JP2011047375A

JP2011047375A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2011047375A
Application number: JP2009198633A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Nakayama; 慶則中山; Shigeki Omichi; 重樹大道; Toshitake Umemoto; 寿丈梅本; Takamitsu Asanuma; 孝充浅沼; Kohei Yoshida; 耕平吉田
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2009-08-28
Filing date: 2009-08-28
Publication date: 2011-03-10
Anticipated expiration: 2029-08-28
Also published as: JP5349208B2

Abstract

【課題】所望リッチ空燃比の排気ガスを間欠的にＮＯ_X触媒装置へ流入させる一般的な再生処理において、ＮＯ_X触媒装置内が理論空燃比近傍となっている時間を短縮してＮ₂Ｏの生成量を十分に減少させる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】ＮＯ_X触媒装置１５の再生処理は、間欠的に所望リッチ空燃比の排気ガスをＮＯ_X触媒装置へ流入させることにより実施され、再生処理の所望リッチ空燃比の排気ガスを形成するために、間欠的に設定された供給期間において、燃料供給装置１７によりＮＯ_X触媒装置の上流側において排気通路１３内に追加燃料が供給され、供給期間の終了時から第一設定期間が経過するまでの間において燃料供給装置近傍を通過する排気ガスは、膨張行程又は排気行程において気筒内へ供給された追加燃料を含むようになっている。
【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。

ディーゼルエンジンのような希薄燃焼を実施する内燃機関の排気系には、ＮＯ_X触媒装置が配置されている。ＮＯ_X触媒装置は、排気ガスがリーン空燃比である時、すなわち、排気ガス中の酸素濃度が高い時に、排気ガス中のＮＯ_Xを良好に保持する。一方、再生処理として、排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比とすれば、すなわち、排気ガス中の酸素濃度を低下させれば、保持したＮＯ_Xを離脱し、こうして離脱させたＮＯ_Xを排気ガス中の還元物質によりＮ₂へ還元浄化することができる。

このようなＮＯ_X触媒装置の再生処理において、離脱させたＮＯ_Xが排気ガス中のＮＯ_Xと反応してＮ₂Ｏ（一酸化二窒素又は亜酸化窒素）が生成されることがあり、Ｎ₂Ｏも大気中へ放出することは好ましくない。それにより、再生処理時の排気ガス中のＮＯ_X濃度を低下させれば、Ｎ₂Ｏの生成量を十分に減少させることができるとする内燃機関の排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−０１２２３１

ＮＯ_X触媒装置の再生処理においては、気筒内へ追加燃料を供給したり、ＮＯ_X触媒装置の上流側の排気通路内へ追加燃料を供給したりして、ＮＯ_X触媒装置へ流入する排気ガスの空燃比が再生処理に適した所望リッチ空燃比とされる。所望リッチ空燃比の排気ガス中に含まれるＨＣ（及びＣＯ）等の還元物質は、ＮＯ_X触媒装置内又はＮＯ_X触媒装置の上流側に配置された酸化触媒において燃焼して酸素濃度を低下させるのに使用されると共にＮＯ_X触媒装置において離脱ＮＯ_Xを還元するのに使用される。それにより、再生処理途中においては、ＮＯ_X触媒装置から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比近傍となるが、ＮＯ_X触媒装置から流出する排気ガス中に還元物質が残留して排気ガスの空燃比がリッチ空燃比となれば、ＮＯ_X触媒装置に保持されたＮＯ_Xを殆ど離脱させて還元浄化したとして再生処理が完了したと判断することができる。

再生処理において、所望リッチ空燃比の排気ガスを連続的にＮＯ_X触媒装置へ流入させていると、再生処理の完了時において気筒内又は排気通路内への追加燃料の供給が停止されても、排気通路内を満たす多量のリッチ空燃比の排気ガスが大気中へ放出されてしまう。

それにより、一般的な再生処理は、ＮＯ_X触媒装置からリッチ空燃比の排気ガスが流出するか否かを監視しながら所望リッチ空燃比の排気ガスを間欠的にＮＯ_X触媒装置へ流入させており、排気通路内が所望リッチ空燃比の排気ガスにより満たされないようにして、再生処理の完了時に多量のリッチ空燃比の排気ガスが大気中へ放出されないようにしている。

このような所望リッチ空燃比の排気ガスを間欠的にＮＯ_X触媒装置へ流入させる一般的な再生処理において、ＮＯ_X触媒装置内は、所望リッチ空燃比の排気ガスが流入すると、運転時のリーン空燃比から所望リッチ空燃比となり、次いで、運転時のリーン空燃比の排気ガスが流入すると、所望リッチ空燃比から運転時のリーン空燃比となり、これが繰り返されることとなる。運転時のリーン空燃比から所望リッチ空燃比となって再び運転時のリーン空燃比となる間においてＮＯ_X触媒装置内が理論空燃比近傍となり、酸素濃度の低下によりＮＯ_Xが離脱されても還元物質が十分に存在しないために離脱ＮＯ_Xを十分に還元することができず、このような時にもＮ₂Ｏが生成され易い。こうして、所望リッチ空燃比の排気ガスをＮＯ_X触媒装置へ間欠的に流入させる毎に、ＮＯ_X触媒装置内はＮ₂Ｏを生成し易い理論空燃比近傍の空燃比となってしまう。

それにより、所望リッチ空燃比の排気ガスを間欠的にＮＯ_X触媒装置へ流入させる一般的な再生処理においては、ＮＯ_X触媒装置内が理論空燃比近傍となっている時間を短縮しない限りは、Ｎ₂Ｏの生成量を十分に減少させることはできない。

従って、本発明の目的は、所望リッチ空燃比の排気ガスを間欠的にＮＯ_X触媒装置へ流入させる一般的な再生処理において、ＮＯ_X触媒装置内が理論空燃比近傍となっている時間を短縮してＮ₂Ｏの生成量を十分に減少させる内燃機関の排気浄化装置を提供することである。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置は、排気ガスがリーン空燃比である時には排気ガス中のＮＯ_Xを保持し、再生処理として、排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比とすれば、保持したＮＯ_Xを離脱し、こうして離脱させたＮＯ_Xを排気ガス中の還元物質によりＮ₂へ還元浄化することができるＮＯ_X触媒装置と、前記ＮＯ_X触媒装置の上流側において排気通路内へ追加燃料を供給するための燃料供給装置とを具備する内燃機関の排気浄化装置において、前記再生処理は、間欠的に所望リッチ空燃比の排気ガスを前記ＮＯ_X触媒装置へ流入させることにより実施され、前記再生処理の前記所望リッチ空燃比の排気ガスを形成するために、間欠的に設定された供給期間において前記燃料供給装置により追加燃料が供給され、前記供給期間の終了時から第一設定期間が経過するまでの間において前記燃料供給装置近傍を通過する排気ガスは、膨張行程又は排気行程において気筒内へ供給された追加燃料を含むことを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第一設定期間が経過した時から前記燃料供給装置近傍を通過する排気ガスは膨張行程又は排気行程において気筒内へ供給される追加燃料を含まず、前記供給期間の開始時から第二設定期間が経過するまでの間においても、前記燃料供給装置近傍を通過する排気ガスは、膨張行程又は排気行程において気筒内へ供給される追加燃料を含まないことを特徴とする。

本発明による請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記供給期間の終了時から前記第一設定期間が経過するまでの間は、前記燃料供給装置により供給されて排気通路内壁へ付着する燃料からの蒸発燃料と、膨張行程又は排気行程において気筒内へ供給された追加燃料とによって、前記燃料供給装置近傍を通過する排気ガスの空燃比は前記所望リッチ空燃比とされることを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＮＯ_X触媒装置の再生処理は、間欠的に所望リッチ空燃比の排気ガスをＮＯ_X触媒装置へ流入させることにより実施され、再生処理の所望リッチ空燃比の排気ガスを形成するために、間欠的に設定された供給期間において、燃料供給装置によりＮＯ_X触媒装置の上流側の排気通路内へ追加燃料が供給されるために、気筒内への追加燃料だけにより所望リッチ空燃比の排気ガスを形成する場合に比較して、所望リッチ空燃比の排気ガス中に含まれる未燃燃料の分子量は大きく、このような未燃燃料はＮＯ_X触媒装置内に留まり易いために、所望リッチ空燃比の排気ガスがＮＯ_X触媒装置へ流入してＮＯ_X触媒装置内が運転時のリーン空燃比から所望リッチ空燃比となるまでの時間を短縮することができ、運転時のリーン空燃比から所望リッチ空燃比となるまでの間において理論空燃比近傍となってＮ₂Ｏが生成され易い時間も短縮することができる。しかしながら、このように排気通路内へ供給される追加燃料は、排気通路内壁へ付着し、供給期間の終了時に追加燃料の供給が停止されても、内壁に付着する燃料が徐々に蒸発するために、燃料供給装置近傍を通過する排気ガスの空燃比は、供給期間の終了時から第一設定期間が経過するまでの間は運転時のリーン空燃比より僅かにリッチ側の空燃比となり、このような空燃比の排気ガスがＮＯ_X触媒装置へ流入している間はＮＯ_X触媒装置内が理論空燃比近傍の空燃比となってＮ₂Ｏが生成され易くなってしまう。それにより、間欠的に設定されたそれぞれの供給期間の終了時から第一設定期間が経過するまでの間において燃料供給装置近傍を通過する排気ガスは、膨張行程又は排気行程において気筒内へ供給された追加燃料を含むようにされており、内壁に付着する燃料から徐々に蒸発する燃料と気筒内への追加燃料とを合わせて運転時のリーン空燃比よりかなりリッチ側の空燃比とされ、このようなリッチ空燃比の排気ガスがＮＯ_X触媒装置へ流入している間はＮＯ_X触媒装置内が理論空燃比近傍の空燃比となることはなく、その直後に運転時のリーン空燃比の排気ガスがＮＯ_X触媒装置へ流入して短時間でＮＯ_X触媒装置内を所望リッチ空燃比から運転時のリーン空燃比とすることができ、所望リッチ空燃比から運転時のリーン空燃比となるまでの間において理論空燃比近傍となってＮ₂Ｏが生成され易い時間を短縮することができる。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、第一設定期間が経過した時から燃料供給装置近傍を通過する排気ガスは膨張行程又は排気行程において気筒内へ供給される追加燃料を含まず、供給期間の開始時から第二設定期間が経過するまでの間においても、燃料供給装置近傍を通過する排気ガスは、膨張行程又は排気行程において気筒内へ供給される追加燃料を含まないようになっており、それにより、再生処理時の所望リッチ空燃比の排気ガスは、間欠的に設定された供給期間の当初において、燃料供給装置によりＮＯ_X触媒装置の上流側の排気通路内へ供給された追加燃料だけにより形成され、分子量が大きくＮＯ_X触媒装置内に留まり易い未燃燃料だけを含むために、所望リッチ空燃比の排気ガスがＮＯ_X触媒装置へ流入してＮＯ_X触媒装置内が運転時のリーン空燃比から所望リッチ空燃比となるまでの時間を確実に短縮することができ、運転時のリーン空燃比から所望リッチ空燃比となるまでの間において理論空燃比近傍となってＮ₂Ｏが生成され易い時間も確実に短縮することができる。

本発明による請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、供給期間の終了時から第一設定期間が経過するまでの間は、燃料供給装置により供給されて排気通路内壁へ付着する燃料からの蒸発燃料と、膨張行程又は排気行程において気筒内へ供給された追加燃料とによって、燃料供給装置近傍を通過する排気ガスの空燃比は所望リッチ空燃比とされるようになっている。それにより、このような所望リッチ空燃比の排気ガスがＮＯ_X触媒装置へ流入している間は、再生処理が持続されＮＯ_X触媒装置内が理論空燃比近傍の空燃比となることはなく、その直後に運転時のリーン空燃比の排気ガスがＮＯ_X触媒装置へ流入して短時間でＮＯ_X触媒装置内を所望リッチ空燃比から運転時のリーン空燃比とすることができ、所望リッチ空燃比から運転時のリーン空燃比となるまでの間において理論空燃比近傍となってＮ₂Ｏが生成され易い時間を短縮することができる。

本発明による内燃機関の排気浄化装置を示す概略図である。燃料供給装置の追加燃料の供給期間を示すタイムチャートである。燃料供給装置近傍を通過する排気ガスの状態を示す概略図であり、（Ａ）は燃料供給装置だけにより追加燃料の供給が実施される場合における燃料供給装置の追加燃料の供給期間開始直後を示し、（Ｂ）は燃料供給装置だけにより追加燃料の供給が実施される場合における燃料供給装置の追加燃料の供給期間終了直後を示し、（Ｃ）は本願発明における燃料供給装置の追加燃料の供給期間開始直後を示し、（Ｄ）は本願発明における燃料供給装置の追加燃料の供給期間終了直後を示している。ＮＯ_X触媒装置内の空燃比の変化を示すタイムチャートである。

図１は、本発明による内燃機関の排気浄化装置を示す概略図である。同図において、１は本排気浄化装置が取り付けられる内燃機関である。内燃機関１はディーゼルエンジンとしたが、希薄燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関でも良い。内燃機関１のシリンダヘッド２には、シリンダブロック３に形成されたシリンダボア４へ通じるように吸気ポート５及び排気ポート６が形成されている。７は吸気ポート５を開閉する吸気弁であり、８は排気ポート６を開閉する排気弁である。９はシリンダボア４内に配置されたピストンである。１０はシリンダボア４内へ燃料を噴射する燃料噴射弁である。

１１は各気筒の排気ポート６に接続された排気枝管であり、１２は各気筒の排気枝管１１が接続された排気合流部である。１３は排気合流部の下流側の単一の排気管であり、排気管１３には、上流側に酸化触媒装置１４が、下流側にＮＯ_X触媒装置１５が配置されている。１６はＮＯ_X触媒装置１５の下流側の排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサである。１７は酸化触媒装置１４の上流側において排気管１３内へ燃料を供給する燃料供給装置である。

ディーゼルエンジン又は筒内噴射式火花点火内燃機関のような希薄燃焼を実施する内燃機関１の排気ガス中には、比較的多くのＮＯ_Xが含まれるために、排気系には、ＮＯ_Xを浄化するためのＮＯ_X触媒装置１５が配置されている。

ＮＯ_X触媒装置１５には、ＮＯ_X保持剤と白金Ｐｔのような貴金属触媒とが担持されている。ＮＯ_X保持剤は、カリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、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である。

ＮＯ_X触媒装置１５は、排気ガスがリーン空燃比である時、すなわち、排気ガス中の酸素濃度が高い時に、排気ガス中のＮＯ_Xを良好に保持し、すなわち、硝酸塩として良好に吸収したり、ＮＯ₂として良好に吸着したりする。しかしながら、無制限にＮＯ_Xを保持することはできず、ＮＯ_X保持量がＮＯ_X保持可能量に達してさらにＮＯ_Xを保持することができなくなる前に、再生処理として、排気ガスの空燃比を所望リッチ空燃比とされる。所望リッチ空燃比の排気ガス中に含まれるＨＣ（及びＣＯ）等の還元物質は、酸化触媒装置１４内（又はＮＯ_X触媒装置１５内）において燃焼して排気ガス中の酸素濃度を低下させ、こうして、ＮＯ_X触媒装置１５内の酸素濃度が低下すれば、保持ＮＯ_Xは離脱され、すなわち、吸収ＮＯ_Xは放出され、また、吸着ＮＯ₂は脱離される。これら離脱ＮＯ_Xは排気ガス中の依然として含まれる還元物質によりＮ₂へ還元浄化される。

こうして、再生処理途中においては、離脱ＮＯ_Xの還元の結果としてＮＯ_X触媒装置１５から流出する排気ガスの空燃比は理論空燃比近傍となるが、ＮＯ_X触媒装置１５から流出する排気ガス中に還元物質が残留して、空燃比センサ１６により検出される排気ガスの空燃比がリッチ空燃比となれば、ＮＯ_X触媒装置１５に保持されたＮＯ_Xを殆ど離脱させて還元浄化したとして再生処理が完了したと判断することができる。

再生処理において、所望リッチ空燃比の排気ガスを連続的にＮＯ_X触媒装置１５へ流入させていると、再生処理の完了時において、排気通路内を満たす多量のリッチ空燃比の排気ガスが大気中へ放出されてしまう。

それにより、本実施形態の再生処理は、空燃比センサ１６によってＮＯ_X触媒装置１５からリッチ空燃比の排気ガスが流出するか否かを監視しながら所望リッチ空燃比の排気ガスを間欠的にＮＯ_X触媒装置１５へ流入させており、排気通路内が所望リッチ空燃比の排気ガスにより満たされないようにして、再生処理の完了時にそれ以降の間欠的なリッチ空燃比の排気ガスの形成を中止すれば、多量のリッチ空燃比の排気ガスが大気中へ放出されるようなことはない。

こうして、所望リッチ空燃比の排気ガスを間欠的にＮＯ_X触媒装置１５へ流入させる再生処理において、ＮＯ_X触媒装置１５内は、図４に示すように、所望リッチ空燃比の排気ガスが流入すると、運転時のリーン空燃比Ｌから所望リッチ空燃比Ｒとなり、次いで、運転時のリーン空燃比の排気ガスが流入すると、所望リッチ空燃比Ｒから運転時のリーン空燃比Ｌとなり、これが繰り返されることとなる。運転時のリーン空燃比から所望リッチ空燃比となって再び運転時のリーン空燃比となる間においてＮＯ_X触媒装置１５内が理論空燃比Ｓ近傍となり、酸素濃度の低下によりＮＯ_Xが離脱されるが還元物質が十分に存在しないために離脱ＮＯ_Xを十分に還元することができず、このような時には、ＮＯ_XからＮ₂Ｏが生成され易い（ＮＯ＋Ｎ→Ｎ₂Ｏ）。

本実施形態のように、再生処理において、所望リッチ空燃比の排気ガスを間欠的にＮＯ_X触媒装置１５へ流入させる場合には、所望リッチ空燃比の排気ガスをＮＯ_X触媒装置１５へ間欠的に流入させる毎に、ＮＯ_X触媒装置１５内はＮ₂Ｏを生成し易い理論空燃比近傍の空燃比となってしまうために、再生処理において、大気中への放出が好ましくないＮ₂Ｏが比較的多量に生成されてしまう。それにより、このような再生処理においては、Ｎ₂Ｏの生成量を減少させるために、再生処理中においてＮＯ_X触媒装置１５内が理論空燃比近傍となっている時間を短縮することが望ましい。すなわち、図４において、ＮＯ_X触媒装置１５内が運転時のリーン空燃比Ｌから所望リッチ空燃比Ｒとなるまでの時間ｔ１と、ＮＯ_X触媒装置１５内が所望リッチ空燃比Ｒから運転時のリーン空燃比Ｌとなるまでの時間ｔ２とを短くすることが望ましい。

本実施形態において、ＮＯ_X触媒装置の再生処理のために間欠的な所望リッチ空燃比（例えば１２．６）の排気ガスは、図２に示すように、間欠的に設定された供給期間Ｔ１（例えば数秒）において、燃料供給装置１７によりＮＯ_X触媒装置１５の上流側の排気管内へ追加燃料を供給することにより形成される。図２において、Ｔ２（例えば３０秒）は連続する二つの供給期間Ｔ１の間の間隔である。

このように、再生処理のための所望リッチ空燃比の排気ガスがＮＯ_X触媒装置１５より上流側の排気通路への追加燃料の供給により形成される場合には、燃料噴射弁１０により膨張行程又は排気行程において追加燃料を噴射するような機関出力に影響しない気筒内への追加燃料の供給の場合に比較して、所望リッチ空燃比の排気ガス中に含まれる未燃燃料の分子量は大きくなり、このような分子量の大きな未燃燃料はＮＯ_X触媒装置１５内に留まり易いために、所望リッチ空燃比の排気ガスがＮＯ_X触媒装置１５へ流入してＮＯ_X触媒装置１５内が運転時のリーン空燃比（例えば２４）から所望リッチ空燃比（例えば１２．６）となるまでの時間ｔ１（図４）を短縮することができ、運転時のリーン空燃比から所望リッチ空燃比となるまでの間において理論空燃比近傍となってＮ₂Ｏが生成され易い時間も短縮することができる。

図３（Ａ）は、ＮＯ_X触媒装置の再生処理において間欠的に所望リッチ空燃比の排気ガスを形成するために、間欠的に設定された供給期間において単に燃料供給装置１７により追加燃料を排気管１３へ供給した場合における供給期間開始直後を示している。同図において、Ｆ１は燃料供給装置１７により供給されている燃料であり、Ｆ２は燃料供給装置１７により供給されて排気管１３の内壁に付着した燃料である。供給燃料Ｆ１の大部分は、微粒化及び気化して排気ガス中の還元物質となり、運転時のリーン空燃比の排気ガスを所望リッチ空燃比の排気ガスＥＲとする。供給燃料Ｆ１の一部は液状燃料として排気管１３の内壁へ付着する。燃料供給装置１７の単位時間当たりの追加燃料の供給量は、現在の燃料供給装置１７の近傍を通過する排気ガスの空燃比及び流量を考慮して、追加燃料の供給により所望リッチ空燃比の排気ガスの塊が形成されるように設定される。

図３（Ｂ）は、間欠的に設定された供給期間において単に燃料供給装置１７により追加燃料を排気管１３へ供給した場合における供給期間終了直後を示している。同図において、供給期間の終了時において燃料供給装置１７の追加燃料の供給は停止され、それにより、これまでの追加燃料の供給により所望リッチ空燃比の排気ガスの塊Ｍ１が形成され、この排気ガスの塊Ｍ１は酸化触媒装置１４を通過して酸素濃度を低下させてＮＯ_X触媒装置１５へ流入し、ＮＯ_X触媒装置内を運転時のリーン空燃比から所望リッチ空燃比へ変化させて、再生処理が実施される。

ＮＯ_X触媒装置の再生処理において間欠的に所望リッチ空燃比の排気ガスを形成するために、間欠的に設定された供給期間において単に燃料供給装置１７により追加燃料を排気管１３へ供給した場合において、図３（Ｂ）に示すように、所望リッチ空燃比の排気ガスの塊Ｍ１の直後には、燃料供給装置１７による追加燃料の供給停止時において排気管１３の内壁へ付着する付着燃料Ｆ２’から徐々に燃料が蒸発して運転時のリーン空燃比よりは僅かにリッチ側の空燃比（例えば、理論空燃比近傍の空燃比）の排気ガスの塊Ｍ２が形成され、所望リッチ空燃比の排気ガスの塊Ｍ１に続いて理論空燃比近傍の排気ガスの塊Ｍ２がＮＯ_X触媒装置１５へ流入し、次いで、運転時のリーン空燃比の排気ガスがＮＯ_X触媒装置１５へ流入することとなる。

このような理論空燃比近傍の排気ガスの流入によって、ＮＯ_X触媒装置１５内が所望リッチ空燃比Ｒから運転時のリーン空燃比Ｌとなるまでの時間ｔ２（図４）が長くなり、所望リッチ空燃比から運転時のリーン空燃比となるまでの間において理論空燃比近傍となってＮ₂Ｏが生成され易い時間も長くなって比較的多くのＮ₂Ｏが生成されてしまう。

本実施形態の内燃機関の排気浄化装置は、連続する設定サイクル（例えば数十サイクル）の間において、各気筒の膨張行程又は排気行程において各気筒の燃料噴射弁１０を使用して各気筒へ追加燃料を供給し、各気筒において機関出力を増加させることなく、連続する各気筒の排気行程において連続的に排出される排気ガスが気筒内へ供給された追加燃料を含むようにし、図３（Ｃ）に示すように、このような気筒内へ供給された追加燃料を含む排気ガスの塊Ｍ３を形成する。各気筒への追加燃料の供給時期は、排気ガス流速が速いほど進角側のサイクルとし、排気弁から燃料供給装置１７の取り付け位置までの排気系距離が長いほど進角側のサイクルとされ、気筒内へ供給された追加燃料を含む排気ガスの塊Ｍ３が、各供給期間の終了時から第一設定期間が経過するまでの間において、燃料供給装置１７近傍を通過するように設定される。

第一設定期間は、各供給時期の終了時から付着燃料Ｆ２’が全て蒸発するまでの期間であり（例えば２００ｍｓ）、それにより、図３（Ｄ）に示すように、所望リッチ空燃比の排気ガスの塊Ｍ１に連続する排気ガスの塊Ｍ２’の空燃比は、排気管１３の内壁の付着燃料Ｆ２’から徐々に蒸発する燃料と排気ガスの塊Ｍ３に含まれる気筒内への追加燃料とが合わさるために、運転時のリーン空燃比よりかなりリッチ側の空燃比とされ、このようなリッチ空燃比の排気ガスがＮＯ_X触媒装置１５へ流入している間はＮＯ_X触媒装置内が理論空燃比近傍の空燃比となることはなく、その直後に運転時のリーン空燃比の排気ガスがＮＯ_X触媒装置１５へ流入するために、ＮＯ_X触媒装置内を所望リッチ空燃比Ｒから運転時のリーン空燃比Ｌとするまでの時間ｔ２（図４）を短縮することができ、所望リッチ空燃比から運転時のリーン空燃比となるまでの間において理論空燃比近傍となってＮ₂Ｏが生成され易い時間を短縮することができる。

連続する設定サイクルの間の各気筒への追加燃料の供給を停止することにより、第一設定期間が経過した時から燃料供給装置１７近傍を通過する排気ガスは膨張行程又は排気行程において気筒内へ供給される追加燃料を含まないようにし、燃料供給装置１７の次の供給期間の開始時から第二設定期間が経過するまでの間においても、燃料供給装置近傍を通過する排気ガスは、膨張行程又は排気行程において気筒内へ供給される追加燃料を含まないようにしている。それにより、再生処理時の所望リッチ空燃比の排気ガスは、間欠的に設定された供給期間の当初において、燃料供給装置１７によりＮＯ_X触媒装置１５の上流側の排気通路内へ供給された追加燃料だけにより形成され、所望リッチ空燃比の排気ガス中に含まれる未燃燃料の分子量は大きく、このような未燃燃料はＮＯ_X触媒装置内に留まり易いために、所望リッチ空燃比の排気ガスがＮＯ_X触媒装置１５へ流入してＮＯ_X触媒装置１５内が運転時のリーン空燃比から所望リッチ空燃比となるまでの時間を確実に短縮することができ、運転時のリーン空燃比から所望リッチ空燃比となるまでの間において理論空燃比近傍となってＮ₂Ｏが生成され易い時間も確実に短縮することができる。

ここで、第二設定期間は、燃料供給装置１７により供給された追加燃料だけにより、ＮＯ_X触媒装置１５内が運転時のリーン空燃比から所望リッチ空燃比となるまでの時間である。また、第二設定期間の経過後から燃料供給装置１７の供給期間の終了時までの間においては、燃料供給装置１７近傍を通過する排気ガスは、膨張行程又は排気行程において気筒内へ供給される追加燃料を含むようにしても良い。この場合には、燃料供給装置１７による供給燃料量を減量して燃料供給装置１７近傍を通過する排気ガスの空燃比は所望リッチ空燃比とすることが好ましい。

また、燃料供給装置１７の各供給期間の終了時から第一設定期間が経過するまでの間は、燃料供給装置１７により供給されて排気通路内壁へ付着する燃料からの蒸発燃料と、膨張行程又は排気行程において気筒内へ供給された追加燃料とによって、燃料供給装置１７近傍を通過する排気ガスの空燃比は再生処理時の所望リッチ空燃比とすることが好ましい。すなわち、付着燃料から蒸発する単位時間当たりの燃料量を推定して、この燃料量と合わさって排気ガスを所望リッチ空燃比とするのに必要な追加燃料量を予め気筒内へ噴射するように制御することが好ましい。

例えば、付着燃料から蒸発する単位時間当たりの燃料量は徐々に減少するために、各気筒への追加燃料量は徐々に増加するようにして、図３の一塊の排気ガスＭ３の空燃比は一様とするのではなく、後端ほどリッチ空燃比となるようにすれば、燃料供給装置１７の各供給期間の終了時から第一設定期間が経過するまでの間において、付着燃料からの蒸発燃料と、気筒内へ供給された追加燃料とによって、燃料供給装置１７近傍を通過する一塊の排気ガスＭ２’（図４（Ｄ））の空燃比は再生処理時の所望リッチ空燃比とすることができる。

このような所望リッチ空燃比の排気ガスがＮＯ_X触媒装置１５へ流入している間は、再生処理が持続されＮＯ_X触媒装置１５内が理論空燃比近傍の空燃比となることはなく、その直後に運転時のリーン空燃比の排気ガスがＮＯ_X触媒装置１５へ流入して短時間でＮＯ_X触媒装置１５内を所望リッチ空燃比から運転時のリーン空燃比とすることができ、所望リッチ空燃比から運転時のリーン空燃比となるまでの間において理論空燃比近傍となってＮ₂Ｏが生成され易い時間を短縮することができる。

本実施形態において、現在の排気ガスの流量が多いほど及び現在の排気ガスの温度が高いほど、付着燃料の蒸発時間が短くなるために、燃料供給装置１７の各供給期間の終了時からの第一設定期間は短くなる。また、気筒内へ供給された追加燃料を含む排気ガスの塊Ｍ３が、各供給期間の終了時から第一設定期間が経過するまでの間において、燃料供給装置１７近傍を通過するようにするためには、追加燃料を含む排気ガスが各気筒から排出される時期は各気筒の排気行程となり、実際には、第一設定期間の開始時期を調整することとなる。具体的には、追加燃料を最初に供給した気筒の排気行程に対して燃料供給装置１７の各供給期間が設定されることとなる。

各気筒の燃料噴射弁１０及び燃料供給装置１７は、電子制御装置により制御される。電子制御装置において、ＮＯ_X触媒装置１５の再生時期であるか否かが判断される。例えば、ＮＯ_X触媒装置１５の直上流側に上流側ＮＯ_X濃度センサを設けると共にＮＯ_X触媒装置１５の直下流側に下流側ＮＯ_X濃度センサを設けて、ＮＯ_X触媒装置１５へ流入する排気ガス中のＮＯ_X濃度とＮＯ_X触媒装置１５から流出する排気ガス中のＮＯ_X濃度とを検出し、ＮＯ_X触媒装置１５へ流入する排気ガス中のＮＯ_X濃度とＮＯ_X触媒装置１５から流出する排気ガス中のＮＯ_X濃度との差が設定値を下回る時に、ＮＯ_X触媒装置１１のＮＯ_X保持量は、ＮＯ_X保持可能量近傍に到達して、排気ガス中のＮＯ_Xを十分に保持することができなくなったとして、再生時期と判断することができる。

また、下流側ＮＯ_X濃度センサを設けることなく、上流側ＮＯ_X濃度センサによりＮＯ_X触媒装置１５へ流入する排気ガス中のＮＯ_X濃度を検出し、ＮＯ_X濃度から定まる単位時間当たりの排気ガス中に含まれるＮＯ_X量の設定割合が単位時間当たりにＮＯ_X触媒装置１５へ保持されるとして、単位時間当たりの保持量を積算して現在のＮＯ_X保持量を推定し、これが設定量に達した時に再生時期と判断するようにしても良い。また、上流側ＮＯ_X濃度センサも設けることなく、機関運転状態毎の単位時間当たりの排気ガス中に含まれるＮＯ_X量を予め設定しておいて、その設定割合が単位時間当たりにＮＯ_X触媒装置１５へ保持されるとして、単位時間当たりの保持量を積算して現在のＮＯ_X保持量を推定し、これが設定量に達した時に再生時期と判断するようにしても良い。

１０燃料噴射弁
１３排気管
１４酸化触媒装置
１５ＮＯ_X触媒装置
１７燃料供給装置

Claims

排気ガスがリーン空燃比である時には排気ガス中のＮＯ_Xを保持し、再生処理として、排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比とすれば、保持したＮＯ_Xを離脱し、こうして離脱させたＮＯ_Xを排気ガス中の還元物質によりＮ₂へ還元浄化することができるＮＯ_X触媒装置と、前記ＮＯ_X触媒装置の上流側において排気通路内へ追加燃料を供給するための燃料供給装置とを具備する内燃機関の排気浄化装置において、前記再生処理は、間欠的に所望リッチ空燃比の排気ガスを前記ＮＯ_X触媒装置へ流入させることにより実施され、前記再生処理の前記所望リッチ空燃比の排気ガスを形成するために、間欠的に設定された供給期間において前記燃料供給装置により追加燃料が供給され、前記供給期間の終了時から第一設定期間が経過するまでの間において前記燃料供給装置近傍を通過する排気ガスは、膨張行程又は排気行程において気筒内へ供給された追加燃料を含むことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記第一設定期間が経過した時から前記燃料供給装置近傍を通過する排気ガスは膨張行程又は排気行程において気筒内へ供給される追加燃料を含まず、前記供給期間の開始時から第二設定期間が経過するまでの間においても、前記燃料供給装置近傍を通過する排気ガスは、膨張行程又は排気行程において気筒内へ供給される追加燃料を含まない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。
前記供給期間の終了時から前記第一設定期間が経過するまでの間は、前記燃料供給装置により供給されて排気通路内壁へ付着する燃料からの蒸発燃料と、膨張行程又は排気行程において気筒内へ供給された追加燃料とによって、前記燃料供給装置近傍を通過する排気ガスの空燃比は前記所望リッチ空燃比とされることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。