JP4254484B2 - 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。

リーン空燃比のもとで燃焼が行われているときに排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯ_X）を浄化するための触媒として、アルミナからなる担体の表面上にアルカリ金属またはアルカリ土類金属からなるＮＯ_X吸蔵剤の層を形成し、さらに白金のような貴金属を担体表面上に担持したＮＯ_X吸蔵触媒が公知である。このＮＯ_X吸蔵触媒では、ＮＯ_X吸蔵触媒が活性化すると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がＮＯ_X吸蔵剤内に吸蔵され、排気ガスの空燃比がリッチにされるとＮＯ_X吸蔵剤に吸蔵されていたＮＯ_Xが放出され、還元される。

ところで、このようなＮＯ_Xの吸放出作用はＮＯ_X吸蔵触媒が活性化しないと行われないと考えられていたが、このようにＮＯ_Xの吸放出作用を行うようにしたＮＯ_X吸蔵触媒について本発明者が研究を重ねた結果、排気ガス中に含まれる一酸化窒素ＮＯはＮＯ_X吸蔵触媒が活性化しないとＮＯ_X吸蔵剤に吸蔵されないが、排気ガス中に含まれる二酸化窒素（ＮＯ₂）はＮＯ_X吸蔵触媒が活性化しなくてもＮＯ_X吸蔵剤に吸蔵されることが判明した。

このような観点からすると、上記ＮＯ_X吸蔵触媒が活性化していない場合にはＮＯ_X吸蔵触媒に流入する排気ガス中のＮＯ_Xに対するＮＯ₂の割合が大きい方がＮＯ_X吸蔵触媒によるＮＯ_Xの浄化率が高まることがわかる。

ＮＯ_X吸蔵触媒に流入する排気ガス中のＮＯ₂の割合を大きくする方法としては、ＮＯ_X吸蔵触媒の上流側に白金等の貴金属を担持した酸化触媒を配置することが挙げられる（例えば、特許文献１参照）。このような酸化触媒では、白金の酸化作用により排気ガス中のＮＯがＮＯ₂に酸化される。

特開２００２−８９２４６号公報 特開２０００−３４５８３２号公報 国際公開第９８／４８１５３号パンフレット

しかしながら、このような酸化触媒では、酸化触媒が活性化していないときには、排気ガス中のＮＯをＮＯ₂にほとんど酸化することができないどころか、排気ガス中のＮＯ₂をＮＯに還元してしまうことがある。したがって、上記特許文献１に記載された内燃機関では、酸化触媒およびＮＯ_X吸蔵触媒が活性化していないときには、酸化触媒を流通した排気ガスをＮＯ_X吸蔵触媒に流入させると、ＮＯ_Xの浄化率が低いものとなってしまう。

そこで、本発明の目的は、ＮＯ_X吸蔵触媒が活性化していないときであっても排気ガス中のＮＯ_Xを良好に浄化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。

上記課題を解決するために、第１の発明では、機関排気通路内に貴金属とＮＯ_X吸蔵剤とを有するＮＯ_X吸蔵触媒が配置され、該ＮＯ_X吸蔵触媒が活性化していないときにはＮＯ_X吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中に含まれる二酸化窒素ＮＯ₂がＮＯ_X吸蔵剤に吸蔵され、該ＮＯ_X吸蔵触媒が活性化しているときにはＮＯ_X吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中に含まれる窒素酸化物ＮＯ_XがＮＯ_X吸蔵剤に吸蔵されるとともにＮＯ_X吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチになると吸蔵されている窒素酸化物ＮＯ_XがＮＯ_X吸蔵剤から放出され、ＮＯ_X吸蔵触媒が活性化していないときには機関から排出された排気ガス中の二酸化窒素ＮＯ₂が一酸化窒素ＮＯに還元されるのを抑制する還元抑制手段をＮＯ_X吸蔵触媒の上流側の排気通路に具備し、機関排気通路内であって上記ＮＯ _X 吸蔵触媒の上流側に配置され且つ貴金属を担持した酸化触媒と、該酸化触媒をバイパスするためのバイパス通路と、前記酸化触媒に流入する排気ガスの流量と上記バイパス通路に流入する排気ガスの流量とを調整する流量調整弁とをさらに具備し、上記ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化していないときには、上記還元抑制手段は機関から排出された排気ガスのほぼ全てがバイパス通路に流入するように流量調整弁を制御する。
第１の発明のＮＯ_X吸蔵触媒では、ＮＯ_X吸蔵触媒が活性化していないときには、ＮＯ_X吸蔵触媒に流入する排気ガス中の二酸化窒素ＮＯ₂はＮＯ_X吸蔵触媒に吸蔵されるが、一酸化窒素ＮＯは吸蔵されにくい。第１の発明によれば、ＮＯ_X吸蔵触媒が活性化していないときには、二酸化窒素ＮＯ₂が一酸化窒素ＮＯに還元されるのが抑制されるため、ＮＯ_X吸蔵触媒は流入する排気ガス中のＮＯ_Xを多く吸蔵することができ、よって排気ガス中のＮＯ_Xを良好に浄化することができる。

上記課題を解決するために、第２の発明では、機関排気通路内に貴金属とＮＯ _X 吸蔵剤とを有するＮＯ _X 吸蔵触媒が配置され、該ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化していないときにはＮＯ _X 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中に含まれる二酸化窒素ＮＯ ₂ がＮＯ _X 吸蔵剤に吸蔵され、該ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化しているときにはＮＯ _X 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中に含まれる窒素酸化物ＮＯ _X がＮＯ _X 吸蔵剤に吸蔵されるとともにＮＯ _X 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチになると吸蔵されている窒素酸化物ＮＯ _X がＮＯ _X 吸蔵剤から放出され、ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化していないときには機関から排出された排気ガス中の二酸化窒素ＮＯ ₂ が一酸化窒素ＮＯに還元されるのを抑制する還元抑制手段をＮＯ _X 吸蔵触媒の上流側の排気通路に具備し、上記機関排気通路は、基幹通路と、両端が該基幹通路上の分岐部に連結された環状通路と、該環状通路を一方の方向におよび該一方の方向とは反対方向に流れる排気ガスの流量と該環状通路に流入せずに基幹通路を流れる排気ガスの流量とを調整する流量調整弁とを具備し、上記ＮＯ _X 吸蔵触媒が環状通路内に設けられると共に貴金属を担持した酸化触媒が上記環状通路内であってＮＯ _X 吸蔵触媒の一方の側に配置され、上記ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性していないときには、上記還元抑制手段は機関から排出された排気ガスのほぼ全てが環状通路をＮＯ _X 吸蔵触媒、酸化触媒の順に流れるように流量調整弁を制御する。

第３の発明では、第１または第２の発明において、上記ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化していないときであっても上記酸化触媒が活性化しているときには、上記還元抑制手段による流量調整弁の制御が中止される。
すなわち、第３の発明によれば、ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化していないときであって且つ酸化触媒が活性化していないときにのみ、還元抑制手段による流量調整弁の制御が行われる。

上記課題を解決するために第４の発明では、機関排気通路内に貴金属とＮＯ _X 吸蔵剤とを有するＮＯ _X 吸蔵触媒が配置され、該ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化していないときにはＮＯ _X 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中に含まれる二酸化窒素ＮＯ ₂ がＮＯ _X 吸蔵剤に吸蔵され、該ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化しているときにはＮＯ _X 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中に含まれる窒素酸化物ＮＯ _X がＮＯ _X 吸蔵剤に吸蔵されるとともにＮＯ _X 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチになると吸蔵されている窒素酸化物ＮＯ _X がＮＯ _X 吸蔵剤から放出され、ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化していないときには機関から排出された排気ガス中の二酸化窒素ＮＯ ₂ が一酸化窒素ＮＯに還元されるのを抑制する還元抑制手段をＮＯ _X 吸蔵触媒の上流側の排気通路に具備し、上記還元抑制手段は、機関排気通路内であってＮＯ _X 吸蔵触媒の上流側に配置されたＨＣ吸着材を有し、該ＨＣ吸着材は、放出開始温度よりも低い場合にはＨＣ吸着材に流入する排気ガス中に含まれる炭化水素ＨＣを吸着し、放出開始温度以上の場合にはＨＣ吸着材に吸着している炭化水素ＨＣを放出し、上記放出開始温度は上記ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化する温度よりも高く、上記ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化していないときにはＨＣ吸着材によって機関から排出された排気ガス中の炭化水素ＨＣが吸着されることで排気ガス中の炭化水素ＨＣによって二酸化窒素ＮＯ ₂ が一酸化窒素ＮＯに還元されることが抑制される。

上記課題を解決するために、第５の発明では、機関排気通路内に貴金属とＮＯ _X 吸蔵剤とを有するＮＯ _X 吸蔵触媒が配置され、該ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化していないときにはＮＯ _X 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中に含まれる二酸化窒素ＮＯ ₂ がＮＯ _X 吸蔵剤に吸蔵され、該ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化しているときにはＮＯ _X 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中に含まれる窒素酸化物ＮＯ _X がＮＯ _X 吸蔵剤に吸蔵されるとともにＮＯ _X 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチになると吸蔵されている窒素酸化物ＮＯ _X がＮＯ _X 吸蔵剤から放出され、ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化していないときには機関から排出された排気ガス中の二酸化窒素ＮＯ ₂ が一酸化窒素ＮＯに還元されるのを抑制する還元抑制手段をＮＯ _X 吸蔵触媒の上流側の排気通路に具備し、機関排気通路内であって上記ＮＯ _X 吸蔵触媒の上流側に配置され且つ貴金属を担持した酸化触媒と、該酸化触媒をバイパスするためのバイパス通路と、前記酸化触媒に流入する排気ガスの流量と上記バイパス通路に流入する排気ガスの流量とを調整する流量調整弁とをさらに具備し、上記バイパス通路上にはＨＣ吸着材が設けられ、該ＨＣ吸着材は、放出開始温度よりも低い場合にはＨＣ吸着材に流入する排気ガス中に含まれる炭化水素ＨＣを吸着し、放出開始温度以上の場合にはＨＣ吸着材に吸着している炭化水素ＨＣを放出し、上記ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化していないときには、上記還元抑制手段は機関から排出された排気ガスのほぼ全てがバイパス通路に流入するように流量調整弁を制御する。

上記課題を解決するために、第６の発明では、機関排気通路内に貴金属とＮＯ _X 吸蔵剤とを有するＮＯ _X 吸蔵触媒が配置され、該ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化していないときにはＮＯ _X 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中に含まれる二酸化窒素ＮＯ ₂ がＮＯ _X 吸蔵剤に吸蔵され、該ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化しているときにはＮＯ _X 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中に含まれる窒素酸化物ＮＯ _X がＮＯ _X 吸蔵剤に吸蔵されるとともにＮＯ _X 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチになると吸蔵されている窒素酸化物ＮＯ _X がＮＯ _X 吸蔵剤から放出され、ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化していないときには機関から排出された排気ガス中の二酸化窒素ＮＯ ₂ が一酸化窒素ＮＯに還元されるのを抑制する還元抑制手段をＮＯ _X 吸蔵触媒の上流側の排気通路に具備し、上記機関排気通路は、基幹通路と、両端が該基幹通路上の分岐部に連結された環状通路と、該環状通路を一方の方向におよび該一方の方向とは反対方向に流れる排気ガスの流量と該環状通路に流入せずに基幹通路を流れる排気ガスの流量とを調整する流量調整弁とを具備し、上記ＮＯ _X 吸蔵触媒が環状通路内に設けられると共に貴金属を担持した酸化触媒が上記環状通路内であってＮＯ _X 吸蔵触媒の一方の側に配置され、さらにＨＣ吸着材が上記環状通路内であってＮＯ _X 吸蔵触媒の上記一方の側とは反対側に配置され、該ＨＣ吸着材は、放出開始温度よりも低い場合にはＨＣ吸着材に流入する排気ガス中に含まれる炭化水素ＨＣを吸着し、放出開始温度以上の場合にはＨＣ吸着材に吸着している炭化水素ＨＣを放出し、上記ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化していないときには、上記還元抑制手段は機関から排出された排気ガスのほぼ全てが環状通路をＨＣ吸着材、ＮＯ _X 吸蔵触媒、酸化触媒の順に流れるように流量調整弁を制御する。

第７の発明では、第１〜第６のいずれか一つの発明において、ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化していないときにはリーン空燃比のもとで燃焼を行ったときに発生する一酸化窒素ＮＯに対する二酸化窒素ＮＯ ₂ の割合を増大させるＮＯ ₂ 割合増大手段をさらに具備する。
第７の発明によれば、ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化していないときに、二酸化窒素ＮＯ ₂ が一酸化窒素ＮＯに還元されるのが抑制されるだけでなく、機関から排出される排気ガス中の一酸化窒素ＮＯに対する二酸化窒素ＮＯ ₂ の割合が大きいため、より多くのＮＯ _X がＮＯ _X 吸蔵触媒に吸蔵され、ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化していないときにおけるＮＯ _X 吸蔵触媒によるＮＯ _X の浄化効果を高めることができる。

本発明によれば、ＮＯ_X吸蔵触媒が活性化していないときであっても、ＮＯ_X吸蔵触媒は流入する排気ガス中のＮＯ_Xを多く吸蔵することができ、よって排気ガス中のＮＯ_Xを良好に浄化することができる。

図１は本発明を圧縮自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。

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に示した実施形態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の出口は排気管１１を介して酸化触媒１２を内蔵したケーシング１３に連結され、さらに、ケーシング１３の出口は排気管１１を介してＮＯ_X吸蔵触媒１４を内蔵したケーシング１５に連結される。また、酸化触媒１２の上流側の排気管１１上に位置する分岐部１６から酸化触媒１２をバイパスするバイパス管１７が分岐し、バイパス管１７は酸化触媒１２とＮＯ_X吸蔵触媒１４との間の排気管１１に連結される。分岐部１６には、酸化触媒１２に流入する排気ガスの流量とバイパス管１１に流入する排気ガスの流量とを調整する流量調整弁１８が設けられる。排気マニホルド５の集合部出口には排気マニホルド５内を流れる排気ガス中に例えば炭化水素からなる還元剤を供給するための還元剤供給弁１９が配置される。

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と称す）通路２０を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２０内には電子制御式ＥＧＲ制御弁２１が配置される。また、ＥＧＲ通路２０周りにはＥＧＲ通路２０内を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲ冷却装置２２が配置される。図１に示した実施形態では機関冷却水がＥＧＲ冷却装置２２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２３を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２４に連結される。このコモンレール２４内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２５から燃料が供給され、コモンレール２４内に供給された燃料は各燃料供給管２３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。酸化触媒１２およびＮＯ_X吸蔵触媒１４には酸化触媒１２およびＮＯ_X吸蔵触媒１４の温度をそれぞれ検出するための温度センサ２６、２７が取付けられ、これら温度センサ２６、２７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。また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量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、還元剤供給弁１９、ＥＧＲ制御弁２１、および燃料ポンプ２５に接続される。

図１に示すＮＯ_X吸蔵触媒１４はモノリス触媒からなり、このＮＯ_X吸蔵触媒１４の基体上には例えばアルミナからなる触媒担体が担持されている。図２（Ａ）、（Ｂ）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２（Ａ）、（Ｂ）に示したように触媒担体５０の表面上には触媒貴金属５１が分散して担持されており、更に触媒担体５０の表面上にはＮＯ_X吸蔵剤５２の層が形成されている。

本実施形態では触媒貴金属５１として白金Ｐｔが用いられており、ＮＯ_X吸蔵剤５２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１４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吸蔵剤５２は、触媒貴金属５１が活性化していれば、すなわちＮＯ_X吸蔵触媒１４が活性化していればＮＯ_X吸蔵触媒に流入する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。なお、ＮＯ_X吸蔵触媒１４上流の排気通路内に燃料（炭化水素）または空気が供給されない場合には排気ガスの空燃比は燃焼室２内に供給される混合気の空燃比に一致し、したがってこの場合にはＮＯ_X吸蔵剤５２は燃焼室２内に供給される混合気の空燃比がリーンのときにはＮＯ_Xを吸収し、燃焼室２内に供給される混合気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯ_Xを放出することになる。

すなわち、ＮＯ_X吸蔵剤５２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、すなわち排気ガス中の酸素濃度が高いときには触媒貴金属５１が活性化していれば排気ガス中に含まれるＮＯは図２（Ａ）に示したように白金Ｐｔ５１上において酸化されてＮＯ₂となり、次いでＮＯ_X吸蔵剤５２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吸蔵剤５２内に拡散する。このようにしてＮＯ_XがＮＯ_X吸蔵剤５２内に吸収される。排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔ５１の表面でＮＯ₂が生成され、ＮＯ_X吸蔵剤５２のＮＯ_X吸収能力が飽和しない限りＮＯ₂がＮＯ_X吸蔵剤５２内に吸収されて硝酸イオンＮＯ₃ ^-が生成される。

これに対し、燃焼室２内における空燃比をほぼ理論空燃比あるいはリッチにすることによって、または還元剤供給弁１９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ほぼ理論空燃比あるい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（ＮＯ₃ ^-→ＮＯ₂）に進み、斯くしてＮＯ_X吸蔵剤５２内の硝酸イオンＮＯ₃ ^-がＮＯ₂の形でＮＯ_X吸蔵剤５２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。なお、上記説明では、ＮＯ_XはＮＯ_X吸蔵剤に吸収される（すなわち、硝酸塩等の形で蓄積する）ものとして説明しているが、実際にはＮＯ_Xは吸収されているのか吸着（すなわち、ＮＯ_XをＮＯ₂等の形で吸着する）しているのかは必ずしも明確ではなく、これら吸収および吸着の両概念を含む吸蔵という用語を用いる。本明細書では、特に、ＮＯ_X吸蔵触媒が活性化しているときに行われる吸蔵を「高温吸蔵」と称する。また、ＮＯ_X吸蔵剤からの「放出」という用語についても、「吸収」に対応する「放出」の他、「吸着」に対応する「脱離」の意味も含むものとして用いる。

ところで白金Ｐｔ５１の酸化能力は温度によって変化し、白金Ｐｔ５１の温度が低いとその酸化能力も低い。このため、図３（Ａ）に示したように、ＮＯ_X吸蔵触媒１４の温度が低下すると、白金Ｐｔ５１によるＮＯからＮＯ₂への酸化率（以下、「ＮＯ酸化率」と称す）が低下する。本実施形態では、図３（Ａ）から分かるようにＮＯ_X吸蔵触媒１４の温度ＴＣがほぼ２５０℃よりも低くなるとＮＯ酸化率は急速に低下し、ＮＯ_X吸蔵触媒１４の温度ＴＣがほぼ２００℃になるとＮＯ酸化率がほぼ５０パーセントとなる。本実施形態ではＮＯ酸化率がほぼ５０パーセントになったときに、すなわちＮＯ_X吸蔵触媒１４の温度ＴＣがほぼ２００℃（＝Ｔｓ）になったときにＮＯ_X吸蔵触媒１４が活性化したと判断される。

さて、排気ガス中の窒素酸化物ＮＯ_Xは一酸化窒素ＮＯの形ではＮＯ_X吸蔵剤５２に吸収されず、二酸化窒素ＮＯ₂の形にならなければＮＯ_X吸蔵剤５２に吸収されない。すなわち、排気ガス中に含まれる窒素酸化物ＮＯ_Xは通常一酸化窒素ＮＯの方が多く、この一酸化窒素ＮＯは二酸化窒素ＮＯ₂にならないと、すなわち酸化されないとＮＯ_X吸蔵剤５２に吸収されない。一酸化窒素ＮＯを酸化するには触媒貴金属５１が活性化していることが必要であり、したがってこれまでＮＯ_Xを浄化するためには触媒貴金属５１が活性化していることが必要であると考えられてきた。

ところがこのＮＯ_X吸蔵触媒１４について本発明者が研究を重ねた結果、排気ガス中に含まれる一酸化窒素ＮＯは白金５１が活性化しないと、すなわちＮＯ_X吸蔵触媒１４が活性化しないとＮＯ_X吸蔵剤５２に吸収されないが、排気ガス中に含まれる二酸化窒素ＮＯ₂はＮＯ_X吸蔵触媒１４が活性化しなくても図２（Ｂ）に示したように例えば亜硝酸ＮＯ₂ ^-の形でＮＯ_X吸蔵剤５２に吸蔵されることが判明したのである。なお、この場合も、ＮＯ_X吸蔵触媒１４が活性化している場合と同様に、二酸化窒素ＮＯ₂はＮＯ_X吸蔵剤５２に吸着するのか、或いはＮＯ_X吸蔵剤５２内に吸収されるのかは必ずしも明確ではなく、これら吸着と吸収とを合わせた「吸蔵」と称する。本明細書では、特に、ＮＯ_X吸蔵触媒が活性化していないときに行われる吸蔵を「低温吸蔵」と称する。

このようにＮＯ_X吸蔵触媒１４が活性化していなくても二酸化窒素ＮＯ₂が吸蔵されるのでＮＯ_X吸蔵触媒１４が活性化していないときには、例えば機関始動後暫らくの間はＮＯ_X吸蔵触媒１４に流入する排気ガス中の一酸化窒素ＮＯの量が少なく、排気ガス中の二酸化窒素ＮＯ₂の量が多いことが好ましい。そこで本実施形態では、このようなときに機関本体１から排出された排気ガスがＮＯ_X吸蔵触媒１４に到達するまでの間に、排気ガス中のＮＯ₂がＮＯに還元されるのを抑制するようにしている。

ところで、図１に示したように、本実施形態の内燃機関では、ＮＯ_X吸蔵触媒１４の上流側に酸化触媒１２が設けられている。この酸化触媒１２は、例えば、後述するＮＯ_X放出処理において還元剤添加弁１９から還元剤を添加した際に、添加した還元剤を酸素と確実に反応させてＮＯ_X吸蔵触媒１４に流入する排気ガス中の酸素濃度を低下させるため、またはＮＯ_X吸蔵触媒１４の上流側部分で未燃のＨＣや還元剤が反応してその下流側部分の温度のみが昇温したりしてＮＯ_X吸蔵触媒１４に温度分布ができてしまうのを抑制するために設けられる。

この酸化触媒１２にも白金Ｐｔが担持されており、その酸化能力は温度が低くなると低下する。したがって、酸化触媒１２においても、白金ＰｔによるＮＯからＮＯ₂への酸化率は図３（Ａ）に示したＮＯ_X吸蔵触媒１４の白金によるＮＯ酸化率と同様となる。一方、酸化触媒１２が活性化していない場合、すなわち酸化触媒１２の温度が白金Ｐｔの活性温度よりも低い場合には、酸化触媒１２に担持された白金Ｐｔは還元能力を発揮し、この還元能力は酸化触媒１２の温度が低くなると高くなる。このため、図３（Ｂ）に示したように、酸化触媒１２が活性化していない場合、温度が低下すると白金ＰｔによるＮＯ₂からＮＯへの還元率（以下、「ＮＯ還元率」と称す）が上昇する。すなわち、酸化触媒１２が活性化していない場合、排気ガスが酸化触媒１２を通ってＮＯ_X吸蔵触媒１４に流入すると、酸化触媒１２で二酸化窒素ＮＯ₂が一酸化窒素ＮＯに還元されて、機関本体１から排出された排気ガス中の一酸化窒素ＮＯの割合（＝ＮＯの量／ＮＯ_Xの量）よりもＮＯ_X吸蔵触媒１４へ流入する排気ガス中の一酸化窒素ＮＯの割合がかなり多くなる。このため、このときＮＯ_X吸蔵触媒１４が活性化していないと、ＮＯ_X吸蔵触媒１４はＮＯ_Xを吸蔵できず、よってＮＯ_X吸蔵触媒１４によるＮＯ_X浄化率が低いものとなってしまう。

そこで本実施形態では、ＮＯ_X吸蔵触媒１４および酸化触媒１２が活性化していないときには、流量調整弁１８を排気ガスが酸化触媒１２に流入せずにバイパス管１７に流入するバイパス位置（図１に実線で示した位置）へと揺動させ、このバイパス位置に位置決めする。これにより、ＮＯ_X吸蔵触媒１４および酸化触媒１２が活性化していないときには、機関本体１から排出された排気ガスは酸化触媒１２を介さずに直接ＮＯ_X吸蔵触媒１４に流入し、よって排気ガス中のＮＯ₂がＮＯに還元されるのが抑制せしめられる。これにより、ＮＯ_X吸蔵触媒１４および酸化触媒１２が活性化していないときであっても、ＮＯ_X吸蔵触媒１４によるＮＯ_Xの浄化率を高く維持することができる。

さて、ＮＯ_X吸蔵触媒１４が活性化すると、リーン空燃比のもとで燃焼が行われているときにＮＯ_X吸蔵触媒１４に流入する排気ガス（以下、「流入排気ガス」と称す）中のＮＯ_XがＮＯ_X吸蔵剤５２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吸蔵剤５２のＮＯ_X吸収能力が飽和してしまい、斯くしてＮＯ_X吸蔵剤５２によりＮＯ_Xを吸収できなくなってしまう。そこで本実施形態ではＮＯ_X吸蔵剤５２の吸収能力が飽和する前に還元剤供給弁１９から還元剤を供給することによって流入排気ガスの空燃比を一時的にほぼ理論空燃比またはリッチ（以下、「ストイキ・リッチ」と称す）にし、それによってＮＯ_X吸蔵剤５２からＮＯ_Xを放出させるようにしている（ＮＯ_X放出処理）。

より詳細には、本実施形態では、ＮＯ_X吸蔵触媒１４のＮＯ_X吸蔵剤５２に吸蔵されている吸蔵ＮＯ_X量ΣＮＯＸが算出され、算出された吸蔵ＮＯ_X量ΣＮＯＸが予め定められた許容値ＮＸを越えたときに排気ガスの空燃比がリーンからリッチに切換えられ、それによってＮＯ_X吸蔵剤５２からＮＯ_Xが放出される。

単位時間当りに機関本体１から排出されるＮＯ_X量は燃料噴射量Ｑと機関回転数Ｎの関数であり、したがって単位時間当りにＮＯ_X吸蔵剤５２に吸蔵されるＮＯ_X吸蔵量ＮＯＸＡは燃料噴射量Ｑと機関回転数Ｎの関数となる。本実施形態では燃料噴射量Ｑと機関回転数Ｎに応じた単位時間当りのＮＯ_X吸蔵量ＮＯＸＡが予め実験により求められており、このＮＯ_X吸蔵量ＮＯＸＡが燃料噴射量Ｑと機関回転数Ｎの関数として図４（Ａ）に示すようにマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

一方、ＮＯ_X吸蔵剤５２へのＮＯ_X吸蔵率ＫＮは、ＮＯ_X吸蔵触媒１４および酸化触媒１２の酸化能力に応じて変わるため、ＮＯ_X吸蔵触媒１４の温度ＴＣと酸化触媒１２の温度ＴＯとに依存する。本実施形態では、ＮＯ_X吸蔵触媒１４の温度ＴＣと酸化触媒１２の温度ＴＯとに応じたＮＯ_X吸蔵率ＫＮが予め実験的に求められており、このＮＯ_X吸蔵率ＫＮがＮＯ_X吸蔵触媒１４の温度ＴＣと酸化触媒１２の温度ＴＯとの関数として図４（Ｂ）に示すようにマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

そして、単位時間当たりのＮＯ_X吸蔵剤５２への実際のＮＯ_X吸蔵量はＮＯＸＡとＮＯ_X吸蔵率ＫＮとの積ＮＯＸＡ・ＫＮで表わされ、この単位時間当たりの実際のＮＯ_X吸蔵量ＮＯＸＡ・ＫＮの積算値ΣＮＯＸがＮＯ_X吸蔵剤５２に吸蔵されている積算吸蔵ＮＯ_X量を表す。

ただし、ＮＯ_X吸蔵触媒１４が活性化しておらず且つ酸化触媒１２も活性化していない間、上述したように単位時間当たりのＮＯ_X吸蔵量は機関本体１から排出される排気ガス中のＮＯ₂量に応じて変わる。機関本体１から排出される排気ガス中のＮＯ₂量は燃料噴射量Ｑと機関回転数Ｎに加えて後述するＥＧＲ率や噴射時期の遅角量の関数である。本実施形態ではこれらパラメータに応じた単位時間当りのＮＯ₂吸蔵量ＮＯ２Ａが予め実験により求められ、マップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。そして、ＮＯ_X吸蔵触媒１４が活性化しておらず且つ酸化触媒１２も活性化していないときには、上述した単位時間当たりの実際のＮＯ_X吸蔵量ＮＯＸＡ・ＫＮの代わりに単位時間当たりのＮＯ₂吸蔵量ＮＯ２Ａが吸蔵ＮＯ_X量ΣＮＯＸに加算される。

なお、ＮＯ_X放出処理においては、還元剤供給弁１３から還元剤を供給することによって流入排気ガスの空燃比を一時的にストイキ・リッチにすると説明したが、本実施形態のように圧縮自着火式内燃機関を用いた場合、通常、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比のリーン度合は非常に大きく、したがって流入排気ガスの空燃比をストイキ・リッチにするためには多量の還元剤を還元剤供給弁１３から供給しなければならない。そこで、本実施形態では、例えば、多量のＥＧＲガスを燃焼室２に導入することで、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比のリーン度合を比較的小さくしている。

図５は、ＮＯ_X吸蔵触媒１４のＮＯ_X浄化能力を維持するための制御ルーチンを示しており、このルーチンは一定時間毎の割り込みによって実行される。

図５を参照すると、まず始めにステップ１０１において、図４（Ａ）に示したマップから単位時間当たりのＮＯ_X吸蔵量ＮＯＸＡと、図４（Ｂ）に示したマップからＮＯ_X吸蔵率ＫＮが算出される。次いで、ステップ１０２およびステップ１０３では、ＮＯ_X吸蔵触媒１４の温度ＴＣが設定温度Ｔｓｃ、例えば２００℃よりも低いか否かおよび酸化触媒１２の温度ＴＯが設定温度Ｔｓｏ、例えば２００℃よりも低いか否かがそれぞれ判定される。ＴＣ＜Ｔｓｃであって、ＴＯ＜Ｔｓｏであるとき、すなわちＮＯ_X吸蔵触媒１４および酸化触媒１２ともに活性化していないと判定されたときにはステップ１０４へと進んで、流量調整弁１８がバイパス位置へと回動され、維持される。これにより、機関本体１から排出された排気ガスは酸化触媒１２を介さずにＮＯ_X吸蔵触媒１４に流入せしめられ、よって酸化触媒１２において排気ガス中のＮＯ₂がＮＯに還元されてしまうのが防止される。次いで、ステップ１０５では、マップから単位時間当たりのＮＯ₂吸蔵量ＮＯ２Ａが算出される。ステップ１０６では、単位時間当たりのＮＯ₂吸蔵量ＮＯ２ＡをΣＮＯＸに加算することによってＮＯ_X吸蔵触媒１４に吸蔵されている積算吸蔵ＮＯ_X量ΣＮＯＸが算出される。

ステップ１０２および１０３において、ＴＣ＜Ｔｓｃであって、ＴＯ≧Ｔｓｏであると判定されたとき、すなわちＮＯ_X吸蔵触媒１４は活性化していないが酸化触媒１２は活性化していると判定されたときには、ステップ１０７へと進み、ステップ１０１で算出された単位時間当たりのＮＯ_X吸蔵量ＮＯＸＡとＮＯ_X吸蔵率とを用いて、単位時間当たりの実際のＮＯ_X吸蔵量ＮＯＸＡ・ＫＮがΣＮＯＸに加算され、積算吸蔵ＮＯ_X量ΣＮＯＸが算出される。

ステップ１０２において、ＴＣ≧Ｔｓｃであると判定されたとき、すなわちＮＯ_X吸蔵触媒１４が活性化していると判定されたときには、ステップ１０８へと進み、ステップ１０７と同様に積算吸蔵ＮＯ_X量ΣＮＯＸが算出される。次いで、ステップ１０８において算出された積算吸蔵ＮＯ_X量ΣＮＯＸが許容値ＮＸを越えたか否かが判定される。ΣＮＯＸ＜ＮＸのときには制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ΣＮＯＸ≧ＮＸのときにはステップ１１０へと進んでＮＯ_X放出処理が開始される。

図６は、図５のステップ１１０で開始されるＮＯ_X放出処理の処理ルーチンを示している。

図６を参照すると、まず初めにステップ１２１において排気ガスの空燃比を例えば１３程度のリッチ空燃比とするのに必要な還元剤の供給量が算出される。次いでステップ１２２では還元剤の供給時間が算出される。この還元剤の供給時間は通常１０秒以下である。次いでステップ１２３では還元剤供給弁１３からの還元剤の供給が開始される。次いでステップ１２４ではステップ１２２において算出された還元剤の供給時間が経過したか否かが判別される。還元剤の供給時間が経過していないときにはステップ１２４に戻る。このとき還元剤の供給が続行され、排気ガスの空燃比が１３程度のリッチ空燃比に維持される。これに対し、還元剤の供給時間が経過したとき、すなわちＮＯ_X吸蔵剤５２からのＮＯ_X放出作用が完了したときにはステップ１２５に進んで還元剤の供給が停止され、次いでステップ１２６に進んでΣＮＯＸがクリアされる。

なお、ＮＯ_X吸蔵触媒１４および酸化触媒１２が活性化していない場合には、流量調整弁１８をバイパス位置へと回動させ且つバイパス位置に維持することに加えて、リーン空燃比のもとで燃焼を行ったときに発生する全窒素酸化物ＮＯ_Xに対する二酸化窒素ＮＯ₂の割合（以下、「ＮＯ₂の割合」と称す）を同一の機関運転状態、即ち同一回転数、同一トルクにおけるＮＯ_X吸蔵触媒１４活性時に比べて増大させる（ＮＯ₂割合増大処理）ようにしてもよい。

このＮＯ₂の割合（＝ＮＯ₂の量／ＮＯ_xの量）は、緩慢な燃焼を行わせると増大することが判明しており、例えば燃料噴射時期を遅角するか、ＥＧＲガス量を増大するか、パイロット噴射を行うか、または予混合気燃焼を行うかの少なくともいずれか一つを行うと燃焼が緩慢となる。そこで、ＮＯ_X吸蔵触媒１４および酸化触媒１２が活性化していない場合には、同一の機関運転状態におけるＮＯ_X吸蔵触媒１４または酸化触媒１２の活性時に比べて緩慢な燃焼を行わせてもよい。

次に図１に示されるＮＯ_X吸蔵触媒１４がパティキュレートフィルタ（以下、「フィルタ」と称す）からなる場合について説明する。

図７（Ａ）および（Ｂ）にこのフィルタ１４の構造を示す。なお、図７（Ａ）はフィルタ１４の正面図を示しており、図７（Ｂ）はフィルタ１４の側面断面図を示している。図７（Ａ）および（Ｂ）に示されるようにフィルタ１４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７（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。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が四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が四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。

フィルタ１４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、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７（Ｂ）において矢印で示したように周囲の隔壁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吸蔵触媒をパティキュレートフィルタから構成した場合には、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、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はアルミナからなる触媒担体の層が形成されており、図２（Ａ）、（Ｂ）に示したようにこの触媒担体５０上には触媒貴金属５１とＮＯ_X吸蔵剤５２とが担持されている。なお、この場合も触媒貴金属として白金Ｐｔが用いられている。このようにＮＯ_X吸蔵触媒をパティキュレートフィルタから構成した場合でもＮＯ_X吸蔵触媒が活性化していないときには排気ガス中のＮＯ₂がＮＯ_X吸蔵触媒に吸蔵される。なお、この場合にも図５および図６に示すＮＯ_X吸蔵触媒１４に対するＮＯ_X放出処理と同様のＮＯ_X放出処理が行われる。

また、ＮＯ_X吸蔵触媒をパティキュレートフィルタから構成した場合には、排気ガス中に含まれる粒子状物質がフィルタ１４内に捕獲され、捕獲された粒子状物質は排気ガス熱によって順次燃焼せしめられる。多量の粒子状物質がフィルタ１４上に推積した場合には、機関本体１から排出される排気ガスの温度を高くしたり、還元剤供給弁１９から還元剤を供給して酸化触媒１２やフィルタ１４で燃焼させたりして、フィルタ１４を昇温することで、推積したパティキュレートが着火燃焼せしめられる。

図８および図９に、本発明の第二実施形態を示す。第二実施形態における内燃機関は基本的に第一実施形態と同様であり、同様な構成要素には同一の参照番号を付している。第二実施形態の内燃機関では、排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂよりも下流側の排気通路が第一実施形態とは異なっており、排気浄化器７０が設けられている。また、還元剤供給弁も第一実施形態とは異なる位置に設けられている。

図９は、図８に示した排気浄化器７０を模式的に示した説明図であり、図９（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ流量調整弁７４が第一作動位置、第二作動位置、中立作動位置にある場合を示している。また、これら図中の矢印は排気ガスの流れを示す。

図９に示したように排気浄化器７０は、基幹排気管（基幹通路）７１ａ、７１ｅと、基幹排気管７１ａ、７１ｅに連結された環状分岐管（環状通路）７１ｃ、７１ｄとを備えている。環状分岐管７１ｃ、７１ｄは、酸化触媒１２と、上述したＮＯ_X吸蔵触媒１４とを内蔵したケーシング７２の両側にそれぞれ連結されている。そして、基幹排気管７１ａ、７１ｅと環状分岐管７１ｃ、７１ｄの連結部分には分岐部７１ｂが設けられ、環状分岐管７１ｃ、７１ｄは分岐部７１ｂから分岐して再び分岐部７１ｂに戻る。

基幹排気管７１ａ、７１ｅは分岐部７１ｂよりも排気上流側の上流側部分排気管７１ａと分岐部７１ｂよりも排気下流側の下流側部分排気管７１ｅとから成り、環状分岐管７１ｃ、７１ｄは分岐部７１ｂとケーシング７２の一方の側とを連結する第一部分環状分岐管７１ｃと、分岐部７１ｂとケーシング７２の他方の側とを連結する第二部分環状分岐管７１ｄとから成る。第一部分環状分岐管７１ｃには、酸化触媒１２に流入する排気ガス中に例えば炭化水素からなる還元剤を供給するための還元剤供給弁７５が配置される。

分岐部７１ｂには流量調整弁７４が設けられる。流量調整弁７４の作動は、対応する駆動回路３８を介してＥＣＵ３０の出力ポート３７に接続された流量調整弁用ステップモータ７５により制御される。流量調整弁７４は分岐部７１ｂの中心周りで連続的に回動し、基幹排気管７１ａ、７１ｅの軸線に対して角度θが変化し、これにより上流側部分排気管７１ａから分岐部７１ｂに流入する排気ガスのうち第一部分環状分岐管７１ｃまたは第二部分環状分岐管７１ｄ、および下流側部分排気管７１ｅに流入する排気ガスの流量が調整される。

特に、流量調整弁７４は大別して角度の異なる三つの作動位置間で回動する。これら三つの作動位置とは、図９（Ａ）に示した第一作動位置と、図９（Ｂ）に示した第二作動位置と、図９（Ｃ）に示した中立作動位置とである。流量調整弁７４が図９（Ａ）に示した第一作動位置にある場合、上流側部分排気管７１ａから分岐部７１ｂに流入する排気ガスの大部分は第一部分環状分岐管７１ｃに流入し、ケーシング７２内を酸化触媒１２、ＮＯ_X吸蔵触媒１４の順に通過して第二部分環状分岐管７１ｄに流れ、再び分岐部７１ｂに戻る。第二部分環状分岐管７１ｄから分岐部７１ｂに再び戻った排気ガスは全て下流側部分排気管７１ｅへと流出する。なお、以下では排気ガスが酸化触媒１２、ＮＯ_X吸蔵触媒１４の順に流れる方向を順方向として説明する。

また、流量調整弁７４が図９（Ｂ）に示した第二作動位置にある場合、上流側部分排気管７１ａから分岐部７１ｂに流入する排気ガスの大部分は第二部分環状分岐管７１ｄに流入し、ケーシング７２内をＮＯ_X吸蔵触媒１４、酸化触媒１２の順に通過して第一部分環状分岐管７１ｃに流れ、再び分岐部７１ｂに戻る。第一部分環状分岐管７１ｃから分岐部７１ｂに再び戻った排気ガスは全て下流側部分排気管７１ｅへと流出する。なお、以下では排気ガスがＮＯ_X吸蔵触媒１４、酸化触媒１２の順に流れる方向を逆方向として説明する。

さらに、流量調整弁７４が図９（Ｃ）に示した中立作動位置にある場合、上流側部分排気管７１ａから分岐部７１ｂに流入した排気ガスの大部分は環状分岐管７１ｃ、７１ｄに流入せずに直接下流側部分排気管７１ｅに流入する。すなわち、流量調整弁７４が中立作動位置にあると、排気ガスは酸化触媒１２およびＮＯ_X吸蔵触媒１４を通過することなく下流側排気管７１ｅへと流出する。

本実施形態のＮＯ_X放出処理では、ＮＯ_X吸蔵触媒１４が活性化しているときに、少量の排気ガスが環状分岐管７１ｃ、７１ｄを順方向に流れ、残りのほとんどの排気ガスが環状分岐管７１ｃ、７１ｄに流入せずに下流側排気管７１ｅに直接流れるように流量調整弁が制御される。そして、還元剤添加弁７３から、ＮＯ_X吸蔵触媒１４への流入排気ガスの空燃比がストイキ・リッチとなるように少量の還元剤が添加される。還元剤が添加された排気ガスが酸化触媒１２に流入すると、機関本体１から排出された未燃のＨＣおよび還元剤添加弁７３から添加された還元剤と酸素とが反応し、ＮＯ_X吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの酸素濃度が低下せしめられる。これにより、ＮＯ_X吸蔵触媒１４に吸蔵されているＮＯ_Xが放出され、還元剤または燃料により還元される。

ここで、上述した第一実施形態では、ＮＯ_X放出処理を実行する際に、例えば燃焼室２へ多量のＥＧＲガスを流入させることで、ＮＯ_X吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの流量を少なくし、ＮＯ_X放出処理に必要な還元剤の量を少なくしていた。本実施形態では、流量調整弁７４の作動位置が少量の排気ガスが環状分岐管７１ｃ、７１ｄを順方向に流れるような位置とされるため、燃焼室２へ多量のＥＧＲガスを流入させることなくＮＯ_X吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの流量を少なくすることができる。燃焼室２へ多量のＥＧＲガスを流入させることは、例えば機関運転状態が高負荷高回転にあるとき等、実行できないときがあり、したがって第一実施形態では機関運転状態によってＮＯ_X放出処理を行うことができないが、本実施形態では基本的にいつでもＮＯ_X放出処理を行うことができる。

ところで、上述したように、ＮＯ_X吸蔵触媒１４および酸化触媒１２が活性化してないときには、酸化触媒１２を介さずにＮＯ_X吸蔵触媒１４に排気ガスを流入させることで、酸化触媒１２によるＮＯ₂からＮＯへの還元を防止することができる。そこで、本実施形態では、ＮＯ_X吸蔵触媒１４および酸化触媒１２が活性化していないときには、機関本体１から排出された排気ガスが環状分岐管７１ｃ、７１ｄを逆方向に流れるように流量調整弁７４の作動位置が第二作動位置とされる。排気ガスが環状分岐管７１ｃ、７１ｄを逆方向に流れるときには、排気ガスはＮＯ_X吸蔵触媒１４、酸化触媒１２の順に流れるため、ＮＯ_X吸蔵触媒１４には酸化触媒１２を介さずに排気ガスが流入し、よって排気ガス中のＮＯ₂がＮＯに還元されるのが抑制せしめられる。これにより、ＮＯ_X吸蔵触媒１４および酸化触媒１２が活性化していないときであっても、ＮＯ_X吸蔵触媒１４によるＮＯ_Xの浄化率を高く維持することができる。

なお、本実施形態においても、第一実施形態と同様に、ＮＯ_X吸蔵触媒１４および酸化触媒１２が活性化していない場合には、流量調整弁７４の作動位置を第二作動位置にすることに加えて、ＮＯ_X吸蔵触媒１４または酸化触媒１２の活性時に比べて緩慢な燃焼を行わせてもよい。また、本実施形態のＮＯ_X吸蔵触媒１４はパティキュレートフィルタであってもよい。

図１０に、本発明の第三実施形態を示す。第三実施形態における内燃機関は基本的に第一実施形態と同様であり、同様な構成要素には同一の参照番号を付している。本実施形態では、ＮＯ_X吸蔵触媒１４の上流側に、酸化触媒の代わりにＨＣ吸着剤８１が設けられる。ＨＣ吸着材８１は、ゼオライトで構成されており、その温度が放出開始温度（例えば、２００℃）のよりも低い場合にはＨＣ吸着材８１に流入する炭化水素（ＨＣ）を吸着し、放出開始温度以上となると吸着しているＨＣを放出する。また、バイパス管や流量調整弁は設けられず、ＨＣ吸着材８１とＮＯ_X吸蔵触媒１４との間の排気管１１に還元剤添加弁８２が設けられている。

本実施形態の圧縮自着火式内燃機関では、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比は基本的にリーンであるが、排気ガス中には未燃の炭化水素ＨＣ等が全く存在しないわけではなく、多少の炭化水素ＨＣが存在する。また、上記説明ではＮＯ₂割合増大処理として燃料噴射時期を遅角すること、ＥＧＲガス量を増大すること、パイロット噴射を行うこと、または予混合燃焼を行うことが挙げられているが、このようなＮＯ₂割合増大処理を行った場合には、排気ガス中のＮＯ₂の割合（＝ＮＯ₂の量／ＮＯ_xの量）が増大するだけでなく、排気ガス中のＨＣの量も増大する。

例えば、ＨＣ吸着材８１が設けられておらず且つ機関本体１から排出された排気ガスが直接ＮＯ_X吸蔵触媒１４に流入するようになっている場合、上述した機関本体１から排出された排気ガス中の炭化水素ＨＣはＮＯ₂をＮＯに還元してしまう。したがって、この場合、ＮＯ_X吸蔵触媒１４が活性化していないと、排気ガス中のＮＯ₂の割合が少なくなってしまい、結果としてＮＯ_X吸蔵触媒１４によるＮＯ_Xの浄化率が悪化してしまう。

一方、本実施形態では、内燃機関の冷間始動時等、ＮＯ_X吸蔵触媒１４が活性化していない場合、ＨＣ吸着材８１の温度も放出開始温度以下であり、よって機関本体１から排出された排気ガス中の炭化水素ＨＣはＨＣ吸着材８１に吸着せしめられる。これにより、排気ガス中のＮＯ₂がＮＯに還元されるのが抑制され、ＮＯ_X吸蔵触媒１４によるＮＯ_X浄化率を高く維持することができる。

なお、ＨＣ吸着材８１の放出開始温度は、ゼオライトを合成する際のシリカとアルミナとの比率に応じて異なり、よって製造時にシリカとアルミナとの比率を調整することでＨＣ吸着剤８１の放出開始温度を調整することができる。本実施形態では、ＨＣ吸着材８１の放出開始温度は、ＮＯ_X吸蔵触媒１４の活性温度よりも高い温度となるように調整される。これにより、ＮＯ_X吸蔵触媒１４が流入排気ガス中の一酸化窒素ＮＯを二酸化窒素ＮＯ₂に酸化して吸蔵することができるようになってから、ＨＣ吸着材８１から炭化水素ＨＣが放出される。

なお、第三実施形態における排気浄化装置は、第一実施形態および第二実施形態における排気浄化装置と組み合わせることができる。例えば、第一実施形態における排気浄化装置と組み合わせた場合、バイパス管１７上にＨＣ吸着材を設け、ＮＯ_X吸蔵触媒１４が活性化していないときに排気ガスがＨＣ吸着材を通ってＮＯ_X吸蔵触媒１４に流入するようにすることによって、流入排気ガス中のＮＯ₂の割合の低下を抑制することができる。また、第二実施形態における排気浄化装置と組み合わせた場合、ＨＣ吸着材をケーシング７２内であってＮＯ_X吸蔵触媒１４に対して酸化触媒１２の反対側に配置する（すなわち、ケーシング７２内に酸化触媒１２、ＮＯ_X吸蔵触媒１４、ＨＣ吸着材の順に配列する）ことにより、ＮＯ_X吸蔵触媒１４が活性化していないときに排気ガスがＨＣ吸着材を通ってＮＯ_X吸蔵触媒１４に流入するようになるため、流入排気ガス中のＮＯ₂の割合の低下を抑制することができる。

内燃機関全体を示す図である。 ＮＯ_X吸蔵触媒の吸蔵作用を説明するための図である。 白金による酸化能力および還元能力を示す図である。 吸蔵ＮＯ_X量を算出するためのマップを示す図である。 ＮＯ_X吸蔵触媒のＮＯ_X浄化能力維持制御のフローチャートである。 ＮＯ_X放出処理を行うためのフローチャートである。 パティキュレートフィルタを示す図である。 第二実施形態における内燃機関全体を示す図である。 排気浄化器を示す図である。 第三実施形態における内燃機関全体を示す図である。

符号の説明

３…燃料噴射弁
４…吸気マニホルド
５…排気マニホルド
１２…酸化触媒
１４…ＮＯ_X吸蔵触媒
１７…バイパス管
１８…流量調整弁

Claims (7)

1. 機関排気通路内に貴金属とＮＯ_X吸蔵剤とを有するＮＯ_X吸蔵触媒が配置され、該ＮＯ_X吸蔵触媒が活性化していないときにはＮＯ_X吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中に含まれる二酸化窒素ＮＯ₂がＮＯ_X吸蔵剤に吸蔵され、該ＮＯ_X吸蔵触媒が活性化しているときにはＮＯ_X吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中に含まれる窒素酸化物ＮＯ_XがＮＯ_X吸蔵剤に吸蔵されるとともにＮＯ_X吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチになると吸蔵されている窒素酸化物ＮＯ_XがＮＯ_X吸蔵剤から放出され、ＮＯ_X吸蔵触媒が活性化していないときには機関から排出された排気ガス中の二酸化窒素ＮＯ₂が一酸化窒素ＮＯに還元されるのを抑制する還元抑制手段をＮＯ_X吸蔵触媒の上流側の排気通路に具備し、
   機関排気通路内であって上記ＮＯ _X 吸蔵触媒の上流側に配置され且つ貴金属を担持した酸化触媒と、該酸化触媒をバイパスするためのバイパス通路と、前記酸化触媒に流入する排気ガスの流量と上記バイパス通路に流入する排気ガスの流量とを調整する流量調整弁とをさらに具備し、上記ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化していないときには、上記還元抑制手段は機関から排出された排気ガスのほぼ全てがバイパス通路に流入するように流量調整弁を制御する、内燃機関の排気浄化装置。
2. 機関排気通路内に貴金属とＮＯ _X 吸蔵剤とを有するＮＯ _X 吸蔵触媒が配置され、該ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化していないときにはＮＯ _X 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中に含まれる二酸化窒素ＮＯ ₂ がＮＯ _X 吸蔵剤に吸蔵され、該ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化しているときにはＮＯ _X 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中に含まれる窒素酸化物ＮＯ _X がＮＯ _X 吸蔵剤に吸蔵されるとともにＮＯ _X 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチになると吸蔵されている窒素酸化物ＮＯ _X がＮＯ _X 吸蔵剤から放出され、ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化していないときには機関から排出された排気ガス中の二酸化窒素ＮＯ ₂ が一酸化窒素ＮＯに還元されるのを抑制する還元抑制手段をＮＯ _X 吸蔵触媒の上流側の排気通路に具備し、
   上記機関排気通路は、基幹通路と、両端が該基幹通路上の分岐部に連結された環状通路と、該環状通路を一方の方向におよび該一方の方向とは反対方向に流れる排気ガスの流量と該環状通路に流入せずに基幹通路を流れる排気ガスの流量とを調整する流量調整弁とを具備し、上記ＮＯ_X吸蔵触媒が環状通路内に設けられると共に貴金属を担持した酸化触媒が上記環状通路内であってＮＯ_X吸蔵触媒の一方の側に配置され、上記ＮＯ_X吸蔵触媒が活性していないときには、上記還元抑制手段は機関から排出された排気ガスのほぼ全てが環状通路をＮＯ_X吸蔵触媒、酸化触媒の順に流れるように流量調整弁を制御する、内燃機関の排気浄化装置。
3. 上記ＮＯ_X吸蔵触媒が活性化していないときであっても上記酸化触媒が活性化しているときには、上記還元抑制手段による流量調整弁の制御が中止される、請求項１または２に記載の内燃機関に排気浄化装置。
4. 機関排気通路内に貴金属とＮＯ _X 吸蔵剤とを有するＮＯ _X 吸蔵触媒が配置され、該ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化していないときにはＮＯ _X 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中に含まれる二酸化窒素ＮＯ ₂ がＮＯ _X 吸蔵剤に吸蔵され、該ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化しているときにはＮＯ _X 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中に含まれる窒素酸化物ＮＯ _X がＮＯ _X 吸蔵剤に吸蔵されるとともにＮＯ _X 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチになると吸蔵されている窒素酸化物ＮＯ _X がＮＯ _X 吸蔵剤から放出され、ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化していないときには機関から排出された排気ガス中の二酸化窒素ＮＯ ₂ が一酸化窒素ＮＯに還元されるのを抑制する還元抑制手段をＮＯ _X 吸蔵触媒の上流側の排気通路に具備し、
   上記還元抑制手段は、機関排気通路内であってＮＯ_X吸蔵触媒の上流側に配置されたＨＣ吸着材を有し、該ＨＣ吸着材は、放出開始温度よりも低い場合にはＨＣ吸着材に流入する排気ガス中に含まれる炭化水素ＨＣを吸着し、放出開始温度以上の場合にはＨＣ吸着材に吸着している炭化水素ＨＣを放出し、上記放出開始温度は上記ＮＯ_X吸蔵触媒が活性化する温度よりも高く、上記ＮＯ_X吸蔵触媒が活性化していないときにはＨＣ吸着材によって機関から排出された排気ガス中の炭化水素ＨＣが吸着されることで排気ガス中の炭化水素ＨＣによって二酸化窒素ＮＯ₂が一酸化窒素ＮＯに還元されることが抑制される、内燃機関の排気浄化装置。
5. 機関排気通路内に貴金属とＮＯ _X 吸蔵剤とを有するＮＯ _X 吸蔵触媒が配置され、該ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化していないときにはＮＯ _X 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中に含まれる二酸化窒素ＮＯ ₂ がＮＯ _X 吸蔵剤に吸蔵され、該ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化しているときにはＮＯ _X 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中に含まれる窒素酸化物ＮＯ _X がＮＯ _X 吸蔵剤に吸蔵されるとともにＮＯ _X 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチになると吸蔵されている窒素酸化物ＮＯ _X がＮＯ _X 吸蔵剤から放出され、ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化していないときには機関から排出された排気ガス中の二酸化窒素ＮＯ ₂ が一酸化窒素ＮＯに還元されるのを抑制する還元抑制手段をＮＯ _X 吸蔵触媒の上流側の排気通路に具備し、
   機関排気通路内であって上記ＮＯ_X吸蔵触媒の上流側に配置され且つ貴金属を担持した酸化触媒と、該酸化触媒をバイパスするためのバイパス通路と、前記酸化触媒に流入する排気ガスの流量と上記バイパス通路に流入する排気ガスの流量とを調整する流量調整弁とをさらに具備し、上記バイパス通路上にはＨＣ吸着材が設けられ、該ＨＣ吸着材は、放出開始温度よりも低い場合にはＨＣ吸着材に流入する排気ガス中に含まれる炭化水素ＨＣを吸着し、放出開始温度以上の場合にはＨＣ吸着材に吸着している炭化水素ＨＣを放出し、上記ＮＯ_X吸蔵触媒が活性化していないときには、上記還元抑制手段は機関から排出された排気ガスのほぼ全てがバイパス通路に流入するように流量調整弁を制御する、内燃機関の排気浄化装置。
6. 機関排気通路内に貴金属とＮＯ _X 吸蔵剤とを有するＮＯ _X 吸蔵触媒が配置され、該ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化していないときにはＮＯ _X 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中に含まれる二酸化窒素ＮＯ ₂ がＮＯ _X 吸蔵剤に吸蔵され、該ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化しているときにはＮＯ _X 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中に含まれる窒素酸化物ＮＯ _X がＮＯ _X 吸蔵剤に吸蔵されるとともにＮＯ _X 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がほぼ理論空燃比またはリッチになると吸蔵されている窒素酸化物ＮＯ _X がＮＯ _X 吸蔵剤から放出され、ＮＯ _X 吸蔵触媒が活性化していないときには機関から排出された排気ガス中の二酸化窒素ＮＯ ₂ が一酸化窒素ＮＯに還元されるのを抑制する還元抑制手段をＮＯ _X 吸蔵触媒の上流側の排気通路に具備し、
   上記機関排気通路は、基幹通路と、両端が該基幹通路上の分岐部に連結された環状通路と、該環状通路を一方の方向におよび該一方の方向とは反対方向に流れる排気ガスの流量と該環状通路に流入せずに基幹通路を流れる排気ガスの流量とを調整する流量調整弁とを具備し、上記ＮＯ_X吸蔵触媒が環状通路内に設けられると共に貴金属を担持した酸化触媒が上記環状通路内であってＮＯ_X吸蔵触媒の一方の側に配置され、さらにＨＣ吸着材が上記環状通路内であってＮＯ_X吸蔵触媒の上記一方の側とは反対側に配置され、該ＨＣ吸着材は、放出開始温度よりも低い場合にはＨＣ吸着材に流入する排気ガス中に含まれる炭化水素ＨＣを吸着し、放出開始温度以上の場合にはＨＣ吸着材に吸着している炭化水素ＨＣを放出し、上記ＮＯ_X吸蔵触媒が活性化していないときには、上記還元抑制手段は機関から排出された排気ガスのほぼ全てが環状通路をＨＣ吸着材、ＮＯ_X吸蔵触媒、酸化触媒の順に流れるように流量調整弁を制御する、内燃機関の排気浄化装置。
7. ＮＯ_X吸蔵触媒が活性化していないときにはリーン空燃比のもとで燃焼を行ったときに発生する一酸化窒素ＮＯに対する二酸化窒素ＮＯ₂の割合を増大させるＮＯ₂割合増大手段をさらに具備する請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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