯｘ触媒１２が最大限に保持可能なＮＯｘ量が予め定められた期間内で予め定められた量にまで低下したときに、燃料含有硫黄成分量が予め定められた量よりも多いと判断する。或いは、燃料含有硫黄成分量が多いほど、メインＳＯｘ捕獲材１１から流出してくるＳＯｘ量が多くなることから、メインＳＯｘ捕獲材１１から流出してくるＳＯｘ量が予め定められた量よりも多いときに、燃料含有硫黄成分量が予め定められた量よりも多いと判断するようにしてもよい。或いは、燃料含有硫黄成分量が予め定められた量よりも多い燃料を提供する地域を予め地図情報としていわゆるナビゲーションシステムに記憶しておき、この地図情報に基づいて、燃料含有硫黄成分量が予め定められた量よりも多い地域において燃料が提供されたときに、燃料含有硫黄成分量が予め定められた量よりも多いと判断するようにしてもよい。

また、上述したように、通常、排気ガスは、バックアップＳＯｘ捕獲材２６には流入しない。このため、ＳＯｘ流出条件が成立したと判断されたときには、ＳＯｘ捕獲材２６の温度が該ＳＯｘ捕獲材２６がＳＯｘを捕獲する能力を発揮する温度（以下「活性温度」という）よりも低くなっている可能性がある。そして、ＳＯｘ捕獲材２６の温度が活性温度よりも低い場合には、ＳＯｘ流出条件が成立したと判断されて排気ガスがＳＯｘ捕獲材２６に流入したとしても、ＳＯｘ捕獲材２６はＳＯｘを捕獲することができない。もちろん、ＳＯｘ捕獲材２６に排気ガスが流入して一定の時間が経過すれば、排気ガスの熱によってＳＯｘ捕獲材２６の温度が上昇せしめられて活性温度に達するので、それ以降は、ＳＯｘ捕獲材２６はＳＯｘを捕獲することができる。しかしながら、ＳＯｘ捕獲材２６から下流へ流出するＳＯｘの量をできるだけ少なくするために、ＳＯｘ流出条件が成立したと判断されたときに、ＳＯｘ捕獲材２６の温度が活性温度よりも低いときには、ＳＯｘ捕獲材２６をヒータ等によって加熱するようにしてもよい。

また、バックアップＳＯｘ捕獲材２６は、そこに流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときにＳＯｘを捕獲する。したがって、ＳＯｘ流出条件が成立したと判断され、排気ガスがＳＯｘ捕獲材２６に流入せしめられるときには、ＳＯｘ捕獲材２６に流入する排気ガスの空燃比が確実にリーン空燃比になっていることが好ましい。特に、メインＳＯｘ捕獲材１１に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であることからＳＯｘ流出条件が成立したと判断されたときには、バックアップＳＯｘ捕獲材２６に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比となっているので、バックアップＳＯｘ捕獲材２６に流入する排気ガスの空燃比をリーン空燃比とする必要がある。そこで、図９に示したように、分岐管２５に空気を噴射する空気噴射装置５０を取り付け、ＳＯｘ流出条件が成立したと判断したとき、特に、メインＳＯｘ捕獲材１１に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であることからＳＯｘ流出条件が成立したと判断されたときに、空気噴射装置５０から空気を噴射するようにしてもよい。これによれば、バックアップＳＯｘ捕獲材２６に流入する排気ガスの空燃比がより確実にリーン空燃比となることから、バックアップＳＯｘ捕獲材２６が十分にＳＯｘを捕獲することができる。

図８は、第１実施形態の排気浄化装置を制御するルーチンの一例を示した図である。図８のルーチンでは、始めに、ステップ１０において、メインＳＯｘ捕獲材１１に捕獲されているＳＯｘの量とＮＯｘ触媒１２に保持されているＳＯｘの量（以下「トータルＳＯｘ捕獲量」という）との合計ΣＳＯＸが予め定められた量αよりも多い（ΣＳＯＸ＞α）か否かが判別される。ここで、トータルＳＯｘ捕獲量は、例えば、燃焼室２から排出されるＳＯｘ量が燃料噴射弁３から噴射される燃料の量に比例することから燃料噴射弁３から噴射された燃料の量に基づいて算出される。また、ステップ１０において、トータルＳＯｘ捕獲量を考慮するのは、トータルＳＯｘ捕獲量が比較的少ないときには、ＳＯｘは、メインＳＯｘ捕獲材１１から流出しづらいからである。

ステップ１０において、ΣＳＯＸ＞αであると判別されたときには、ステップ１１に進んで、ＳＯｘ流出条件が成立しているか否かが判別される。ここで、ＳＯｘ流出条件が成立していると判別されたときには、ステップ１２に進んで、排気ガス流制御弁の制御Ｉが実行される。すなわち、ここでは、排気ガス流制御弁２８が図２に示された状態、すなわち、分岐管２５の入口を開放して排気管２４の流路を閉鎖した状態とされる。一方、ステップ１１において、ＳＯｘ流出条件が成立していないと判別されたときには、ステップ１３に進んで、排気ガス流制御弁の制御ＩＩが実行される。すなわち、ここでは、排気ガス流制御弁２８が図１に示された状態、すなわち、分岐管２５の入口を閉鎖して排気弁２４の流路を開放した状態とされる。なお、ステップ１０において、ΣＳＯＸ≦αと判断されたときにも、ステップ１３に進んで、排気ガス流制御弁の制御ＩＩが実行される。

次に、本発明の第２実施形態の排気浄化装置について説明する。図１０に、第２実施形態の排気浄化装置を備えた圧縮着火式の内燃機関が示されている。第２実施形態では、排気管２４から分岐した分岐管２５は、一定の容積空間を備えたＳＯｘ捕獲容器５１の入口に連結される。ＳＯｘ捕獲容器５１の出口は、分岐管２７を介してメインＳＯｘ捕獲材１１上流の排気管に連結される。また、第２実施形態では、分岐管２７に該分岐管２７を介してメインＳＯｘ捕獲材１１上流の排気管に流入する排気ガスの量を制御する排気流量制御弁５２が配置される。排気流量制御弁５１は、通常、図１０に示されているように、分岐管２７を閉鎖した状態にある。

第２実施形態では、ＳＯｘ流出条件が成立していないと判断されている間は、排気ガス流制御弁２８は、図１０に示された状態、すなわち、分岐管２５の入口を閉鎖して排気管２４の流路を開放した状態に維持される。一方、ＳＯｘ流出条件が成立したと判断されたときには、排気ガス流制御弁２８は、図１１に示された状態、すなわち、分岐管２５の入口を開放して排気管２４の流路を閉鎖した状態に切り換えられる。そして、このとき、排気ガス流量制御弁５２は、図１１に示されているように、分岐管２７を閉鎖した状態に維持される。これによれば、メインＳＯｘ捕獲材１１から流出したＳＯｘは、排気ガスと共に、分岐管２５を介してＳＯｘ捕獲容器５１内に流入し、該ＳＯｘ捕獲容器５１内に捕集される。これによれば、ＳＯｘが排気管２４から大気に流出することが抑制される。

なお、第２実施形態では、ＳＯｘ流出条件が成立していないと判断されたとき、すなわち、メインＳＯｘ捕獲材１１がＳＯｘを十分に捕獲することができるようになったときには、排気ガス流制御弁２８が図１０に示されている状態に戻されると共に、排気ガス流量制御弁５２が開弁される。これによれば、ＳＯｘ捕獲容器５２内のＳＯｘが排気ガスと共に分岐管２７を介してメインＳＯｘ捕獲材１１に流入し、該メインＳＯｘ捕獲材１１によって捕獲される。

次に、本発明の第３実施形態の排気浄化装置について説明する。図１２に、第３実施形態の排気浄化装置を備えた圧縮着火式の内燃機関が示されている。第３実施形態では、排気管２４から分岐した分岐管２５は、ＳＯｘ処理容器５３の入口に連結される。ＳＯｘ処理容器５３の出口は、分岐管２７を介して排気管２４に連結される。ＳＯｘ処理容器５３には、ミスト状のＨ_２Ｏ_２（過酸化水素）をＳＯｘ処理容器５３内に供給するＨ_２Ｏ_２供給装置５４が取り付けられている。

第３実施形態では、ＳＯｘ流出条件が成立していないと判断されている間は、排気ガス流制御弁２８は、図１２に示された状態、すなわち、分岐管２５の入口を閉鎖して排気管２４の流路を開放した状態に維持される。一方、ＳＯｘ流出条件が成立したと判断されたときには、排気ガス流制御弁２８は、図１２に示された状態から図１３に示された状態、すなわち、分岐管２５の入口を開放して排気管２４の流路を閉鎖した状態に切り換えられる。そして、このとき、Ｈ_２Ｏ_２供給装置５４からＳＯｘ処理容器５３内にミスト状のＨ_２Ｏ_２が供給される。これによれば、メインＳＯｘ捕獲材１１から流出したＳＯｘは、排気ガスと共に、分岐管２５を介してＳＯｘ処理装置５３内に流入し、Ｈ_２Ｏ_２と反応して硫酸になる（ＳＯ_２＋Ｈ_２Ｏ_２→Ｈ_２ＳＯ_４）。そして、この硫酸は、ＳＯｘ処理装置５３に形成されている硫酸貯留室内に貯留される。斯くして、ＳＯｘが排気管２４から大気に流出することが抑制される。

なお、第１実施形態においてバックアップＳＯｘ捕獲材２６内に捕獲されたＳＯｘの量が該バックアップＳＯｘ捕獲材２６が捕獲可能なＳＯｘ量の限界値に達したとき或いは限界値に近くなったとき、また、第３実施形態において、ＳＯｘ処理容器５３の硫酸貯留室内に貯留された硫酸の量が該硫酸貯留装置が貯留可能な硫酸量の限界値に達したとき或いは限界値に近くなったときに、警報装置を作動して、バックアップＳＯｘ捕獲材２６内に捕獲されたＳＯｘの量が限界値に達したこと或いは近くなったこと、または、ＳＯｘ処理容器５３内に貯留された硫酸の量が限界値に達したこと或いは近くなったことを車両の運転者等に知らせるようにしてもよい。

また、第３実施形態の排気浄化装置の別の一例として、図１４に示した排気浄化装置を採用してもよい。図１４に示した例では、ＳＯｘ処理容器５３が排気管２４に直接取り付けられている。この例では、ＳＯｘ流出条件が成立していないと判断されている間は、Ｈ_２Ｏ_２供給装置５４からミスト状のＨ_２Ｏ_２を供給することはない。一方、ＳＯｘ流出条件が成立したと判断されたときには、Ｈ_２Ｏ_２供給装置５４からミスト状のＨ_２Ｏ_２をＳＯｘ処理容器５３内に供給し、Ｈ_２Ｏ_２を排気ガス中のＳＯｘと反応させて硫酸とする。これにより、ＳＯｘが排気管２４から大気に流出することが抑制される。

本発明の第１実施形態の排気浄化装置を備えた圧縮着火式の内燃機関を示した図であり、ここでは、排気ガス流制御弁が分岐管の入口を閉鎖した状態にある。 図１と同様に第１実施形態の排気浄化装置を備えた圧縮着火式の内燃機関を示した図であるが、ここでは、排気ガス流制御弁が分岐管の入口を開放した状態にある。 パティキュレートフィルタの構造を示した図である。 ＮＯｘ触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。 ＳＯｘ捕獲材の触媒担体の表面部分の断面図である。 ＳＯｘ捕獲率を示した図である。 昇温制御を説明するための図である。 第１実施形態の排気浄化装置を制御するルーチンの一例を示した図である。 第１実施形態の排気浄化装置の別の例を示した図である。 第２実施形態の排気浄化装置を備えた圧縮着火式の内燃機関を示した図であり、ここでは、排気ガス流制御弁が分岐管の入口を閉鎖した状態にある。 図１０と同様に第２実施形態の排気浄化装置を備えた圧縮着火式の内燃機関を示した図であり、ここでは、排気ガス流制御弁が分岐管の入口を開放した状態にある。 第３実施形態の排気浄化装置を備えた圧縮着火式の内燃機関を示した図であり、ここでは、排気ガス流制御弁が分岐管の入口を閉鎖した状態にある。 図１２と同様に第３実施形態の排気浄化装置を備えた圧縮着火式の内燃機関を示した図であり、ここでは、排気ガス流制御弁が分岐管の入口を開放した状態にある。 第３実施形態の排気浄化装置の別の例を示した図である。

符号の説明

１１ メインＳＯｘ捕獲材
１２ ＮＯｘ触媒
２４ 排気管
２５，２７ 分岐管
２６ バックアップＳＯｘ捕獲材
２８ 排気ガス流制御弁
５０ 空気噴射装置
５１ ＳＯｘ捕獲容器
５３ ＳＯｘ処理容器
５４ Ｈ_２Ｏ_２供給装置

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路内にＳＯｘを捕獲する第１のＳＯｘ捕獲材を備えた排気浄化装置において、
   第１のＳＯｘ捕獲材から流出するＳＯｘの量が予め定められた量よりも多くなるＳＯｘ流出条件が成立したと判断されたときに第１のＳＯｘ捕獲材から流出するＳＯｘを捕獲する機能を発揮するＳＯｘ捕獲手段を第１のＳＯｘ捕獲材とは別に具備し、
   前記ＳＯｘ捕獲手段は、第１のＳＯｘ捕獲材下流の排気通路から分岐した分岐通路と、分岐通路に排気ガスを流入させるか否かを制御する排気ガス流制御弁とを含み、更に、前記ＳＯｘ捕獲手段は、分岐通路に配置され、ＳＯｘを捕獲する第２のＳＯｘ捕獲材、分岐通路に配置され、排気ガスを収容することができる容積空間、または分岐通路に配置され、過酸化水素を供給する過酸化水素供給装置を含み、
   前記ＳＯｘ流出条件が成立しているか否かを判別し、前記ＳＯｘ流出条件が成立していないと判断される場合には、前記排気ガス流制御弁を制御して排気ガスを分岐通路に流入させずに排気通路に流通させ、更に、ＳＯｘ流出条件が成立したと判断される場合には、前記排気ガス流制御弁を制御して排気ガスを分岐通路に流入させることを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記ＳＯｘ捕獲手段は、ＳＯｘを捕獲する第２のＳＯｘ捕獲材と、第２のＳＯｘ捕獲材に空気を供給する空気供給装置とを有し、
   前記排気通路内に配置された第１のＳＯｘ捕獲材に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときに前記ＳＯｘ流出条件が成立したと判断し、該ＳＯｘ流出条件が成立したと判断されたときに前記ＳＯｘ捕獲手段が前記排気ガス流制御弁を制御して排気ガスを前記分岐通路内に流入させると共に前記空気供給装置から前記分岐通路内に配置されている第２のＳＯｘ捕獲材に空気を供給することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記ＳＯｘ捕獲手段が過酸化水素を供給する過酸化水素供給装置と、該過酸化水素供給装置から供給された過酸化水素とＳＯｘとの反応により生成される硫酸を貯留する硫酸貯留室とを有し、
   前記ＳＯｘ流出条件が成立したと判断されたときに前記ＳＯｘ捕獲手段が前記排気ガス流制御弁を制御して排気ガスを前記分岐通路内に流入させると共に該分岐通路内を流れる排気ガスに前記過酸化水素供給装置から過酸化水素を供給させることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 排気通路内に配置された第１のＳＯｘ捕獲材はその温度が一定温度よりも低く且つ流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときに排気ガス中のＳＯｘを第１のＳＯｘ捕獲材の表面近傍の領域に捕獲すると共に、その温度が前記一定温度よりも高く且つ流入する排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときには第１のＳＯｘ捕獲材の表面近傍に捕獲されているＳＯｘを第１のＳＯｘ捕獲材の内部に拡散させるＳＯｘ捕獲材であり、
   第１のＳＯｘ捕獲材のＳＯｘ捕獲率が予め定められた率よりも低くなったときに第１のＳＯｘ捕獲材の温度を前記一定温度よりも高くすると共に第１のＳＯｘ捕獲材に流入する排気ガスの空燃比をリーン空燃比に維持する制御が実行されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

Images