JP3972727B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、リーン空燃比のもとで燃焼が継続される内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置し、ＮＯＸ触媒に還元剤を供給するための還元剤供給弁をＮＯＸ触媒上流の排気通路内に配置し、ＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウ分の量を減少させるべきときには還元剤供給弁からＮＯＸ触媒に還元剤を供給してＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの空燃比を一時的に理論空燃比又はリッチに切り替えるようにした内燃機関の排気浄化装置が知られている。
【０００３】
ところが、ＮＯＸ触媒内を多量の排気ガスが流通しているときにこの排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチに切り替えるためには多量の還元剤が必要となる。
【０００４】
そこで、ＮＯＸ触媒を迂回してＮＯＸ触媒上流の排気通路とＮＯＸ触媒下流の排気通路とを互いに接続するバイパス通路を設け、開弁されると排気ガスがバイパス通路内を流通してＮＯＸ触媒内を流通する排気ガスの量が減少するバイパス制御弁をバイパス通路内に配置し、バイパス制御弁を閉弁状態に保持すると共に、ＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウ分の量を減少させるべきときに一時的に開弁するようにした内燃機関の排気浄化装置が公知である（特開２００１−３３６４１８号公報参照）。このようにすると、ＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチに切り替えるために必要な還元剤の量を低減することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このようなＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウ分の量の減少作用は例えばＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウ分の量が許容最大量を越えたときに行われる。ところが、排気ガス中に含まれるイオウ分の量はＮＯＸに比べるとかなり少なく、このためこの減少作用が行われる頻度はかなり低くなっている。このことはバイパス制御弁が長時間にわたって閉弁状態に保持されるということを意味しており、その結果バイパス制御弁が閉弁位置に固着する恐れがあるという問題点がある。バイパス制御弁が閉弁位置に固着するとＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウ分の量を減少させるために必要な還元剤の量をもはや低減することができなくなる。
【０００６】
そこで本発明の目的は、ＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウ分の量を減少させるために必要な還元剤の量を確実に低減することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために１番目の発明によれば、リーン空燃比のもとで燃焼が継続される内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置し、ＮＯＸ触媒を迂回してＮＯＸ触媒上流の排気通路とＮＯＸ触媒下流の排気通路とを互いに接続するバイパス通路を設け、開弁されると排気ガスがバイパス通路内に流入してＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量が減少するバイパス制御弁をバイパス通路内に配置した内燃機関の排気浄化装置において、バイパス制御弁が閉弁状態に保持されており、バイパス通路の流入端が接続されている部分とバイパス通路の流出端が接続されている部分との間の排気通路内に、機関減速運転が行われると一時的に閉弁される排気絞り弁を配置し、一時的に閉弁されている排気絞り弁を開弁すべきときには排気絞り弁を閉弁状態に保持しつつバイパス制御弁を一時的に開弁し、次いで排気絞り弁を開弁するようにしている。
【０００８】
また、２番目の発明によれば１番目の発明において、バイパス通路の流入端が接続されている部分とＮＯＸ触媒との間の排気通路内に、ＮＯＸ触媒に還元剤を供給するための還元剤供給弁を配置し、一時的に閉弁されている排気絞り弁を開弁すべきときにバイパス制御弁が一時的に開弁されているときに還元剤供給弁からＮＯＸ触媒に還元剤を供給するようにしている。
【０００９】
また、３番目の発明によれば１番目の発明において、前記ＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウ分を還元して蓄えられているイオウ分の量を減少させるべきときに、バイパス制御弁が一時的に開弁される。
【００１０】
また、４番目の発明によれば１番目の発明において、前記ＮＯＸ触媒が排気ガス中に含まれる微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ上に担持されている。
【００１１】
なお、本明細書では排気通路の或る位置よりも上流の排気通路、燃焼室、及び吸気通路内に供給された空気の量と、炭化水素ＨＣ及び一酸化炭素ＣＯのような還元剤の量との比をその位置における排気ガスの空燃比と称している。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。なお、本発明は火花点火式内燃機関にも適用することもできる。
【００１３】
図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介して排気ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５に連結される。吸気ダクト１３内にはステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７が配置され、更に吸気ダクト１３周りには吸気ダクト１３内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１８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１８内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
【００１４】
一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９及び排気管２０を介して排気ターボチャージャ１４の排気タービン２１に連結され、排気タービン２１の出口は上流側排気ダクト２２を介し、パティキュレートフィルタ２３を収容したケーシング２４に接続される。このケーシング２４には下流側排気ダクト２５が接続される。上流側排気ダクト２２内にはアクチュエータ２６によって駆動される排気絞り弁２７と、パティキュレートフィルタ２３に還元剤を供給するための電気制御式還元剤供給弁２８とが配置される。この還元剤供給弁２８には電気制御式の還元剤ポンプ２９から還元剤が供給される。還元剤には液体又は気体の炭化水素のほか水素や尿素などを用いることができるが、本発明による実施例では還元剤として燃料即ち軽油が用いられている。
【００１５】
排気絞り弁２７は通常運転時には開弁状態に維持されており、即ち排気絞り弁２７の開度はその最大開度に保持されている。機関減速運転が行われると、即ち例えばアクセルペダルの踏み込み量がゼロになりこのとき機関回転数が予め定められた許容下限値よりも高ければ、排気絞り弁２７が閉弁され即ち排気絞り弁２７の開度が例えば小さな一定値まで減少される。その結果、機関背圧が上昇し、機関制動力が得られることになる。次いで、アクセルペダルが踏み込まれるか又は機関回転数Ｎが許容下限値Ｎ１以下になると排気絞り弁２７が開弁される。排気絞り弁２７が閉弁されると、内燃機関から排出された全ての排気ガスがパティキュレートフィルタ２３内に流入する。
【００１６】
一方、排気絞り弁２７上流の上流側排気ダクト２２と下流側排気ダクト２５とはバイパス管３０を介して互いに接続され、バイパス管３０内にはアクチュエータ３１により駆動されるバイパス制御弁３２が配置される。このバイパス制御弁３２は通常運転時には閉弁状態に維持されており、即ちバイパス管３０が閉塞されている。バイパス制御弁３２が開弁されると、排気絞り弁２７が開弁されていても排気ガスがバイパス管３０内に流入し、パティキュレートフィルタ２３内に流入する排気ガスの量がわずかばかりの量まで減少する。
【００１７】
なお、排気絞り弁２７を下流側排気ダクト２５内に配置することもでき、この場合には上流側排気ダクト２２と排気絞り弁２７下流の下流側排気ダクト２５とがバイパス管３０を介して互いに接続される。
【００１８】
更に図１を参照すると、排気マニホルド１９とサージタンク１２とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路３４を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路３４内には電気制御式ＥＧＲ制御弁３５が配置される。また、ＥＧＲ通路３４周りにはＥＧＲ通路３４内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置３６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３６内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
【００１９】
一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管６ａを介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール３７に連結される。このコモンレール３７内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ３８から燃料が供給され、コモンレール３７内に供給された燃料は各燃料供給管６ａを介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール３７にはコモンレール３７内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ３９が取付けられ、燃料圧センサ３９の出力信号に基づいてコモンレール３７内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ３８の吐出量が制御される。
【００２０】
電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５及び出力ポート４６を具備する。パティキュレートフィルタ２３にはパティキュレートフィルタ２３の温度を検出するための温度センサ４９ａが接続され、ケーシング２４にはパティキュレートフィルタ２３の前後の差圧、即ちパティキュレートフィルタ２３の圧損を検出するための圧損センサ４９ｂが接続される。これらセンサ４９ａ，４９ｂ及び燃料圧センサ３９の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また、アクセルペダル５０にはアクセルペダル５０の踏み込み量を検出するための負荷センサ５１が接続され、負荷センサ５１の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。更に入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５２が接続される。
【００２１】
一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して燃料噴射弁６、ステップモータ１６、アクチュエータ２６，３１、還元剤供給弁２８、還元剤ポンプ２９、ＥＧＲ制御弁３５、燃料ポンプ３８にそれぞれ接続される。
【００２２】
図２にパティキュレートフィルタ２３の構造を示す。なお、図２において（Ａ）はパティキュレートフィルタ２３の正面図を示しており、（Ｂ）はパティキュレートフィルタ２３の側面断面図を示している。図２（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２３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ガス通路５０，５１を具備する。これら排気ガス通路は上流端が開放されかつ下流端がシール材５２により閉塞されている排気ガス流入通路５０と、下流端が開放されかつ上流端がシール材５３により閉塞されている排気ガス流出通路５１とにより構成される。なお、図２（Ａ）においてハッチングを付した部分はシール材５３を示している。これら排気ガス通路５０，５１は例えばコージェライトのような多孔質材から形成される薄肉の隔壁５４を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス通路５０，５１は各排気ガス流入通路５０が４つの排気ガス流出通路５１によって包囲され、各排気ガス流出通路５１が４つの排気ガス流入通路５０によって包囲されるように配置される。
【００２３】
パティキュレートフィルタ２３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、従って排気ガス流入通路５０内に流入した排気ガスは図２（Ｂ）において矢印で示されるように周囲の隔壁５４内を通って隣接する排気ガス流出通路５１内に流出する。
【００２４】
また、パティキュレートフィルタ２３の隔壁５４の両側面及び細孔内壁面上には図３に示されるようにＮＯＸ触媒６０がそれぞれ担持されている。このＮＯＸ触媒６０は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウム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と、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ、イリジウムＩｒのような貴金属とが担持されている。
【００２５】
ＮＯＸ触媒は流入する排気ガスの平均空燃比がリーンのときにはＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量を減少させる蓄積還元作用を行う。
【００２６】
ＮＯＸ触媒の蓄積還元作用の詳細なメカニズムについては完全には明らかにされていない。しかしながら、現在考えられているメカニズムを、担体上に白金Ｐｔ及びバリウムＢａを担持させた場合を例にとって簡単に説明すると次のようになる。
【００２７】
即ち、ＮＯＸ触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもかなりリーンになると流入する排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大し、酸素Ｏ２がＯ２ −又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入する排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ２ −又はＯ２−と反応し、ＮＯ２となる（ＮＯ＋Ｏ２→ＮＯ２＋Ｏ＊、ここでＯ＊は活性酸素）。次いで生成されたＮＯ２の一部は白金Ｐｔ上でさらに酸化されつつＮＯＸ触媒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触媒内に拡散する。このようにしてＮＯＸがＮＯＸ触媒内に蓄えられる。
【００２８】
これに対し、ＮＯＸ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ又は理論空燃比になると、排気ガス中の酸素濃度が低下してＮＯ２の生成量が低下し、反応が逆方向（ＮＯ３ −→ＮＯ＋２Ｏ＊）に進み、斯くしてＮＯＸ触媒内の硝酸イオンＮＯ３ −がＮＯ２の形でＮＯＸ触媒から放出される。この放出されたＮＯＸは排気ガス中に還元剤即ちＨＣ，ＣＯが含まれているとこれらＨＣ，ＣＯと反応して還元せしめられる。このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯＸが存在しなくなるとＮＯＸ触媒から次から次へとＮＯＸが放出されて還元され、ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量が次第に減少する。
【００２９】
なお、硝酸塩を形成することなくＮＯＸを蓄え、ＮＯＸを放出することなくＮＯＸを還元することも可能である。また、活性酸素Ｏ＊に着目すれば、ＮＯＸ触媒はＮＯＸの蓄積及び放出に伴って活性酸素Ｏ＊を生成する活性酸素生成触媒と見ることもできる。
【００３０】
上述したように、通常運転時には排気絞り弁２７が開弁状態に維持されており、バイパス制御弁３２が閉弁状態に維持されており、内燃機関から排出された全ての排気ガスがパティキュレートフィルタ２３内に流入する。
【００３１】
このとき、排気ガス中に含まれる主に炭素の固体からなる微粒子はパティキュレートフィルタ２３上に捕集される。図１に示される内燃機関はリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われており、即ちパティキュレートフィルタ２３に流入する排気ガスの空燃比がリーンに維持されており、また、ＮＯＸ触媒６０は酸化能を有しているので、パティキュレートフィルタ２３の温度が微粒子を酸化しうる温度、例えば２５０℃以上に維持されていれば、パティキュレートフィルタ２３上で微粒子が酸化せしめられ除去される。
【００３２】
ところが、パティキュレートフィルタ２３の温度が微粒子を酸化しうる温度に維持されなくなるか又は単位時間当たりにパティキュレートフィルタ２３内に流入する微粒子の量がかなり多くなるとパティキュレートフィルタ２３上に堆積する微粒子の量が次第に増大し、パティキュレートフィルタ２３の圧損が増大する。
【００３３】
そこで本発明による実施例では、例えばパティキュレートフィルタ２３上の堆積微粒子量が許容最大量を越えたときにはパティキュレートフィルタ２３に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつパティキュレートフィルタ２３の温度を６００℃以上まで上昇し次いで６００℃以上に維持する昇温制御が行われる。この昇温制御が行われるとパティキュレートフィルタ２３上に堆積した微粒子が着火燃焼せしめられ除去される。図１に示される実施例では、圧損センサ４９ｂにより検出されるパティキュレートフィルタ２３の圧損が許容最大値を越えたときにパティキュレートフィルタ２３上の堆積微粒子量が許容最大量を越えたと判断される。
【００３４】
なお、パティキュレートフィルタ２３の温度を上昇させる方法には種々の方法がある。例えばパティキュレートフィルタ２３の端面に電気ヒータを配置して電気ヒータによりパティキュレートフィルタ２３又はパティキュレートフィルタ２３に流入する排気ガスを加熱する方法や、パティキュレートフィルタ２３上流の排気通路内に燃料を供給してこの燃料を燃焼させることによりパティキュレートフィルタ２３を加熱する方法や、内燃機関から排出される排気ガスの温度を上昇させてパティキュレートフィルタ２３の温度を上昇させる方法がある。
【００３５】
一方、上述したようにパティキュレートフィルタ２３内に流入する排気ガスの空燃比はリーンに維持されているので、排気ガス中のＮＯＸはパティキュレートフィルタ２３上のＮＯＸ触媒６０内に蓄えられる。また、排気ガス中にはイオウ分が例えばＳＯＸの形で含まれており、ＮＯＸ触媒６０内にはＮＯＸばかりでなくＳＯＸも蓄えられる。
【００３６】
このＳＯＸのＮＯＸ触媒６０内への蓄積メカニズムはＮＯＸの蓄積メカニズムと同じであると考えられる。即ち、担体上に白金Ｐｔ及びバリウムＢａを担持させた場合を例にとって簡単に説明すると、ＮＯＸ触媒６０に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには上述したように酸素Ｏ２がＯ２ −又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着しており、流入する排気ガス中のＳＯ２は白金Ｐｔの表面上でＯ２ −又はＯ２−と反応し、ＳＯ３となる。次いで生成されたＳＯ３は白金Ｐｔ上でさらに酸化されつつＮＯＸ触媒６０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ＮＯＸ触媒６０内に拡散する。この硫酸イオンＳＯ４ −は次いでバリウムイオンＢａ＋と結合して硫酸塩ＢａＳＯ４を生成する。
【００３７】
このようにしてＮＯＸ触媒６０内の蓄積ＮＯＸ量及び蓄積ＳＯＸ量が次第に増大する。本発明による実施例では、ＮＯＸ触媒６０内の蓄積ＮＯＸ量がその許容最大量を越えたときにはＮＯＸ触媒６０内に蓄えられているＮＯＸを還元しＮＯＸ触媒６０内の蓄積ＮＯＸ量を減少させるようにし、ＮＯＸ触媒６０内の蓄積ＳＯＸ量がその許容最大量を越えたときにはＮＯＸ触媒６０内に蓄えられているＳＯＸを還元しＮＯＸ触媒６０内の蓄積ＳＯＸ量を減少させるようにしている。このことを図４に示されるルーチンを参照して詳しく説明する。なお、図４に示されるルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。
【００３８】
図４を参照すると、まず初めにステップ１００ではＮＯＸ触媒６０の蓄積ＮＯＸ量ＱＮ及び蓄積ＳＯＸ量ＱＳが例えば機関運転状態に基づいて算出される。即ち、単位時間当たりにＮＯＸ触媒６０内に蓄えられるＮＯＸ及びＳＯＸの量は単位時間当たりに内燃機関から排出されるＮＯＸ及びＳＯＸの量に依存し、単位時間当たりに内燃機関から排出されるＮＯＸの量は例えば機関負荷を表すアクセルペダルの踏み込み量及び機関回転数に依存し、単位時間当たりに内燃機関から排出されるＳＯＸの量は燃料噴射量に依存する。従って、アクセルペダルの踏み込み量及び機関回転数と燃料噴射量とから、単位時間当たりにＮＯＸ触媒６０内に蓄えられるＮＯＸ及びＳＯＸの量がそれぞれ求められ、これらが逐次積算される。
【００３９】
続くステップ１０１では蓄積ＳＯＸ量ＱＳが予め定められた許容最大ＳＯＸ量ＱＳ１よりも多いか否かが判別される。ＱＳ≦ＱＳ１のときには次いでステップ１０２に進み、蓄積ＮＯＸ量ＱＮが許容最大ＮＯＸ量ＱＮ１よりも多いか否かが判別される。ＱＮ≦ＱＮ１のときには処理サイクルを終了し、ＱＮ＞ＱＮ１のときには次いでステップ１０３に進み、ＮＯＸ触媒６０内に流入する排気ガスの空燃比がリッチになるように還元剤供給弁２８から還元剤が一定時間だけ供給される。続くステップ１０４では蓄積ＮＯＸ量ＱＮがクリアされる。
【００４０】
一方、ステップ１０１においてＱＳ＞ＱＳ１のときには次いでステップ１０５に進み、パティキュレートフィルタ２３に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつＮＯＸ触媒６０の温度を５５０℃まで上昇し次いで５５０℃以上に維持する昇温制御が行われる。続くステップ１０６ではバイパス制御弁３２が開弁され、続くステップ１０７ではＮＯＸ触媒６０内に流入する排気ガスの空燃比がリッチ又は理論空燃比になるように還元剤供給弁２８から還元剤が一定時間だけ供給される。即ち、上述したＮＯＸ触媒６０のＳＯＸ蓄積メカニズムにおける硫酸塩ＢａＳＯ４は分解しにくく、ＮＯＸ触媒６０内に流入する排気ガスの空燃比をただ単にリッチにしてもＮＯＸ触媒６０内の硫酸塩ＢａＳＯ４の量は減少しない。しかしながら、ＮＯＸ触媒６０の温度を５５０℃以上に維持しつつＮＯＸ触媒６０に流入する排気ガスの空燃比をリッチ又は理論空燃比にすると、ＮＯＸ触媒６０内の硫酸塩ＢａＳＯ４が分解してＳＯ３の形でＮＯＸ触媒６０から放出される。この放出されたＳＯ３は排気ガス中に還元剤即ちＨＣ，ＣＯが含まれているとこれらＨＣ，ＣＯと反応してＳＯ２に還元せしめられる。このようにしてＮＯＸ触媒６０内に蓄えられているＳＯＸの量が次第に減少し、このときＮＯＸ触媒６０からＳＯＸがＳＯ３の形で流出することがない。
【００４１】
この場合、バイパス制御弁３２が開弁されているので、ＮＯＸ触媒６０内に流入する排気ガスの量が低減されており、従ってＮＯＸ触媒６０内に流入する排気ガスの空燃比をリッチ又は理論空燃比に切り替えるのに必要な還元剤の量を低減することができる。なお、ＮＯＸ触媒６０内に蓄えられているイオウ分の量を減少させるべきときに、バイパス制御弁３２を開弁しかつ排気絞り弁２７を閉弁するようにしてもよい。
【００４２】
続くステップ１０８ではバイパス制御弁３２が閉弁状態に戻され、続くステップ１０９では蓄積ＳＯＸ量ＱＳがクリアされる。次いで、ステップ１０４に進み、蓄積ＮＯＸ量ＱＮがクリアされる。ステップ１０７においてＮＯＸ触媒６０内に流入する排気ガスの空燃比がリッチ又は理論空燃比に切り替えられると、ＮＯＸ触媒６０内に蓄えられているＮＯＸも還元されＮＯＸ触媒６０内の蓄積ＮＯＸ量も減少するからである。
【００４３】
上述したＮＯＸ触媒６０のＮＯＸ及びＳＯＸの蓄積還元メカニズムによれば、ＮＯＸ触媒６０内にＮＯＸ及びＳＯＸが蓄えられるときにもＮＯＸ及びＳＯＸが放出されるときにも活性酸素が生成される。この活性酸素は酸素Ｏ２よりも活性が高く、従ってパティキュレートフィルタ２３上に堆積している微粒子を速やかに酸化する。即ち、パティキュレートフィルタ２３上にＮＯＸ触媒６０を担持させると、パティキュレートフィルタ２３内に流入する排気ガスの空燃比がリーンであろうとリッチであろうとパティキュレートフィルタ２３上に堆積している微粒子が酸化される。このようにして微粒子が連続的に酸化される。
【００４４】
このように図１に示される実施例では、バイパス制御弁３２が開弁されるのはＮＯＸ触媒６０内に蓄えられたＳＯＸの量を減少させるべきときのみである。ところが、冒頭で述べたように、排気ガス中に含まれるＳＯＸの量はかなり少なく、このためバイパス制御弁３２が長時間にわたって閉弁状態に保持されることになる。
【００４５】
そこで本発明による実施例では、排気絞り弁２７の開閉弁動作が行われる毎にバイパス制御弁３２を一時的に開弁するようにしている。
【００４６】
即ち、図５に示されるように、アクセルペダルの踏み込み量Ｌがゼロになりこのとき機関回転数Ｎが予め定められた許容下限値Ｎ１よりも高ければ、排気絞り弁２７が閉弁される。次いで、アクセルペダルが踏み込まれるか又は機関回転数Ｎが許容下限値Ｎ１以下になると、排気絞り弁２７を閉弁状態に保持しつつバイパス制御弁３２が開弁される。次いで、バイパス制御弁３２が閉弁されると共に排気絞り弁２７が開弁される。
【００４７】
このようにするとバイパス制御弁３２が固着しなくなる。その結果、ＮＯＸ触媒６０内の蓄積ＳＯＸ量を減少させるべきときにＮＯＸ触媒６０内に流入する排気ガスの量を確実に低減することができ、従ってＮＯＸ触媒６０内の蓄積ＳＯＸ量を減少させるために必要な還元剤の量を確実に低減することができる。また、このとき排気ガスの大部分がバイパス管３０内を流通し、従って機関背圧が上昇しない。この場合、排気ガスの大部分がパティキュレートフィルタ２３及びＮＯＸ触媒６０を迂回することになるけれども、この排気ガスの量はさほど多くない。
【００４８】
更に、このようにバイパス制御弁３２が開弁されるとＮＯＸ触媒６０内に流入する排気ガスの量が減少する。そこで本発明による実施例では、図５において矢印で示されるようにバイパス制御弁３２が一時的に開弁されているときにＮＯＸ触媒６０に還元剤を一時的に供給するようにしている。即ち、ＮＯＸ触媒６０内の蓄積ＮＯＸ量を減少させるためにＮＯＸ触媒６０内に流入する排気ガスの空燃比がリッチになるように還元剤が供給される。この場合、ＮＯＸ触媒６０内に流入する排気ガスの空燃比をリッチに切り替えるために多量の還元剤を必要としない。
【００４９】
図６は上述した本発明による弁制御を実行するためのルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。
【００５０】
図６を参照すると、まず初めにステップ１２０では排気絞り弁２７が閉弁されているか否かが判別される。排気絞り弁２７が開弁されているときにはステップ１２１に進み、排気絞り弁２７を閉弁すべきか否か、即ちアクセルペダルの踏み込み量Ｌがゼロでありかつ機関回転数Ｎが許容下限値Ｎ１よりも高いか否かが判別される。Ｌ＞０又はＮ≦Ｎ１のときには処理サイクルを終了し、Ｌ＝０かつＮ＞Ｎ１のときには次いでステップ１２２に進んで排気絞り弁２７が閉弁される。
【００５１】
排気絞り弁２７が閉弁されたときにはステップ１２０からステップ１２３に進み、排気絞り弁２７を開弁すべきか否か、即ちＬ＞０又はＮ≦Ｎ１になったか否かが判別される。Ｌ＝０かつＮ＞Ｎ１のときには処理サイクルを終了し、Ｌ＞０又はＮ≦Ｎ１になったときにはステップ１２４に進み、バイパス制御弁３２が開弁される。続くステップ１２５では、ＮＯＸ触媒６０内に流入する排気ガスの空燃比がリッチになるように還元剤供給弁２８から還元剤が一定時間だけ供給される。続くステップ１２６では排気絞り弁２７が開弁されると共に、バイパス制御弁３２が閉弁される。
【００５２】
【発明の効果】
排気絞り弁の開閉弁動作が行われる毎にバイパス制御弁の開閉弁動作が行われるのでバイパス制御弁が閉弁位置に固着するのが阻止され、従ってＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウ分の量を減少させるために必要な還元剤の量を確実に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】パティキュレートフィルタを示す図である。
【図３】パティキュレートフィルタの隔壁の部分拡大断面図である。
【図４】ＮＯＸ触媒内の蓄積ＮＯＸ量及び蓄積ＳＯＸ量の減少制御を実行するためのフローチャートである。
【図５】本発明による弁制御を説明するための図である。
【図６】弁制御を実行するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１…機関本体
２２…上流側排気ダクト
２３…パティキュレートフィルタ
２５…下流側排気ダクト
２７…排気絞り弁
２８…還元剤供給弁
３０…バイパス管
３２…バイパス制御弁
６０…ＮＯＸ触媒
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、リーン空燃比のもとで燃焼が継続される内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置し、ＮＯＸ触媒に還元剤を供給するための還元剤供給弁をＮＯＸ触媒上流の排気通路内に配置し、ＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウ分の量を減少させるべきときには還元剤供給弁からＮＯＸ触媒に還元剤を供給してＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの空燃比を一時的に理論空燃比又はリッチに切り替えるようにした内燃機関の排気浄化装置が知られている。
【０００３】
ところが、ＮＯＸ触媒内を多量の排気ガスが流通しているときにこの排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチに切り替えるためには多量の還元剤が必要となる。
【０００４】
そこで、ＮＯＸ触媒を迂回してＮＯＸ触媒上流の排気通路とＮＯＸ触媒下流の排気通路とを互いに接続するバイパス通路を設け、開弁されると排気ガスがバイパス通路内を流通してＮＯＸ触媒内を流通する排気ガスの量が減少するバイパス制御弁をバイパス通路内に配置し、バイパス制御弁を閉弁状態に保持すると共に、ＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウ分の量を減少させるべきときに一時的に開弁するようにした内燃機関の排気浄化装置が公知である（特開２００１−３３６４１８号公報参照）。このようにすると、ＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチに切り替えるために必要な還元剤の量を低減することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このようなＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウ分の量の減少作用は例えばＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウ分の量が許容最大量を越えたときに行われる。ところが、排気ガス中に含まれるイオウ分の量はＮＯＸに比べるとかなり少なく、このためこの減少作用が行われる頻度はかなり低くなっている。このことはバイパス制御弁が長時間にわたって閉弁状態に保持されるということを意味しており、その結果バイパス制御弁が閉弁位置に固着する恐れがあるという問題点がある。バイパス制御弁が閉弁位置に固着するとＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウ分の量を減少させるために必要な還元剤の量をもはや低減することができなくなる。
【０００６】
そこで本発明の目的は、ＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウ分の量を減少させるために必要な還元剤の量を確実に低減することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために１番目の発明によれば、リーン空燃比のもとで燃焼が継続される内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置し、ＮＯＸ触媒を迂回してＮＯＸ触媒上流の排気通路とＮＯＸ触媒下流の排気通路とを互いに接続するバイパス通路を設け、開弁されると排気ガスがバイパス通路内に流入してＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量が減少するバイパス制御弁をバイパス通路内に配置した内燃機関の排気浄化装置において、バイパス制御弁が閉弁状態に保持されており、バイパス通路の流入端が接続されている部分とバイパス通路の流出端が接続されている部分との間の排気通路内に、機関減速運転が行われると一時的に閉弁される排気絞り弁を配置し、一時的に閉弁されている排気絞り弁を開弁すべきときには排気絞り弁を閉弁状態に保持しつつバイパス制御弁を一時的に開弁し、次いで排気絞り弁を開弁するようにしている。
【０００８】
また、２番目の発明によれば１番目の発明において、バイパス通路の流入端が接続されている部分とＮＯＸ触媒との間の排気通路内に、ＮＯＸ触媒に還元剤を供給するための還元剤供給弁を配置し、一時的に閉弁されている排気絞り弁を開弁すべきときにバイパス制御弁が一時的に開弁されているときに還元剤供給弁からＮＯＸ触媒に還元剤を供給するようにしている。
【０００９】
また、３番目の発明によれば１番目の発明において、前記ＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウ分を還元して蓄えられているイオウ分の量を減少させるべきときに、バイパス制御弁が一時的に開弁される。
【００１０】
また、４番目の発明によれば１番目の発明において、前記ＮＯＸ触媒が排気ガス中に含まれる微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ上に担持されている。
【００１１】
なお、本明細書では排気通路の或る位置よりも上流の排気通路、燃焼室、及び吸気通路内に供給された空気の量と、炭化水素ＨＣ及び一酸化炭素ＣＯのような還元剤の量との比をその位置における排気ガスの空燃比と称している。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。なお、本発明は火花点火式内燃機関にも適用することもできる。
【００１３】
図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介して排気ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５に連結される。吸気ダクト１３内にはステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７が配置され、更に吸気ダクト１３周りには吸気ダクト１３内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１８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１８内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
【００１４】
一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９及び排気管２０を介して排気ターボチャージャ１４の排気タービン２１に連結され、排気タービン２１の出口は上流側排気ダクト２２を介し、パティキュレートフィルタ２３を収容したケーシング２４に接続される。このケーシング２４には下流側排気ダクト２５が接続される。上流側排気ダクト２２内にはアクチュエータ２６によって駆動される排気絞り弁２７と、パティキュレートフィルタ２３に還元剤を供給するための電気制御式還元剤供給弁２８とが配置される。この還元剤供給弁２８には電気制御式の還元剤ポンプ２９から還元剤が供給される。還元剤には液体又は気体の炭化水素のほか水素や尿素などを用いることができるが、本発明による実施例では還元剤として燃料即ち軽油が用いられている。
【００１５】
排気絞り弁２７は通常運転時には開弁状態に維持されており、即ち排気絞り弁２７の開度はその最大開度に保持されている。機関減速運転が行われると、即ち例えばアクセルペダルの踏み込み量がゼロになりこのとき機関回転数が予め定められた許容下限値よりも高ければ、排気絞り弁２７が閉弁され即ち排気絞り弁２７の開度が例えば小さな一定値まで減少される。その結果、機関背圧が上昇し、機関制動力が得られることになる。次いで、アクセルペダルが踏み込まれるか又は機関回転数Ｎが許容下限値Ｎ１以下になると排気絞り弁２７が開弁される。排気絞り弁２７が閉弁されると、内燃機関から排出された全ての排気ガスがパティキュレートフィルタ２３内に流入する。
【００１６】
一方、排気絞り弁２７上流の上流側排気ダクト２２と下流側排気ダクト２５とはバイパス管３０を介して互いに接続され、バイパス管３０内にはアクチュエータ３１により駆動されるバイパス制御弁３２が配置される。このバイパス制御弁３２は通常運転時には閉弁状態に維持されており、即ちバイパス管３０が閉塞されている。バイパス制御弁３２が開弁されると、排気絞り弁２７が開弁されていても排気ガスがバイパス管３０内に流入し、パティキュレートフィルタ２３内に流入する排気ガスの量がわずかばかりの量まで減少する。
【００１７】
なお、排気絞り弁２７を下流側排気ダクト２５内に配置することもでき、この場合には上流側排気ダクト２２と排気絞り弁２７下流の下流側排気ダクト２５とがバイパス管３０を介して互いに接続される。
【００１８】
更に図１を参照すると、排気マニホルド１９とサージタンク１２とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路３４を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路３４内には電気制御式ＥＧＲ制御弁３５が配置される。また、ＥＧＲ通路３４周りにはＥＧＲ通路３４内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置３６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３６内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
【００１９】
一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管６ａを介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール３７に連結される。このコモンレール３７内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ３８から燃料が供給され、コモンレール３７内に供給された燃料は各燃料供給管６ａを介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール３７にはコモンレール３７内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ３９が取付けられ、燃料圧センサ３９の出力信号に基づいてコモンレール３７内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ３８の吐出量が制御される。
【００２０】
電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５及び出力ポート４６を具備する。パティキュレートフィルタ２３にはパティキュレートフィルタ２３の温度を検出するための温度センサ４９ａが接続され、ケーシング２４にはパティキュレートフィルタ２３の前後の差圧、即ちパティキュレートフィルタ２３の圧損を検出するための圧損センサ４９ｂが接続される。これらセンサ４９ａ，４９ｂ及び燃料圧センサ３９の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また、アクセルペダル５０にはアクセルペダル５０の踏み込み量を検出するための負荷センサ５１が接続され、負荷センサ５１の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。更に入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５２が接続される。
【００２１】
一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して燃料噴射弁６、ステップモータ１６、アクチュエータ２６，３１、還元剤供給弁２８、還元剤ポンプ２９、ＥＧＲ制御弁３５、燃料ポンプ３８にそれぞれ接続される。
【００２２】
図２にパティキュレートフィルタ２３の構造を示す。なお、図２において（Ａ）はパティキュレートフィルタ２３の正面図を示しており、（Ｂ）はパティキュレートフィルタ２３の側面断面図を示している。図２（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２３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ガス通路５０，５１を具備する。これら排気ガス通路は上流端が開放されかつ下流端がシール材５２により閉塞されている排気ガス流入通路５０と、下流端が開放されかつ上流端がシール材５３により閉塞されている排気ガス流出通路５１とにより構成される。なお、図２（Ａ）においてハッチングを付した部分はシール材５３を示している。これら排気ガス通路５０，５１は例えばコージェライトのような多孔質材から形成される薄肉の隔壁５４を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス通路５０，５１は各排気ガス流入通路５０が４つの排気ガス流出通路５１によって包囲され、各排気ガス流出通路５１が４つの排気ガス流入通路５０によって包囲されるように配置される。
【００２３】
パティキュレートフィルタ２３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、従って排気ガス流入通路５０内に流入した排気ガスは図２（Ｂ）において矢印で示されるように周囲の隔壁５４内を通って隣接する排気ガス流出通路５１内に流出する。
【００２４】
また、パティキュレートフィルタ２３の隔壁５４の両側面及び細孔内壁面上には図３に示されるようにＮＯＸ触媒６０がそれぞれ担持されている。このＮＯＸ触媒６０は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウム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と、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ、イリジウムＩｒのような貴金属とが担持されている。
【００２５】
ＮＯＸ触媒は流入する排気ガスの平均空燃比がリーンのときにはＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量を減少させる蓄積還元作用を行う。
【００２６】
ＮＯＸ触媒の蓄積還元作用の詳細なメカニズムについては完全には明らかにされていない。しかしながら、現在考えられているメカニズムを、担体上に白金Ｐｔ及びバリウムＢａを担持させた場合を例にとって簡単に説明すると次のようになる。
【００２７】
即ち、ＮＯＸ触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもかなりリーンになると流入する排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大し、酸素Ｏ２がＯ２ −又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入する排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ２ −又はＯ２−と反応し、ＮＯ２となる（ＮＯ＋Ｏ２→ＮＯ２＋Ｏ＊、ここでＯ＊は活性酸素）。次いで生成されたＮＯ２の一部は白金Ｐｔ上でさらに酸化されつつＮＯＸ触媒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触媒内に拡散する。このようにしてＮＯＸがＮＯＸ触媒内に蓄えられる。
【００２８】
これに対し、ＮＯＸ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ又は理論空燃比になると、排気ガス中の酸素濃度が低下してＮＯ２の生成量が低下し、反応が逆方向（ＮＯ３ −→ＮＯ＋２Ｏ＊）に進み、斯くしてＮＯＸ触媒内の硝酸イオンＮＯ３ −がＮＯ２の形でＮＯＸ触媒から放出される。この放出されたＮＯＸは排気ガス中に還元剤即ちＨＣ，ＣＯが含まれているとこれらＨＣ，ＣＯと反応して還元せしめられる。このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯＸが存在しなくなるとＮＯＸ触媒から次から次へとＮＯＸが放出されて還元され、ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量が次第に減少する。
【００２９】
なお、硝酸塩を形成することなくＮＯＸを蓄え、ＮＯＸを放出することなくＮＯＸを還元することも可能である。また、活性酸素Ｏ＊に着目すれば、ＮＯＸ触媒はＮＯＸの蓄積及び放出に伴って活性酸素Ｏ＊を生成する活性酸素生成触媒と見ることもできる。
【００３０】
上述したように、通常運転時には排気絞り弁２７が開弁状態に維持されており、バイパス制御弁３２が閉弁状態に維持されており、内燃機関から排出された全ての排気ガスがパティキュレートフィルタ２３内に流入する。
【００３１】
このとき、排気ガス中に含まれる主に炭素の固体からなる微粒子はパティキュレートフィルタ２３上に捕集される。図１に示される内燃機関はリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われており、即ちパティキュレートフィルタ２３に流入する排気ガスの空燃比がリーンに維持されており、また、ＮＯＸ触媒６０は酸化能を有しているので、パティキュレートフィルタ２３の温度が微粒子を酸化しうる温度、例えば２５０℃以上に維持されていれば、パティキュレートフィルタ２３上で微粒子が酸化せしめられ除去される。
【００３２】
ところが、パティキュレートフィルタ２３の温度が微粒子を酸化しうる温度に維持されなくなるか又は単位時間当たりにパティキュレートフィルタ２３内に流入する微粒子の量がかなり多くなるとパティキュレートフィルタ２３上に堆積する微粒子の量が次第に増大し、パティキュレートフィルタ２３の圧損が増大する。
【００３３】
そこで本発明による実施例では、例えばパティキュレートフィルタ２３上の堆積微粒子量が許容最大量を越えたときにはパティキュレートフィルタ２３に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつパティキュレートフィルタ２３の温度を６００℃以上まで上昇し次いで６００℃以上に維持する昇温制御が行われる。この昇温制御が行われるとパティキュレートフィルタ２３上に堆積した微粒子が着火燃焼せしめられ除去される。図１に示される実施例では、圧損センサ４９ｂにより検出されるパティキュレートフィルタ２３の圧損が許容最大値を越えたときにパティキュレートフィルタ２３上の堆積微粒子量が許容最大量を越えたと判断される。
【００３４】
なお、パティキュレートフィルタ２３の温度を上昇させる方法には種々の方法がある。例えばパティキュレートフィルタ２３の端面に電気ヒータを配置して電気ヒータによりパティキュレートフィルタ２３又はパティキュレートフィルタ２３に流入する排気ガスを加熱する方法や、パティキュレートフィルタ２３上流の排気通路内に燃料を供給してこの燃料を燃焼させることによりパティキュレートフィルタ２３を加熱する方法や、内燃機関から排出される排気ガスの温度を上昇させてパティキュレートフィルタ２３の温度を上昇させる方法がある。
【００３５】
一方、上述したようにパティキュレートフィルタ２３内に流入する排気ガスの空燃比はリーンに維持されているので、排気ガス中のＮＯＸはパティキュレートフィルタ２３上のＮＯＸ触媒６０内に蓄えられる。また、排気ガス中にはイオウ分が例えばＳＯＸの形で含まれており、ＮＯＸ触媒６０内にはＮＯＸばかりでなくＳＯＸも蓄えられる。
【００３６】
このＳＯＸのＮＯＸ触媒６０内への蓄積メカニズムはＮＯＸの蓄積メカニズムと同じであると考えられる。即ち、担体上に白金Ｐｔ及びバリウムＢａを担持させた場合を例にとって簡単に説明すると、ＮＯＸ触媒６０に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには上述したように酸素Ｏ２がＯ２ −又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着しており、流入する排気ガス中のＳＯ２は白金Ｐｔの表面上でＯ２ −又はＯ２−と反応し、ＳＯ３となる。次いで生成されたＳＯ３は白金Ｐｔ上でさらに酸化されつつＮＯＸ触媒６０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ＮＯＸ触媒６０内に拡散する。この硫酸イオンＳＯ４ −は次いでバリウムイオンＢａ＋と結合して硫酸塩ＢａＳＯ４を生成する。
【００３７】
このようにしてＮＯＸ触媒６０内の蓄積ＮＯＸ量及び蓄積ＳＯＸ量が次第に増大する。本発明による実施例では、ＮＯＸ触媒６０内の蓄積ＮＯＸ量がその許容最大量を越えたときにはＮＯＸ触媒６０内に蓄えられているＮＯＸを還元しＮＯＸ触媒６０内の蓄積ＮＯＸ量を減少させるようにし、ＮＯＸ触媒６０内の蓄積ＳＯＸ量がその許容最大量を越えたときにはＮＯＸ触媒６０内に蓄えられているＳＯＸを還元しＮＯＸ触媒６０内の蓄積ＳＯＸ量を減少させるようにしている。このことを図４に示されるルーチンを参照して詳しく説明する。なお、図４に示されるルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。
【００３８】
図４を参照すると、まず初めにステップ１００ではＮＯＸ触媒６０の蓄積ＮＯＸ量ＱＮ及び蓄積ＳＯＸ量ＱＳが例えば機関運転状態に基づいて算出される。即ち、単位時間当たりにＮＯＸ触媒６０内に蓄えられるＮＯＸ及びＳＯＸの量は単位時間当たりに内燃機関から排出されるＮＯＸ及びＳＯＸの量に依存し、単位時間当たりに内燃機関から排出されるＮＯＸの量は例えば機関負荷を表すアクセルペダルの踏み込み量及び機関回転数に依存し、単位時間当たりに内燃機関から排出されるＳＯＸの量は燃料噴射量に依存する。従って、アクセルペダルの踏み込み量及び機関回転数と燃料噴射量とから、単位時間当たりにＮＯＸ触媒６０内に蓄えられるＮＯＸ及びＳＯＸの量がそれぞれ求められ、これらが逐次積算される。
【００３９】
続くステップ１０１では蓄積ＳＯＸ量ＱＳが予め定められた許容最大ＳＯＸ量ＱＳ１よりも多いか否かが判別される。ＱＳ≦ＱＳ１のときには次いでステップ１０２に進み、蓄積ＮＯＸ量ＱＮが許容最大ＮＯＸ量ＱＮ１よりも多いか否かが判別される。ＱＮ≦ＱＮ１のときには処理サイクルを終了し、ＱＮ＞ＱＮ１のときには次いでステップ１０３に進み、ＮＯＸ触媒６０内に流入する排気ガスの空燃比がリッチになるように還元剤供給弁２８から還元剤が一定時間だけ供給される。続くステップ１０４では蓄積ＮＯＸ量ＱＮがクリアされる。
【００４０】
一方、ステップ１０１においてＱＳ＞ＱＳ１のときには次いでステップ１０５に進み、パティキュレートフィルタ２３に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつＮＯＸ触媒６０の温度を５５０℃まで上昇し次いで５５０℃以上に維持する昇温制御が行われる。続くステップ１０６ではバイパス制御弁３２が開弁され、続くステップ１０７ではＮＯＸ触媒６０内に流入する排気ガスの空燃比がリッチ又は理論空燃比になるように還元剤供給弁２８から還元剤が一定時間だけ供給される。即ち、上述したＮＯＸ触媒６０のＳＯＸ蓄積メカニズムにおける硫酸塩ＢａＳＯ４は分解しにくく、ＮＯＸ触媒６０内に流入する排気ガスの空燃比をただ単にリッチにしてもＮＯＸ触媒６０内の硫酸塩ＢａＳＯ４の量は減少しない。しかしながら、ＮＯＸ触媒６０の温度を５５０℃以上に維持しつつＮＯＸ触媒６０に流入する排気ガスの空燃比をリッチ又は理論空燃比にすると、ＮＯＸ触媒６０内の硫酸塩ＢａＳＯ４が分解してＳＯ３の形でＮＯＸ触媒６０から放出される。この放出されたＳＯ３は排気ガス中に還元剤即ちＨＣ，ＣＯが含まれているとこれらＨＣ，ＣＯと反応してＳＯ２に還元せしめられる。このようにしてＮＯＸ触媒６０内に蓄えられているＳＯＸの量が次第に減少し、このときＮＯＸ触媒６０からＳＯＸがＳＯ３の形で流出することがない。
【００４１】
この場合、バイパス制御弁３２が開弁されているので、ＮＯＸ触媒６０内に流入する排気ガスの量が低減されており、従ってＮＯＸ触媒６０内に流入する排気ガスの空燃比をリッチ又は理論空燃比に切り替えるのに必要な還元剤の量を低減することができる。なお、ＮＯＸ触媒６０内に蓄えられているイオウ分の量を減少させるべきときに、バイパス制御弁３２を開弁しかつ排気絞り弁２７を閉弁するようにしてもよい。
【００４２】
続くステップ１０８ではバイパス制御弁３２が閉弁状態に戻され、続くステップ１０９では蓄積ＳＯＸ量ＱＳがクリアされる。次いで、ステップ１０４に進み、蓄積ＮＯＸ量ＱＮがクリアされる。ステップ１０７においてＮＯＸ触媒６０内に流入する排気ガスの空燃比がリッチ又は理論空燃比に切り替えられると、ＮＯＸ触媒６０内に蓄えられているＮＯＸも還元されＮＯＸ触媒６０内の蓄積ＮＯＸ量も減少するからである。
【００４３】
上述したＮＯＸ触媒６０のＮＯＸ及びＳＯＸの蓄積還元メカニズムによれば、ＮＯＸ触媒６０内にＮＯＸ及びＳＯＸが蓄えられるときにもＮＯＸ及びＳＯＸが放出されるときにも活性酸素が生成される。この活性酸素は酸素Ｏ２よりも活性が高く、従ってパティキュレートフィルタ２３上に堆積している微粒子を速やかに酸化する。即ち、パティキュレートフィルタ２３上にＮＯＸ触媒６０を担持させると、パティキュレートフィルタ２３内に流入する排気ガスの空燃比がリーンであろうとリッチであろうとパティキュレートフィルタ２３上に堆積している微粒子が酸化される。このようにして微粒子が連続的に酸化される。
【００４４】
このように図１に示される実施例では、バイパス制御弁３２が開弁されるのはＮＯＸ触媒６０内に蓄えられたＳＯＸの量を減少させるべきときのみである。ところが、冒頭で述べたように、排気ガス中に含まれるＳＯＸの量はかなり少なく、このためバイパス制御弁３２が長時間にわたって閉弁状態に保持されることになる。
【００４５】
そこで本発明による実施例では、排気絞り弁２７の開閉弁動作が行われる毎にバイパス制御弁３２を一時的に開弁するようにしている。
【００４６】
即ち、図５に示されるように、アクセルペダルの踏み込み量Ｌがゼロになりこのとき機関回転数Ｎが予め定められた許容下限値Ｎ１よりも高ければ、排気絞り弁２７が閉弁される。次いで、アクセルペダルが踏み込まれるか又は機関回転数Ｎが許容下限値Ｎ１以下になると、排気絞り弁２７を閉弁状態に保持しつつバイパス制御弁３２が開弁される。次いで、バイパス制御弁３２が閉弁されると共に排気絞り弁２７が開弁される。
【００４７】
このようにするとバイパス制御弁３２が固着しなくなる。その結果、ＮＯＸ触媒６０内の蓄積ＳＯＸ量を減少させるべきときにＮＯＸ触媒６０内に流入する排気ガスの量を確実に低減することができ、従ってＮＯＸ触媒６０内の蓄積ＳＯＸ量を減少させるために必要な還元剤の量を確実に低減することができる。また、このとき排気ガスの大部分がバイパス管３０内を流通し、従って機関背圧が上昇しない。この場合、排気ガスの大部分がパティキュレートフィルタ２３及びＮＯＸ触媒６０を迂回することになるけれども、この排気ガスの量はさほど多くない。
【００４８】
更に、このようにバイパス制御弁３２が開弁されるとＮＯＸ触媒６０内に流入する排気ガスの量が減少する。そこで本発明による実施例では、図５において矢印で示されるようにバイパス制御弁３２が一時的に開弁されているときにＮＯＸ触媒６０に還元剤を一時的に供給するようにしている。即ち、ＮＯＸ触媒６０内の蓄積ＮＯＸ量を減少させるためにＮＯＸ触媒６０内に流入する排気ガスの空燃比がリッチになるように還元剤が供給される。この場合、ＮＯＸ触媒６０内に流入する排気ガスの空燃比をリッチに切り替えるために多量の還元剤を必要としない。
【００４９】
図６は上述した本発明による弁制御を実行するためのルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。
【００５０】
図６を参照すると、まず初めにステップ１２０では排気絞り弁２７が閉弁されているか否かが判別される。排気絞り弁２７が開弁されているときにはステップ１２１に進み、排気絞り弁２７を閉弁すべきか否か、即ちアクセルペダルの踏み込み量Ｌがゼロでありかつ機関回転数Ｎが許容下限値Ｎ１よりも高いか否かが判別される。Ｌ＞０又はＮ≦Ｎ１のときには処理サイクルを終了し、Ｌ＝０かつＮ＞Ｎ１のときには次いでステップ１２２に進んで排気絞り弁２７が閉弁される。
【００５１】
排気絞り弁２７が閉弁されたときにはステップ１２０からステップ１２３に進み、排気絞り弁２７を開弁すべきか否か、即ちＬ＞０又はＮ≦Ｎ１になったか否かが判別される。Ｌ＝０かつＮ＞Ｎ１のときには処理サイクルを終了し、Ｌ＞０又はＮ≦Ｎ１になったときにはステップ１２４に進み、バイパス制御弁３２が開弁される。続くステップ１２５では、ＮＯＸ触媒６０内に流入する排気ガスの空燃比がリッチになるように還元剤供給弁２８から還元剤が一定時間だけ供給される。続くステップ１２６では排気絞り弁２７が開弁されると共に、バイパス制御弁３２が閉弁される。
【００５２】
【発明の効果】
排気絞り弁の開閉弁動作が行われる毎にバイパス制御弁の開閉弁動作が行われるのでバイパス制御弁が閉弁位置に固着するのが阻止され、従ってＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウ分の量を減少させるために必要な還元剤の量を確実に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】パティキュレートフィルタを示す図である。
【図３】パティキュレートフィルタの隔壁の部分拡大断面図である。
【図４】ＮＯＸ触媒内の蓄積ＮＯＸ量及び蓄積ＳＯＸ量の減少制御を実行するためのフローチャートである。
【図５】本発明による弁制御を説明するための図である。
【図６】弁制御を実行するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１…機関本体
２２…上流側排気ダクト
２３…パティキュレートフィルタ
２５…下流側排気ダクト
２７…排気絞り弁
２８…還元剤供給弁
３０…バイパス管
３２…バイパス制御弁
６０…ＮＯＸ触媒
Claims (4)
- リーン空燃比のもとで燃焼が継続される内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置し、ＮＯＸ触媒を迂回してＮＯＸ触媒上流の排気通路とＮＯＸ触媒下流の排気通路とを互いに接続するバイパス通路を設け、開弁されると排気ガスがバイパス通路内に流入してＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量が減少するバイパス制御弁をバイパス通路内に配置した内燃機関の排気浄化装置において、バイパス制御弁が閉弁状態に保持されており、バイパス通路の流入端が接続されている部分とバイパス通路の流出端が接続されている部分との間の排気通路内に、機関減速運転が行われると一時的に閉弁される排気絞り弁を配置し、一時的に閉弁されている排気絞り弁を開弁すべきときには排気絞り弁を閉弁状態に保持しつつバイパス制御弁を一時的に開弁し、次いで排気絞り弁を開弁するようにした内燃機関の排気浄化装置。
- バイパス通路の流入端が接続されている部分とＮＯＸ触媒との間の排気通路内に、ＮＯＸ触媒に還元剤を供給するための還元剤供給弁を配置し、一時的に閉弁されている排気絞り弁を開弁すべきときにバイパス制御弁が一時的に開弁されているときに還元剤供給弁からＮＯＸ触媒に還元剤を供給するようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記ＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウ分を還元して蓄えられているイオウ分の量を減少させるべきときに、バイパス制御弁が一時的に開弁される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記ＮＯＸ触媒が排気ガス中に含まれる微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ上に担持されている請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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