JP6686665B2

JP6686665B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP6686665B2
Application number: JP2016084560A
Authority: JP
Inventors: 寿丈梅本; 俊博森
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-04-20
Filing date: 2016-04-20
Publication date: 2020-04-22
Anticipated expiration: 2036-04-20
Also published as: JP2017194011A

Description

本発明は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粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタを機関排気通路内に配置した内燃機関の排気浄化装置が知られている。ところが、パティキュレートフィルタ上に堆積している粒子状物質の量が多くなるにつれて、パティキュレートフィルタの圧力損失が大きくなる。パティキュレートフィルタの圧力損失が大きくなると、機関出力が低下するおそれがある。そこで、この排気浄化装置では、パティキュレートフィルタの粒子状物質捕集量が多くなったときにパティキュレートフィルタの温度を上昇させて保持するＰＭ除去制御を行い、それにより粒子状物質を酸化除去するようにしている。

ところで、排気ガス中にはアッシュと称される不燃性成分も含まれており、このアッシュは粒子状物質と共にパティキュレートフィルタに捕集される。ところが、ＰＭ除去制御が行われてもアッシュは燃焼せず又は気化しない。すなわち、アッシュはパティキュレートフィルタから除去されず、パティキュレートフィルタ上に残留する。したがって、ＰＭ除去制御を行っても、パティキュレートフィルタの圧力損失を十分に回復することができない。

そこで、パティキュレートフィルタに捕集されたアッシュを微粒化し、それによりアッシュがパティキュレートフィルタを通過してパティキュレートフィルタから除去されるようにした内燃機関の排気浄化装置が公知である（例えば、特許文献１参照）。この排気浄化装置では、パティキュレートフィルタに固体酸が担持され、この固体酸の酸強度は亜硫酸の酸強度よりも高くかつ硫酸の酸強度よりも低い。また、アッシュを微粒化するために、パティキュレートフィルタに流入する排気ガス中の酸素濃度が一時的に低下されると共に、パティキュレートフィルタの温度が一時的に高められる。アッシュがパティキュレートフィルタを通過してパティキュレートフィルタから除去されれば、アッシュによるパティキュレートフィルタの圧力損失増大を抑制することができる。

特表２０１４−５２０２２６号公報

しかしながら、特許文献１の排気浄化装置では固体酸が不可欠である。したがって、安価で簡単な構成でもってアッシュによるパティキュレートフィルタの圧力損失増大を抑制する技術が求められている。

更に、詳しくは後述するが、硫酸カルシウムＣａＳＯ_４の形のアッシュをパティキュレートから脱離させるのはより困難な場合がある。そこで、本発明の目的は、硫酸カルシウムＣａＳＯ_４の形のアッシュの生成を抑制しつつ、安価で簡単な構成でもってアッシュによるパティキュレートフィルタの圧力損失増大を抑制することが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

本発明によれば、機関排気通路内に配置され、排気ガス中の粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタ上流の機関排気通路内又は前記パティキュレートフィルタ内に配置されたＳＯｘ捕捉触媒であって、流入排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のＳＯｘを捕捉し、前記ＳＯｘ捕捉触媒の温度がＳＯｘ放出温度であり流入排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチのときに捕捉しているＳＯｘを放出するＳＯｘ捕捉触媒と、前記パティキュレートフィルタのアッシュ付着量を減少させるために前記パティキュレートフィルタの温度をあらかじめ定められたアッシュ脱離温度まで上昇させて該アッシュ脱離温度に保持するアッシュ脱離制御を行うように構成されたアッシュ脱離手段であって、前記アッシュ脱離温度は前記アッシュを酸化カルシウムに変換するのに適した温度である、アッシュ脱離手段と、前記ＳＯｘ捕捉触媒のＳＯｘ捕捉量を減少させるために前記ＳＯｘ捕捉触媒の温度をあらかじめ定められたＳＯｘ放出温度まで上昇させて該ＳＯｘ放出温度に保持しつつ前記ＳＯｘ捕捉触媒への流入排気ガスの空燃比を一時的にリッチに切り換えるＳＯｘ放出制御を行うように構成されたＳＯｘ放出手段と、前記ＳＯｘ放出制御を行うべきときには、まず前記アッシュ脱離制御を行い、次いで前記ＳＯｘ放出制御を行うように、前記アッシュ脱離手段及び前記ＳＯｘ放出手段を制御する制御手段と、を備えた、内燃機関の排気浄化装置が提供される。

硫酸カルシウムの形のアッシュの生成を抑制しつつ、安価で簡単な構成でもってアッシュによるパティキュレートフィルタの圧力損失増大を抑制することができる。

内燃機関の全体図である。ＮＯｘ吸蔵還元触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。ＮＯｘ吸蔵還元触媒の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におけるアッシュの状態を示す模式図である。パティキュレートフィルタにおけるアッシュの状態を示す模式図である。ＰＭ除去制御、アッシュ脱離制御及びＳＯｘ放出制御の実行タイミングを示すタイムチャートである。ＳＯｘ捕捉量ＱＳの算出ルーチンを示すフローチャートである。ＳＯｘ放出制御ルーチンを示すフローチャートである。

図１を参照すると、１は圧縮着火式内燃機関の本体、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それぞれ示す。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７ｃの出口に連結され、コンプレッサ７ｃの入口は吸気導入管８を介してエアフロメータ９及びエアクリーナ１０に順次連結される。吸気ダクト６内には電気制御式スロットル弁１１が配置され、更に吸気ダクト６内には吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１２が配置される。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７ｔの入口に連結され、排気タービン７ｔの出口は排気後処理装置２０に連結される。

各燃料噴射弁３は燃料供給管１３を介してコモンレール１４に連結され、このコモンレール１４は電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ１５を介して燃料タンク１６に連結される。燃料タンク１６内の燃料は燃料ポンプ１５によってコモンレール１４内に供給され、コモンレール１４内に供給された燃料は各燃料供給管１３を介して燃料噴射弁３に供給される。なお、コモンレール１４にはコモンレール１４内の燃料圧を検出する燃料圧センサ（図示しない）が取り付けられており、燃料圧センサからの信号に基づきコモンレール１４内の燃料圧が目標圧に一致するように燃料ポンプ１５の燃料吐出量が制御される。図１に示される実施例ではこの燃料は軽油から構成される。図示しない別の実施例では内燃機関は火花点火式内燃機関から構成される。この場合には燃料はガソリンから構成される。

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という。）通路１７を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１７内には電気制御式ＥＧＲ制御弁１８が配置される。また、ＥＧＲ通路１７周りにはＥＧＲ通路１７内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１９が配置される。

排気後処理装置２０は排気タービン７ｔの出口に連結された排気管２１を具備し、この排気管２１は触媒２２の入口に連結される。触媒２２の出口は排気管２３を介してウォールフロー型パティキュレートフィルタ２４の入口に連結される。パティキュレートフィルタ２４の出口は排気管２５に連結される。図示しない別の実施例では、触媒２２はパティキュレートフィルタ２４内に配置される。

電子制御ユニット（ＥＣＵ）又は制御器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及び出力ポート３６を具備する。排気管２３にはパティキュレートフィルタ２４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が取り付けられる。パティキュレートフィルタ２４に流入する排気ガスの温度はパティキュレートフィルタ２４の温度を表している。エアフロメータ９及び温度センサ２６の出力電圧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、アクセルペダル３９にはアクセルペダル３９の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４０が接続され、負荷センサ４０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、クランクシャフトが例えば３０度回転するごとに出力パルスを発生するクランク角センサ４１が入力ポート３５に接続される。ＣＰＵ３４ではクランク角センサ４１からの出力パルスに基づいて機関回転数が算出される。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１１の駆動装置、燃料ポンプ１５、及びＥＧＲ制御弁１８にそれぞれ接続される。なお、電子制御ユニットはアッシュ脱離手段及びＳＯｘ放出手段を構成する。

図２Ａ及び図２Ｂはパティキュレートフィルタ２４の構造を示している。なお、図２Ａはパティキュレートフィルタ２４の正面図を示しており、図２Ｂはパティキュレートフィルタ２４の側面断面図を示している。図２Ａ及び図２Ｂに示されるようにパティキュレートフィルタ２４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７１ｉ，７１ｏと、これら排気流通路７１ｉ，７１ｏを互いに隔てる隔壁７２とを具備する。図２Ａ及び図２Ｂに示される実施例では、排気流通路７１ｉ，７１ｏは、上流端が開放されかつ下流端が栓７３ｄにより閉塞された排気ガス流入通路７１ｉと、上流端が栓７３ｕにより閉塞されかつ下流端が開放された排気ガス流出通路７１ｏとにより構成される。なお、図２Ａにおいてハッチングを付した部分は栓７３ｕを示している。したがって、排気ガス流入通路７１ｉ及び排気ガス流出通路７１ｏは薄肉の隔壁７２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７１ｉ及び排気ガス流出通路７１ｏは各排気ガス流入通路７１ｉが４つの排気ガス流出通路７１ｏによって包囲され、各排気ガス流出通路７１ｏが４つの排気ガス流入通路７１ｉによって包囲されるように配置される。図示しない別の実施例では、排気流通路は、上流端及び下流端が開放された排気ガス流入通路と、上流端が栓により閉塞されかつ下流端が開放された排気ガス流出通路とにより構成される。

隔壁７２は多孔質材料、例えばコージェライト、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニア、チタニア、アルミナ、シリカ、ムライト、リチウムアルミニウムシリケート、リン酸ジルコニウムのようなセラミックから形成される。したがって、図２Ｂに矢印で示されるように、排気ガスはまず排気ガス流入通路７１ｉ内に流入し、次いで周囲の隔壁７２内を通って隣接する排気ガス流出通路７１ｏ内に流出する。このように隔壁７２は排気ガス流入通路７１ｉの内周面を構成する。

隔壁７２の両側面及び細孔内表面には酸化機能を有する触媒が担持される。酸化機能を有する触媒は白金Ｐｔ、ロジウムＲｈ、パラジウムＰｄのような貴金属から構成される。図示しない別の実施例では、酸化機能を有する触媒はセリウムＣｅ、プラセオジムＰｒ、ネオジムＮｄ、ランタンＬａのような卑金属を含む複合酸化物から構成される。図示しない更に別の実施例では、触媒は貴金属及び複合酸化物の組み合わせから構成される。

一方、触媒２２はハニカム構造をなしており、薄肉の基材により互いに分離されつつ互いに平行に延びる複数個の排気流通路を具備する。この基材には例えばアルミナからなる担体を介して触媒成分が担持される。本発明による実施例では触媒２２はＮＯｘ吸蔵還元触媒から形成される。ＮＯｘ吸蔵還元触媒２２は貴金属触媒及び塩基性層を含む。本発明による実施例では、貴金属触媒として白金Ｐｔ、ロジウムＲｈ、及びパラジウムＰｄから選ばれた少なくとも一つが用いられ、塩基性層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、及びセシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ及びカルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタノイドのような希土類、並びに、銀Ａｇ、銅Ｃｕ、鉄Ｆｅ及びイリジウムＩｒのようなＮＯｘに電子を供与しうる金属から選ばれた少なくとも一つが用いられる。

吸気通路、燃焼室２及び、排気通路内の或る位置よりも上流の排気通路内に供給された空気及び燃料の比をその位置における排気ガスの空燃比と称し、吸収及び吸着の双方を含む用語として吸蔵という用語を用いると、塩基性層は流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯｘ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したＮＯｘを放出するＮＯｘの吸蔵放出作用を行う。

すなわち、貴金属触媒として白金Ｐｔを用い塩基性層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、流入排気ガスの空燃比がリーンのとき、すなわち流入排気ガス中の酸素濃度が高いときには流入排気ガス中に含まれるＮＯは白金Ｐｔ上において酸化されてＮＯ_２となる。このように生成されたＮＯ_２及び流入排気ガス中のＮＯ_２は次いで白金から電子を供与されてＮＯ_２ ⁻となる。このＮＯ_２ ⁻は次いで、硝酸イオンＮＯ_３ ⁻の形で塩基性層内に拡散し、硝酸塩となる。このようにしてＮＯｘが硝酸塩の形で塩基性層内に吸収される。なお、ＮＯ及びＮＯ_２が吸着によって塩基性層に一時的に保持される場合もある。

一方、ＮＯｘが硝酸塩の形で塩基性層に吸収されているときに流入排気ガスの空燃比がリッチにされると流入排気ガス中の酸素濃度が低下するために反応が逆方向（ＮＯ_３ ⁻→ＮＯ_２）に進み、斯くして塩基性層内の硝酸イオンＮＯ_３ ⁻がＮＯ_２の形で塩基性層から放出される。次いで放出されたＮＯ_２は流入排気ガス中に含まれる還元剤例えばＨＣ，ＣＯ，Ｈ_２によってＮ_２に還元される。このように、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２２は、流入排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸蔵し、流入排気ガスの空燃比がリッチになると吸蔵したＮＯｘを放出すると共に放出したＮＯｘをＮ_２に還元するように構成されている。

機関本体１では酸素過剰のもとで燃焼が行なわれている。したがって、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２２に流入する排気ガスの空燃比がリーンであるので、このとき排気ガス中のＮＯｘはＮＯｘ吸蔵還元触媒２２内に吸蔵される。ところが、時間の経過と共にＮＯｘ吸蔵還元触媒２２に吸蔵されているＮＯｘ量が多くなる。そこで本発明による実施例では、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２２からＮＯｘを放出するために、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２２に流入する排気ガスの空燃比が一時的にリッチに切り換えられる。

排気ガス中にはＳＯｘも含まれており、このＳＯｘは流入排気ガスの空燃比がリーンのときに硫酸塩ＢａＳＯ_４の形でＮＯｘ吸蔵還元触媒２２内に吸蔵される。すなわち、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２２は排気ガス中のＳＯｘを捕捉する機能を有する。ところが、硫酸塩ＢａＳＯ_４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ＢａＳＯ_４は分解されずにそのまま残る。一方、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２２の温度をＳＯｘ放出温度まで上昇させた状態でＮＯｘ吸蔵還元触媒２２に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするとＮＯｘ吸蔵還元触媒２２からＳＯｘが放出される。そこで本発明による実施例では、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２２からＳＯｘを放出するために、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２２の温度をＳＯｘ放出温度まで上昇しＳＯｘ放出温度に保持しつつＮＯｘ吸蔵還元触媒２２に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチに切り換えるＳＯｘ放出制御が行われる。なお、ＳＯｘ放出温度は例えば６００℃である。すなわち、本発明による実施例では、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２２は、パティキュレートフィルタ２４上流の機関排気通路内又はパティキュレートフィルタ２４内に配置されたＳＯｘ捕捉触媒であって、流入排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のＳＯｘを捕捉し、ＳＯｘ捕捉触媒の温度がＳＯｘ放出温度であり流入排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチのときに捕捉しているＳＯｘを放出するＳＯｘ捕捉触媒として機能する。

本発明による実施例では、パティキュレートフィルタ２４のＳＯｘ捕捉量ＱＳがあらかじめ定められた設定ＳＯｘ量を越えたときにＳＯｘ放出制御を行うべきと判断される。一方、ＳＯｘ放出制御中のパティキュレートフィルタ２４のＳＯｘ捕捉量ＱＳがあらかじめ定められた下限ＳＯｘ量、例えばゼロになるとＳＯｘ放出制御が完了される。パティキュレートフィルタ２４のＳＯｘ捕捉量ＱＳは例えば、単位時間当たりの増加分ｄＱＳｉ及び単位時間当たりの減少分ｄＱＳｒを機関運転状態に基づいてそれぞれ算出し、これら増加分ｄＱＳｉ及び減少分ｄＱＳｒを積算することにより、算出される（ＱＳ＝ｄＱＳｉ＋ｄＱＳｒ）。図示しない別の実施例では、パティキュレートフィルタ２４の前後差圧があらかじめ定められたしきい値を越えたとき、及び、パティキュレートフィルタ２４の前後差圧があらかじめ定められたしきい値よりも小さくてもパティキュレートフィルタ２４のＳＯｘ捕捉量ＱＳがあらかじめ定められた設定ＳＯｘ量を越えたときに、ＳＯｘ放出制御を行うべきと判断される。

なお、本発明による実施例では、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２２への流入排気ガスの空燃比をリッチに切り換えるために、機関出力を得るための主燃料とは別に、追加の燃料が爆発行程又は排気行程に噴射される。この追加の燃料は機関出力をほとんど発生することなく、燃焼室２、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２２上流の排気通路、又はＮＯｘ吸蔵還元触媒２２で燃焼する。図示しない別の実施例では、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２２への流入排気ガスの空燃比をリッチに切り換えるために、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２２上流の排気通路内に配置された燃料添加弁から燃料が排気ガス中に２次的に添加される。

また、本発明による実施例では、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２２の温度を上昇させるために、燃料噴射弁３から追加の燃料が爆発行程又は排気行程に噴射される。図示しない別の実施例では、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２２の温度を上昇させるために、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２２上流の排気通路内に配置された燃料添加弁から燃料が排気ガス中に２次的に添加される。

更に、排気ガス中には主として固体炭素から形成される粒子状物質が含まれている。この粒子状物質はパティキュレートフィルタ２４上に捕集される。上述したように機関本体１では酸素過剰のもとで燃焼が行われているので、パティキュレートフィルタ２４は酸化雰囲気にある。また、パティキュレートフィルタ２４には酸化機能を有する貴金属触媒が担持されている。その結果、パティキュレートフィルタ２４に捕集された粒子状物質は順次酸化される。ところが、単位時間当たりに捕集される粒子状物質の量が単位時間当たりに酸化される粒子状物質の量よりも多くなると、パティキュレートフィルタ２４上に捕集されている粒子状物質の量が機関運転時間の経過と共に増大する。

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２４の粒子状物質捕集量を減少させるためにパティキュレートフィルタ２４の温度をあらかじめ定められたＰＭ除去温度まで上昇させてＰＭ除去温度に保持するＰＭ除去制御が行われる。その結果、パティキュレートフィルタ２４上の粒子状物質が除去され、パティキュレートフィルタ２４の圧力損失が低減される。なお、ＰＭ除去温度は例えば６１０℃程度である。

本発明による実施例では、ＰＭ除去制御中にパティキュレートフィルタ２４の粒子状物質捕集量ＱＰＭがあらかじめ定められた下限ＰＭ量、例えばゼロになると、ＰＭ除去制御が完了される。パティキュレートフィルタ２４の粒子状物質捕集量ＱＰＭは例えば、単位時間当たりの増加分ｄＱＰＭｉ及び単位時間当たりの減少分ｄＱＰＭｒを機関運転状態に基づいてそれぞれ算出し、これら増加分ｄＱＰＭｉ及び減少分ｄＱＰＭｒを積算することにより、算出される（ＱＰＭ＝ｄＱＰＭｉ＋ｄＱＰＭｒ）。

本発明による実施例では、パティキュレートフィルタ２４の温度を上昇させるために、燃料噴射弁３から追加の燃料が膨張行程又は排気行程に噴射される。図示しない別の実施例では、パティキュレートフィルタ２４の温度を上昇させるために、パティキュレートフィルタ２４上流の排気通路内に配置された燃料添加弁から燃料が排気ガス中に２次的に添加される。

ところで、排気ガス中にはアッシュも含まれており、このアッシュも粒子状物質と共にパティキュレートフィルタ２４に捕集される。この場合のアッシュは主として炭酸カルシウムＣａＣＯ_３から形成されることが本願発明者により確認されている。カルシウムＣａは機関潤滑油に由来し、炭素Ｃは燃料に由来する。すなわち、機関潤滑油が燃焼室２内に流入して燃焼し、潤滑油中のカルシウムＣａが燃料中の炭素Ｃと結合することにより炭酸カルシウムＣａＣＯ_３が生成される。あるいは、燃焼室２内で生成された酸化カルシウムＣａＯがパティキュレートフィルタ２４に捕集され、次いでこの酸化カルシウムＣａＯがパティキュレートフィルタ２４上において排気ガス中の二酸化炭素ＣＯ_２と反応することにより炭酸カルシウムＣａＣＯ_３が生成される。

ところが、ＰＭ除去制御が行われても、アッシュは燃焼せず又は気化しない。すなわち、アッシュはパティキュレートフィルタ２４から除去されず、パティキュレートフィルタ２４上に残る。この場合、アッシュは図３ＡにＡでもって示されるように、排気ガス流入通路７１ｉの内周面７１ｉｓを覆うように内周面７１ｉｓ上に付着する。その結果、アッシュによりパティキュレートフィルタ２４の圧力損失が増大する。

この場合、アッシュは粒の形でパティキュレートフィルタ２４内に流入し、内周面７１ｉｓ上に堆積する。内周面７１ｉｓ上のアッシュの量が多くなるにつれて、粒状のアッシュ同士が互いに結合し、層の形になる。この過程で、アッシュと隔壁７２とは例えばアンカリングにより互いに係合し、その結果アッシュの層が内周面７１ｉｓに強固に付着する。このため、例えば排気ガスの流れがアッシュに作用したとしても、アッシュが内周面７１ｉｓから脱離することは困難である。

一方、アッシュを高温に保持するとアッシュが酸化カルシウムＣａＯに変換される。すなわち、アッシュである炭酸カルシウムＣａＣＯ_３を高温に保持すると、炭酸カルシウムＣａＣＯ_３が酸化カルシウムＣａＯと二酸化炭素ＣＯ_２とに分解され、気体である二酸化炭素ＣＯ_２はアッシュの層から放出される。その結果、アッシュの粒径が小さくなり、アッシュの層の密度が低下する。その結果、アッシュ同士の結合及びアッシュと隔壁７２との係合が弱められる。また、酸化カルシウムＣａＯの結合エネルギは炭酸カルシウムＣａＣＯ_３の結合エネルギよりも高い。イオン結晶では結合エネルギが高い材料は結合エネルギが低い材料よりも硬い。このため、炭酸カルシウムＣａＣＯ_３が酸化カルシウムＣａＯに変換されると、アッシュが硬くなり、アッシュの層が脆くなる。したがって、アッシュが内周面７１ｉｓから容易に脱離することが可能となる。このことは、本願発明者らによる実験によって確認されている。

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２４のアッシュ付着量を減少させるためにパティキュレートフィルタ２４の温度をあらかじめ定められたアッシュ脱離温度まで上昇させてアッシュ脱離温度に保持するアッシュ脱離制御が行われる。この場合、アッシュ脱離温度はアッシュを酸化カルシウムＣａＯに変換するのに適した温度である。その結果、アッシュによるパティキュレートフィルタ２４の圧力損失増大を抑制することができる。

アッシュ脱離制御が行われたときに排気ガス流入通路７１ｉの内周面７１ｉｓから脱離したアッシュＡは図３Ｂに示されるように、排気ガス流入通路７１ｉ内を流れる排気ガスにより排気ガス流入通路７１ｉの奥部７１ｉｒまで移動される。この場合、奥部７１ｉｒにおいてアッシュＡが内周面７１ｉｓに付着する場合もある。しかしながら、このようなアッシュＡはパティキュレートフィルタ２４の圧力損失にほとんど影響しない。

アッシュ脱離温度、すなわちアッシュを酸化カルシウムＣａＯに変換するのに適した温度は例えば４５０℃以上である。ただし、アッシュ脱離温度が低いと、アッシュ脱離制御を完了するのに必要な時間が長くなる。一方、アッシュ脱離温度が過度に高いと、パティキュレートフィルタ２４の温度を上昇させるために必要な単位時間当たりの燃料量が過度に多くなり、又は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２２もしくはパティキュレートフィルタ２４が破損するおそれがある。このため、アッシュ脱離温度は好ましくは約６２０℃以上約８００℃以下であり、更に好ましくは約６５０℃である。本発明による実施例ではアッシュ脱離温度は約６５０℃に設定される。本発明による実施例では、ＰＭ除去温度は上述したように約６１０℃であるので、アッシュ脱離温度はＰＭ除去温度よりも高く設定されているということになる。

本発明による実施例では、アッシュ脱離制御中にパティキュレートフィルタ２４のアッシュ付着量ＱＡがあらかじめ定められた下限アッシュ量、例えばゼロになると、アッシュ脱離制御が完了される。パティキュレートフィルタ２４のアッシュ付着量ＱＡは例えば、単位時間当たりの増加分ｄＱＡｉ及び単位時間当たりの減少分ｄＱＡｒを機関運転状態に基づいてそれぞれ算出し、これら増加分ｄＱＡｉ及び減少分ｄＱＡｒを積算することにより、算出される（ＱＡ＝ｄＱＡｉ＋ｄＱＡｒ）。

なお、本発明による実施例では、アッシュ脱離制御においてフィルタ温度がアッシュ脱離温度以上に保持されている時間は、ＰＭ除去制御においてフィルタ温度がＰＭ除去温度以上に保持されている時間よりも長い。これは、炭酸カルシウムＣａＣＯ_３から酸化カルシウムＣａＯへの変換が短時間では十分に進行しないからである。すなわち、本発明による実施例では、アッシュ脱離制御においてフィルタ温度をＰＭ除去温度よりも高い温度に保持したとしても、その保持時間がＰＭ除去制御の保持時間と同程度か又はこれよりも短い場合には、アッシュの脱離作用を十分に得るのは困難であるということになる。なお、アッシュ脱離温度を低く設定すればアッシュ脱離制御の保持時間を長くでき、アッシュ脱離温度を高く設定すれば保持時間を短くできることを考えると、本発明による実施例ではアッシュ脱離制御の保持時間がＰＭ除去制御の保持時間よりも長くなるようにアッシュ脱離温度が設定されている、という見方もできる。図示しない別の実施例では、アッシュ脱離温度が約８００℃に設定され、アッシュ脱離制御の保持時間がＰＭ除去制御の保持時間よりも短くされる。言い換えると、この別の実施例では、アッシュ脱離制御の保持時間がＰＭ除去制御の保持時間よりも短くなるようにアッシュ脱離温度が設定される。

ところで、本発明による実施例では上述したように、アッシュは主として炭酸カルシウムＣａＣＯ_３から形成される。このようになるのは、ＳＯｘ捕捉触媒として機能するＮＯｘ吸蔵還元触媒２２がパティキュレートフィルタ２４上流に配置され、パティキュレートフィルタ２４にＳＯｘが実質的に流入しないからである。言い換えると、パティキュレートフィルタ２４にＳＯｘが流入すると、このときパティキュレートフィルタ２４は酸化雰囲気にあるので、炭酸カルシウムＣａＣＯ_３の一部が硫酸カルシウムＣａＳＯ_４に変換され、すなわち硫酸カルシウムＣａＳＯ_４の形のアッシュが生成される。

ところが、硫酸カルシウムＣａＳＯ_４の形のアッシュを内周面７１ｉｓから脱離させるのは、炭酸カルシウムＣａＣＯ_３の形のアッシュに比べて、より困難になる場合がある。すなわち、硫酸カルシウムＣａＳＯ_４の形のアッシュを内周面７１ｉｓから脱離させるためには、硫酸カルシウムＣａＳＯ_４を炭酸カルシウムＣａＣＯ_３に変換すると共に炭酸カルシウムＣａＣＯ_３を酸化カルシウムＣａＯに変換する必要があり、この変換のために、パティキュレートフィルタ２４に流入する排気ガスの空燃比をほぼ理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチに保持しながら、すなわちパティキュレートフィルタ２４を還元雰囲気に維持しながら、パティキュレートフィルタ２４の温度をアッシュ脱離温度に保持しなければならない。

一方、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２２のＳＯｘ放出制御が行われると、比較的高濃度のＳＯｘがパティキュレートフィルタ２４に流入し、このときパティキュレートフィルタ２４にアッシュが付着していると、硫酸カルシウムＣａＳＯ_４の形のアッシュが生成されるおそれがある。

そこで本発明による実施例では、ＳＯｘ放出制御を行うべきときには、まずアッシュ脱離制御が行われ、次いでＳＯｘ放出制御が行われる。その結果、硫酸カルシウムＣａＳＯ_４の形のアッシュが生成されるのを抑制しつつ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２２のＳＯｘ捕捉能力を回復させることができる。

一方、上述したアッシュの分解反応はパティキュレートフィルタ２４上の酸化機能を有する触媒により促進される。ところがパティキュレートフィルタ２４上に多量の粒子状物質が捕集されていると、アッシュが酸化機能を有する触媒に接触するのが困難になる。その結果、アッシュの分解反応が困難になり、したがってアッシュの内周面７１ｉｓからの脱離が困難になる。

そこで本発明による実施例では、アッシュ脱離制御を行うべきときには、まずＰＭ除去制御が行われ、次いでアッシュ脱離制御が行われる。その結果、アッシュが内周面７１ｉｓから確実に脱離する。

すなわち、本発明による実施例では、ＳＯｘ放出制御を行うべきときには、図４に示されるように、まずＰＭ除去制御が行われ、次いでアッシュ脱離制御が行われ、次いでＳＯｘ放出制御が行われる。この場合、パティキュレートフィルタ２４の温度が高いときにアッシュ脱離制御及びＳＯｘ放出制御が順次行われるので、パティキュレートフィルタ２４の温度上昇及び保持に必要なエネルギを低減することができる。

図５は本発明による実施例によるＳＯｘ捕捉量推定値ＱＳの算出ルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって繰り返し実行される。図５を参照すると、ステップ１００ではＳＯｘ捕捉量の増加分ｄＱＳｉ及び減少分ｄＱＳｒが図４Ａ及び図４Ｂのマップを用いてそれぞれ算出される。続くステップ１０１ではＳＯｘ捕捉量推定値ＱＳが算出される（ＱＳ＝ＱＳ＋ｄＱＳｉ−ｄＱＳｒ）。

図６は本発明による実施例によるＰＭ除去制御の実行ルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって繰り返し実行される。図６を参照すると、ステップ２００ではＳＯｘ捕捉量推定値ＱＳがＳＯｘ設定値ＱＳ１よりも多いか否かが判別される。ＱＳ≦ＱＳ１のときには処理サイクルを終了する。ＱＳ＞ＱＳ１のときには次いでステップ２０１に進み、まずＰＭ除去制御が開始される。ＰＭ除去制御が完了すると、次いでステップ２０２に進み、アッシュ脱離制御が開始される。アッシュ脱離制御が完了すると、次いでステップ２０３に進み、ＳＯｘ放出制御が開始される。ＳＯｘ放出制御が完了すると、処理サイクルを終了する。

なお、本発明による実施例では、粒子状物質捕集量があらかじめ定められた設定ＰＭ量を越えたときには、このときＳＯｘ捕捉量ＱＳが設定ＳＯｘ量ＱＳ１よりも少なくても、ＰＭ除去制御が行われる。また、本発明による実施例では、アッシュ付着量があらかじめ定められた設定アッシュ量を越えたときには、このときＳＯｘ捕捉量ＱＳが設定ＳＯｘ量ＱＳ１よりも少なくても、アッシュ脱離制御が行われる。

図示しない別の実施例では、ＳＯｘ捕捉量ＱＳが設定ＳＯｘ量ＱＳ１を越えた後、粒子状物質捕集量があらかじめ定められた設定ＰＭ量を越えかつアッシュ付着量があらかじめ定められた設定アッシュ量を越えたときに、ＰＭ除去制御、アッシュ脱離制御、及びＳＯｘ放出制御が順次行われる。図示しない更の実施例では、ＳＯｘ捕捉量ＱＳが設定ＳＯｘ量ＱＳ１を越えた後、アッシュ付着量があらかじめ定められた設定アッシュ量を越えたときには、粒子状物質捕集量があらかじめ定められた設定ＰＭ量よりも少なくても、ＰＭ除去制御、アッシュ脱離制御、及びＳＯｘ放出制御が順次行われる。

１機関本体
２燃焼室
３燃料噴射弁
２１，２３排気管
２２ＮＯｘ吸蔵還元触媒
２４パティキュレートフィルタ
３０電子制御ユニット

Claims

機関排気通路内に配置され、排気ガス中の粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタと、
前記パティキュレートフィルタ上流の機関排気通路内又は前記パティキュレートフィルタ内に配置されたＳＯｘ捕捉触媒であって、流入排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のＳＯｘを捕捉し、前記ＳＯｘ捕捉触媒の温度がＳＯｘ放出温度であり流入排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチのときに捕捉しているＳＯｘを放出するＳＯｘ捕捉触媒と、
前記パティキュレートフィルタのアッシュ付着量を減少させるために前記パティキュレートフィルタの温度をあらかじめ定められたアッシュ脱離温度まで上昇させて該アッシュ脱離温度に保持するアッシュ脱離制御を行うように構成されたアッシュ脱離手段であって、前記アッシュ脱離温度は前記アッシュを酸化カルシウムに変換するのに適した温度でありかつ前記ＳＯｘ放出温度よりも高い温度である、アッシュ脱離手段と、
前記ＳＯｘ捕捉触媒のＳＯｘ捕捉量を減少させるために前記ＳＯｘ捕捉触媒の温度をあらかじめ定められたＳＯｘ放出温度まで上昇させて該ＳＯｘ放出温度に保持しつつ前記ＳＯｘ捕捉触媒への流入排気ガスの空燃比を一時的にリッチに切り換えるＳＯｘ放出制御を行うように構成されたＳＯｘ放出手段と、
前記ＳＯｘ放出制御を行うべきときには、まず前記アッシュ脱離制御を行い、続けて前記ＳＯｘ放出制御を行うように、前記アッシュ脱離手段及び前記ＳＯｘ放出手段を制御する制御手段と、
を備えた、内燃機関の排気浄化装置。