(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空燃比リーン状態で燃焼させる内燃機関から排出される排気ガスを排気通路に通し、排気通路に設けた触媒により浄化する内燃機関の排気浄化装置において、
排気通路が途中で第１排気通路と第２排気通路に分岐され、
排気ガス温度が高温から低温に変化している時には第２排気通路に排気ガスを流通させ、それ以外の時には第１排気通路に排気ガスを流通させるように排気ガスの流路を切り換える流路切り換え手段と、
第１排気通路に設けられ、流入排気ガスの空燃比がリーンの時にＮＯｘを吸収し流入排気ガスの酸素濃度が低下した時に吸収したＮＯｘを放出する吸蔵還元型触媒と、
第２排気通路に設けられ、酸素過剰の雰囲気で炭化水素の存在下でＮＯｘを還元または分解する選択還元型触媒と、
吸蔵還元型触媒に吸収されているＮＯｘを放出還元させるべく、第２排気通路に排気ガスを流通させている間に吸蔵還元型触媒に還元剤を添加する還元剤添加手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空燃比リーンの状態で燃焼させる内燃機関の排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
流入排気ガスの空燃比がリーンの時にＮＯｘを吸収し流入排気ガスの酸素濃度が低下した時に吸収したＮＯｘを放出する吸蔵還元型触媒は、ＮＯｘ浄化率が高いことから、近年、空燃比リーンの状態で燃焼させる内燃機関から排出される排気ガスのＮＯｘ浄化に多用されている。
【０００３】
例えば、特開平６−５０１３２号公報には、排気管を複数の分岐排気管に並列に分岐して、それぞれの分岐排気管にＮＯｘ浄化率がピークとなる温度領域が互いに異なる吸蔵還元型触媒を収納し、排気ガス温度に応じて排気ガスの流路を切り換えていずれかの排気分岐管の吸蔵還元型触媒に排気ガスを流通させることによって、ＮＯｘ浄化率の向上を図った排気浄化装置が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、たとえＮＯｘ浄化率がピークとなる温度領域を異にするといっても、吸蔵還元型触媒のＮＯｘ浄化のメカニズムは同じであり同一特性を有しているため、排気ガス温度に応じて流路を切り換えて触媒を使い分けたとしても、ＮＯｘ浄化率を向上させるには限界があった。
【０００５】
また、吸蔵還元型触媒はＮＯｘを吸収し続けると飽和して吸収不能になるので、吸収したＮＯｘを適当なタイミングで放出・還元させなければならず、そのためにそれぞれの吸蔵還元型触媒に還元剤を添加する手段を設け、再生処理の制御を行う必要があり、システム全体が複雑になるという不具合もあった。
【０００６】
本発明はこのような従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、機関の運転状態に応じて吸蔵還元型触媒と選択還元型触媒を使い分けるようにして、ＮＯｘ浄化率の向上と排気浄化システムの簡素化を図ることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。
本発明は、空燃比リーン状態で燃焼させる内燃機関から排出される排気ガスを排気通路に通し、排気通路に設けた触媒により浄化する内燃機関の排気浄化装置において、排気通路が途中で第１排気通路と第２排気通路に分岐され、排気ガス温度が高温から低温に変化している時には第２排気通路に排気ガスを流通させ、それ以外の時には第１排気通路に排気ガスを流通させるように排気ガスの流路を切り換える流路切り換え手段と、第１排気通路に設けられ、流入排気ガスの空燃比がリーンの時にＮＯｘを吸収し流入排気ガスの酸素濃度が低下した時に吸収したＮＯｘを放出する吸蔵還元型触媒と、第２排気通路に設けられ、酸素過剰の雰囲気で炭化水素の存在下でＮＯｘを還元または分解する選択還元型触媒と、吸蔵還元型触媒に吸収されているＮＯｘを放出還元させるべく、第２排気通路に排気ガスを流通させている間に吸蔵還元型触媒に還元剤を添加する還元剤添加手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。
【０００８】
排気ガスが高温から低温に変化している時には、排気ガスは流路切り換え手段により第２排気通路に流され、排気ガス中のＮＯｘは選択還元型触媒により還元される。
【０００９】
排気ガスが高温から低温に変化している以外の時には、排気ガスは流路切り換え手段により第１排気通路に流され、排気ガス中のＮＯｘは吸蔵還元型触媒に吸収される。この吸蔵還元型触媒に吸収されたＮＯｘは、排気ガスが第２排気通路に流されている時に、還元剤添加手段から添加される還元剤によって放出・還元され、吸蔵還元型触媒はＮＯｘ吸収可能な状態に再生される。
【００１０】
内燃機関としては、ディーゼルエンジンやリーンバーンガソリンエンジンを例示することができる。第１排気通路と第２排気通路はそれぞれ一つに限るものではなく、それぞれの排気通路について複数並列に設けてもよい。
【００１１】
本発明の内燃機関の排気浄化装置においては、「排気ガスが高温から低温に変化している時」は「内燃機関の非加速状態」とし、「排気ガスが高温から低温に変化している以外の時」は「内燃機関の加速状態」とすることができる。また、実際に排気ガス温度を温度検出手段により検出して排気ガス温度の変化を判定するようにしてもよい。
【００１２】
本発明の内燃機関の排気浄化装置においては、排気ガスを第２排気通路に流通させている時に、選択還元型触媒よりも上流で排気ガス中に還元剤を添加する第２の還元剤添加手段を付加することが可能である。その場合において、第２の還元剤添加手段は、内燃機関が膨張行程の時に燃焼室に還元剤（燃料）を噴射する膨張行程噴射により実現することも可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の内燃機関の排気浄化装置の一実施の形態を図１から図７の図面に基いて説明する。尚、この実施の形態は内燃機関としてディーゼルエンジンを使用した態様である。
【００１４】
図１は車両用ディーゼルエンジンの排気浄化装置を示しており、空気は吸気管２から吸気マニホールド３を介してディーゼル機関本体１の各気筒の燃焼室に導入される。燃料リザーバタンク４の燃料は吐出圧制御可能な燃料供給ポンプ５によって吸い上げられ、燃料供給管６を介して燃料蓄圧管７に供給される。燃料蓄圧管７はその内部に容積一定の蓄圧室８を有し、燃料供給ポンプ５から吐出された高圧の燃料はこの蓄圧室８内に蓄積される。この蓄圧室８内の燃料は燃料供給管１９を介して各気筒の燃料噴射弁９に供給され、所定のタイミングで各気筒の燃焼室に噴射される。また、各燃料噴射弁９は燃料戻し導管１０を介して燃料リザーバタンク４に連結されている。
【００１５】
機関本体１の各気筒から排出される排気ガスは排気マニホールド１１、排気管（排気通路）１２を順に通って排出される。排気管１２は、途中で二股に別れて第１排気管（第１排気通路）１２ａと第２排気管（第２排気通路）１２ｂとなり、再び合流して１本の排気管１２となるように構成されている。
【００１６】
第１排気管１２ａには吸蔵還元型触媒を備えた第１触媒コンバータ２１が設けられ、第２排気管１２ｂには選択還元型触媒を備えた第２触媒コンバータ２２が設けられている。吸蔵還元型触媒と選択還元型触媒については後で詳述する。
【００１７】
排気管１２において第１排気管１２ａと第２排気管１２ｂに分岐する部分には、排気ガスの流路を切り換えるためのダンパ型の切り換え弁２０が設けられている。この切り換え弁２０は、弁駆動装置２３によって駆動され、第１排気管１２ａと第２排気管１２ｂのいずれか一方を開き他方を閉ざすように位置せしめられる。即ち、排気ガスを第１排気管１２ａに流通させる時には第２排気管１２ｂを閉ざし、排気ガスを第２排気管１２ｂに流通させる時には第１排気管１２ａを閉ざす。
【００１８】
第１排気管１２ａの内部であって第１触媒コンバータ２１の上流には、第１触媒コンバータ２１に還元剤としての燃料を噴射する噴射ノズル２４が設けられている。
【００１９】
この噴射ノズル２４は還元剤配管２９を介して蓄圧管７に接続されており、還元剤配管２９の途中には、弁駆動装置３０によって開閉動作せしめられる還元剤弁３１が設けられている。還元剤弁３１は予め所定流量が流れるように開度設定されている。
【００２０】
第１排気管１２ａにおける第１触媒コンバータ２１の下流は排気還流管２５を介して吸気管２に接続されており、排気還流管２５の途中には弁駆動装置２６によって駆動される排気還流制御弁（以下、ＥＧＲ弁と略す）２７が設けられている。
【００２１】
エンジンコントロール用の電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと略す）５０はデジタルコンピュータからなり、双方向バスによって相互に接続されたＲＯＭ（リードオンメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＣＰＵ（セントラルプロセッサユニット）、入力ポート、出力ポートを具備し、エンジンの燃料噴射量制御等の基本制御を行うほか、この実施の形態では排気浄化装置の運転制御を行っている。
【００２２】
燃料蓄圧管７の端部には、蓄圧室８内の燃料圧を検出しこの燃料圧に比例した出力電圧を発生する燃料圧センサ１３が取り付けられ、アクセルペダル１６には、アクセル開度を検出しこのアクセル開度に比例した出力電圧を発生するアクセル開度センサ１７が取り付けられ、第２排気管１２ｂ内における第２触媒コンバータ２２の下流には、第２触媒コンバータ２２出口の排気ガス温度（出ガス温度）を検出しその温度に比例した出力電圧を発生する出ガス温度センサ１８が取り付けられている。これら燃料圧センサ１３、アクセル開度センサ１７、出ガス温度センサ１８はそれぞれの出力信号をＥＣＵ５０に出力する。そして、ＥＣＵ５０はアクセル開度センサ１７の出力信号に基づいて機関負荷Ｌを演算する。
【００２３】
また、機関クランクシャフトには一対のディスク３２，３３が取り付けられ、これらディスク３２，３３の歯付外周面に対向して一対のクランク角センサ３４，３５が配置されている。一方のクランク角センサ３４は例えば１番気筒が吸気上死点にあることを示す出力パルスをＥＣＵ５０に出力し、このクランク角センサ３４の出力パルスからＥＣＵ５０はいずれの気筒の燃料噴射弁９を作動せしめるかを決定する。他方のクランク角センサ３５はクランクシャフトが一定角度回転する毎に出力パルスをＥＣＵ５０に出力し、このクランク角センサ３５の出力パルスからＥＣＵ５０は機関回転速度Ｎを計算する。
【００２４】
また、弁駆動装置２３，２６，３０は機関本体１の運転状態に基づきＥＣＵ５０からの指令信号によって制御される。
【００２５】
次に、第１触媒コンバータ２１に収容されている吸蔵還元型触媒と、第２触媒コンバータ２２に収容されている選択還元型触媒について説明する。
吸蔵還元型触媒は、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のような貴金属とが担持されている。機関吸気通路及び吸蔵還元型触媒上流での排気通路内に供給された空気及び燃料（炭化水素）の比を吸蔵還元型触媒への流入排気ガスの空燃比と称すると、この吸蔵還元型触媒は、流入排気ガスの空燃比がリーンのときはＮＯｘを吸収し、流入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。
【００２６】
なお、吸蔵還元型触媒上流の排気通路内に燃料（炭化水素）あるいは空気が供給されない場合、流入排気ガスの空燃比は燃焼室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、吸蔵還元型触媒は燃焼室内に供給される混合気の空燃比がリーンのときにはＮＯｘ  を吸収し、燃焼室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ＮＯｘ  を放出・還元する。
【００２７】
図２は、燃焼室から排出される排気ガスの代表的な成分の濃度を概略的に示している。図２からわかるように、燃焼室から排出される排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯの濃度は燃焼室内に供給される混合気の空燃比がリッチになるほど増大し、燃焼室から排出される排気ガス中の酸素Ｏ２の濃度は燃焼室内に供給される混合気の空燃比がリーンになるほど増大する。
【００２８】
吸蔵還元型触媒でのＮＯｘ  吸収・還元は、図３に示したようなメカニズムで行われると考えられている。このメカニズムは、担体上に白金Ｐｔ及びバリウムＢａを担持させた場合であるが、他の貴金属，アルカリ金属，アルカリ土類，希土類を用いても同様のメカニズムとなる。
【００２９】
まず、排気ガスがかなりリーンになると排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大するため、図３（Ａ）に示すように酸素Ｏ２  がＯ２−又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。次に、排気ガスに含まれるＮＯは、白金Ｐｔの表面上でＯ２−又はＯ２−と反応し、ＮＯ２  となる（２ＮＯ＋Ｏ２  →２ＮＯ２  ）。
【００３０】
その後、生成されたＮＯ２  は、吸蔵還元型触媒のＮＯｘ  吸収能力が飽和しない限り、白金Ｐｔ上で酸化されながら触媒内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合し、図３（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ３−  の形で吸蔵還元型触媒１９内に拡散する。このようにしてＮＯｘ  が触媒内に吸収される。
【００３１】
これに対し、排気ガス中の酸素濃度が低下した場合は、ＮＯ２の生成量が低下し、前記反応とは逆の反応によって、触媒内の硝酸イオンＮＯ３−は、ＮＯ２  またはＮＯの形で吸蔵還元型触媒から放出される。
【００３２】
つまり、ＮＯｘ  は、排気ガス中の酸素濃度が低下すると、吸蔵還元型触媒から放出されることになる。図２に示されるように、流入排気ガスのリーン度合いが低くなれば、流入排気ガス中の酸素濃度が低下し、したがって、流入排気ガスのリーン度合いを低くすれば、たとえ流入排気ガスの空燃比がリーンであっても吸蔵還元型触媒からＮＯｘ  が放出されることとなる。
【００３３】
一方、このとき、燃焼室内に供給する混合気がリッチにされて、排気ガスの空燃比がリッチになると、図２に示されるように多量の未燃ＨＣ，ＣＯがエンジンから排出される。これら未燃ＨＣ，ＣＯは、白金Ｐｔ上の酸素Ｏ２−又はＯ２−とすぐに反応して酸化される。
【００３４】
また、流入排気ガスの空燃比がリッチになると、排気ガス中の酸素濃度は極度に低下するため、吸蔵還元型触媒は、ＮＯ２  またはＮＯを放出する。このＮＯ２  またはＮＯは、図３（Ｂ）に示すように、未燃ＨＣ、ＣＯと反応して還元される。このようにして白金Ｐｔ上のＮＯ２  またはＮＯが存在しなくなると、吸蔵還元型触媒から次から次へとＮＯ２  またはＮＯが放出される。したがって、流入排気ガスの空燃比をリッチにすると短時間の内に吸蔵還元型触媒からＮＯｘ  が放出される。白金Ｐｔ上のＯ２−又はＯ２−を消費しても未燃ＨＣ，ＣＯが残っていれば、吸蔵還元型触媒から放出されたＮＯｘ  も、エンジンから排出されたＮＯｘ  も、この未燃ＨＣ，ＣＯによって還元される。
【００３５】
したがって、流入排気ガスの空燃比をリッチにすれば短時間の内に吸蔵還元型触媒に吸収されているＮＯｘ  が放出され、しかも、この放出されたＮＯｘ  が還元されるために大気中にＮＯｘ  が排出されるのを阻止することができる。
【００３６】
ところで、ディーゼルエンジンの場合は、ストイキ（理論空燃比、Ａ／Ｆ＝１３〜１４）よりもはるかにリーン域で燃焼が行われるので、通常の機関運転状態では第１触媒コンバータ２１に流入する排気ガスの空燃比は非常にリーンであり、排気ガス中のＮＯｘ  は吸蔵還元型触媒に吸収され、触媒から放出されるＮＯｘ  量は極めて少ない。
【００３７】
また、ガソリンエンジンの場合には、前述したように燃焼室に供給する混合気をリッチにすることにより排気ガスの空燃比をリッチにし、排気ガス中の酸素濃度を低下させて、吸蔵還元型触媒に吸収されているＮＯｘ  を放出させ再生することができるが、ディーゼルエンジンの場合には、燃焼室に供給する混合気をリッチにすると燃焼の際に煤が発生するなどの問題があり採用することはできない。したがって、ディーゼルエンジンでは燃焼用の混合気とは別に還元剤としての燃料を直接、吸蔵還元型触媒に供給して再生する必要がある。
【００３８】
一方、第２触媒コンバータ２２に収容されている選択還元型触媒は、空燃比リーンの排気（酸素過剰の雰囲気）中で、炭化水素（ＨＣ）の存在下でＮＯｘ  を還元または分解する触媒として定義される。このような選択還元型触媒には、ゼオライトにＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持した触媒、ゼオライトまたはアルミナに貴金属を担持した触媒、等が含まれる。
【００３９】
選択還元型触媒は、排気ガスの空間速度が遅く触媒入口側よりも触媒出口側の方が触媒温度が高い温度分布状態においてＮＯｘ浄化率が高く、ＮＯｘ排出量が多い加速時にはＮＯｘ浄化率が低くなることが知られている。ここで、触媒入口側よりも触媒出口側が触媒温度が高い温度分布になるのは、排気ガス温度が高温から低温に変化している時であり、これはほぼ非加速時に対応する。
【００４０】
これに対して、第１触媒コンバータ２１に収容されている吸蔵還元型触媒は、選択還元型触媒が苦手とする加速時のようにＮＯｘ排出量が多いときにも高いＮＯｘ浄化率を示し、比較的に高温の触媒温度（約４００゜Ｃ程度まで）においてもＮＯｘを吸蔵する。
【００４１】
そこで、この排気浄化装置ではこれら触媒の特性を生かし、ディーゼルエンジンの運転状態に応じて２種類の触媒を使い分けるようにしている。
図４は排気浄化装置の運転方法の概略フローチャートであり、まず、機関本体１が加速状態か非加速状態かを判定し（ステップ１００）、加速状態の場合には、切り換え弁２０によって第２排気管１２ｂを閉ざし第１排気管１２ａを開いて排気ガスを第１触媒コンバータ２１に通し（ステップ１０１）、排気ガス中のＮＯｘを吸蔵還元型触媒で吸収する。
【００４２】
一方、非加速状態の場合には、切り換え弁２０によって第１排気管１２ａを閉ざし第２排気管１２ｂを開いて、排気ガスを第２触媒コンバータ２２に通す（ステップ１０２）。ここで、第２触媒コンバータ２２の選択還元型触媒によってＮＯｘを還元するためには還元剤としてのＨＣが必要である。そこで、第２触媒コンバータ２２の出ガス温度Ｔが所定温度範囲内（Ｔ１＜Ｔ＜Ｔ２）に入っているか否かを判定し（ステップ１０３）、温度範囲内であれば膨張行程において副噴射を行って排気ガス中に還元剤としての燃料を噴射し（ステップ１０４）、排気ガス中のＮＯｘを第２触媒コンバータ２２の選択還元型触媒で還元する。
【００４３】
そして、第１触媒コンバータ２１の吸蔵還元型触媒に吸蔵されているＮＯｘを放出・還元するための再生処理は、第１排気管１２ａに排気ガスを通していない非加速時に行うこととし、ステップ１０５で第１触媒コンバータ２１の吸蔵還元型触媒が再生済みか否かを判定し、再生済みでなければ第１触媒コンバータ２１に対する再生処理を実行する（ステップ１０６）。
【００４４】
尚、第１排気管１２ａに排気ガスを通して第１触媒コンバータ２１の吸蔵還元型触媒によってＮＯｘを吸収している時には、排気ガスの空燃比をリーンにする必要があるので副噴射は行わない。
【００４５】
次に、図５及び図６を参照してこの排気浄化装置の運転制御についてさらに詳細に説明する。
図５及び図６は排気浄化装置の運転制御ルーチンであり、この運転制御ルーチンはＥＣＵ５０によって一定クランク角度毎に実行される。
【００４６】
まず、ステップ２００で再生実行フラグＦ１が１か否かを判定する。再生実行フラグＦ１が１の場合は第１触媒コンバータ２１の吸蔵還元型触媒を再生中であることを意味し、再生実行フラグＦ１が０の場合は吸蔵還元型触媒が再生済みであることを意味する。再生実行フラグＦ１はイニシャルルーチンでは０である。
【００４７】
ステップ２００でＮＯと判定された場合には、現在の車両の走行状態が加速状態か非加速状態かの判定を行う。即ち、アクセル開度センサ１７によりアクセル開度α１を検出し（ステップ２０１）、さらにその後もう一度アクセル開度α２を検出して（ステップ２０２）、アクセル開度の差（α２−α１）を演算して、その差が正か否か判定する（ステップ２０３）。
【００４８】
アクセル開度の差が正（α２−α１＞０）である場合には判定タイマーが起動中か否かを判定し（ステップ２０４）、起動中であれば判定タイマ値を更新し（ステップ２０５）、更新された判定タイマ値が予め設定しておいた判定値ｔを越えているか否かを判定する（ステップ２０６）する。
【００４９】
ステップ２０６でＹＥＳと判定されると、アクセル開度の増加状態が所定時間継続しているので加速状態であると判断し、ステップ２０７に進んで加速フラグＦ２を１とし、切り換え弁２０を切り換えて第１排気管１２ａを開き第２排気管１２ｂを閉じて排気ガスを第１排気管１２ａに流し（ステップ２０８）、排気ガス中のＮＯｘを第１触媒コンバータ２１の吸蔵還元型触媒で吸収する。そして、第１触媒コンバータ２１の吸蔵還元型触媒に吸収されたＮＯｘ量を積算する。
【００５０】
ところで、吸蔵還元型触媒に吸収されている総ＮＯｘ  量を直接検出することは困難である。そこで、ここでは機関から排出された排気ガス中のＮＯｘ排出量を推定し、その排出ＮＯｘ量から吸蔵還元型触媒に吸収されたＮＯｘ吸収量を推定するようにしている。
【００５１】
すなわち、機関回転速度Ｎが高くなるほど機関から単位時間あたりに排出される排気ガス量が増大するので、機関回転速度Ｎが高くなるにしたがって機関から排出されるＮＯｘ量は増大する。また、機関負荷Ｌが高くなるほど燃焼温度が高くなるので、機関負荷Ｌが高くなるほど機関から単位時間あたりに排出されるＮＯｘ量が増大する。そこで、予め実験により、機関負荷Ｌと、機関回転速度Ｎとをパラメータとして、これらパラメータと単位時間あたりに機関から排出されるＮＯｘ  量との関係を求めてマップ化し、このＮＯｘ排出量マップをＥＣＵ５０のＲＯＭに記憶しておく。
【００５２】
そして、クランク角センサ３５の出力パルスを基に求めた機関回転速度Ｎと、アクセル開度センサ１７により検出されたアクセル開度αを基に求めた機関負荷Ｌから、前記ＮＯｘ排出量マップを参照して単位時間あたりの機関排出ＮＯｘ  量Ｎｉｊ  を読み出し（ステップ２０９）、これから本運転制御ルーチンを次回実行するまでの間に吸蔵還元型触媒に吸収されるＮＯｘ量を求め、ＮＯｘ積算値Ｑを更新して（ステップ２１０）、本ルーチンの実行を終了する。
【００５３】
次回以降、本運転制御ルーチンを実行してステップ２００からステップ２０６で加速状態であると判定されている限り、排気ガスは第１排気管１２ａに流され、ステップ２０９とステップ２１０により吸蔵還元型触媒に吸収されるＮＯｘ量の積算が継続される。
【００５４】
そして、ステップ２０３でＮＯと判定された場合には、非加速状態に切り換わったこととなるので、ステップ２１１に進んで判定タイマをリセットし、切り換え弁２０を切り換えて第２排気管１２ｂを開き第１排気管１２ａを閉じて排気ガスを第２排気管１２ｂに流し（ステップ２１２）、排気ガス中のＮＯｘを第２触媒コンバータ２２の選択還元型触媒で還元する。
【００５５】
ところで、選択還元型触媒によりＮＯｘ  を還元するには排気ガス中に還元剤としてのＨＣを添加する必要があるが、ここで添加するＨＣの分子サイズは比較的に小さい（Ｃの数が８以下）方がＮＯｘ  浄化率が高い。ディーゼル燃料はそれよりＣの多い大きい分子サイズのＨＣを多量に含むので、そのままの形で選択還元型触媒のすぐ上流に供給するよりも、膨張、排気行程にある気筒の筒内に噴射し（以下、これを副噴射と称す）、高温排気ガスによって熱分解して小さな分子のＨＣとして選択還元型触媒に供給する方が浄化率が高くなる。
【００５６】
そこで、この実施の形態では、ステップ２１３で出ガス温度センサ１８により検出した触媒出ガス温度Ｔが所定の温度範囲（Ｔ１＜Ｔ＜Ｔ２）にあるか否かを判定し（例えば２００〜４００゜Ｃ）、ＹＥＳと判定された場合には、副噴射条件を求め（ステップ２１４）、この条件下で副噴射を実行して（ステップ２１５）、排気ガスにＨＣを添加することとした。
【００５７】
副噴射によって選択還元型触媒に供給されたＨＣは、一部が部分酸化して活性種を生成し、この活性種がＮＯｘ  と反応してＮＯｘ  を還元し、Ｎ２  、Ｈ２Ｏ、Ｏ、ＣＯ２  を生成する。尚、副噴射条件の設定方法については後で詳述する。
【００５８】
ステップ２１５で副噴射を実行した後、ステップ２１６へ進む。また、ステップ２１３でＮＯと判定された場合には、副噴射実行の条件が整っていないので、副噴射を実行することなくステップ２１６へ進む。
【００５９】
ステップ２１６では加速フラグＦ２が１か否かを判定するが、すでにステップ２０７で加速フラグＦ２は１にされているので、ステップ２１６ではＦ２＝１と判定されステップ２１７に進む。
【００６０】
ステップ２１７では再生実行フラグＦ１が１か否かを判定するが、再生実行フラグＦ１はイニシャルルーチンでは０であるので、ステップ２１７ではＮＯと判定され、ステップ２１８に進む。
【００６１】
ステップ２１８では、ステップ２１０で求めたＮＯｘ積算値Ｑが、予め設定された再生許可ＮＯｘ値Ｑ０を越えているか否かを判定する。尚、再生許可ＮＯｘ値Ｑ０は、再生をするに足る最小ＮＯｘ吸収量として予めＥＣＵ５０のＲＯＭに記憶しておく。
【００６２】
ステップ２１８でＮＯｘ積算値Ｑが再生許可ＮＯｘ値Ｑ０を越えていないと判定された場合には、再生が必要とされるＮＯｘ積算値に達していないので再生不要であり本ルーチンを終了する。
【００６３】
ＮＯｘ積算値Ｑが再生判定ＮＯｘ値Ｑ０を越えていると判定された場合には、ステップ２１９以降に進んで第１触媒コンバータ２１の吸蔵還元型触媒に対して再生処理を実行する。
【００６４】
まず、ステップ２１９では、ＮＯｘ積算値Ｑに対応する再生時間をＥＣＵ５０のＲＯＭに記憶されている再生時間マップを参照して読み出す。再生時間マップは、予め実験により、第１触媒コンバータ２１の吸蔵還元型触媒に吸収されたＮＯｘ量と、このＮＯｘを総て放出・還元させるための燃料量を噴射させるに必要な還元剤弁３１の開弁時間との関係を求め、これをマップ化したものであり、予めＥＣＵ５０のＲＯＭに記憶しておく。
【００６５】
次に、弁駆動装置３０を駆動して還元剤弁３１を開き噴射ノズル２４から第１触媒コンバータ２１内に燃料を噴射するとともに、弁駆動装置２６を駆動してＥＧＲ弁２７を開き（ステップ２２０）、第１触媒コンバータ２１内を還元雰囲気にして、吸蔵還元型触媒に吸収されていたＮＯｘを放出・還元させる。
【００６６】
ここでＥＧＲ弁２７の弁開度は機関本体１の運転状態に応じた通常のＥＧＲ制御に基づいて決定されるが、第１触媒コンバータ２１の再生処理の間に限り、ＥＧＲ制御においてＥＧＲ弁２７の開度が所定の設定開度以下（全閉を含む）の指令が出ているときには、前記設定開度の開弁状態保持を優先するように制御する。
【００６７】
第１触媒コンバータ２１の再生処理の間、ＥＧＲ弁２７を開くことにより第１触媒コンバータ２１の下流部分が負圧になるので、第１触媒コンバータ２１の吸蔵還元型触媒に吸収されているＮＯｘが放出され易くなる。また、第１排気管１２ａを閉ざしている切り換え弁２０で漏れが生じ、第１排気管１２ａ内に排気ガスの流れが適度に生じるので、噴射ノズル２４から噴射される燃料が吸蔵還元型触媒内に短時間のうちに拡散し易くなり、隅々に行き渡るようになって吸蔵還元型触媒の再生を促進する。
【００６８】
この後、再生タイマをスタートし（ステップ２２１）、再生実行フラグＦ１を１にして（ステップ２２２）、本ルーチンの実行を終了する。
次回の運転制御ルーチンの実行では、ステップ２００において再生実行フラグＦ１＝１と判定されるので、ステップ２００からステップ２１２に進み、さらにステップ２１３〜２１６を実行した後、ステップ２１７に進む。
【００６９】
ステップ２１７では再生実行フラグＦ１＝１であるのでステップ２２３に進み、先にステップ２１９で読み出した再生設定時間が経過したか否か判定する。再生時間を経過していない場合には本ルーチンの実行を終了し、再生を続行することとなる。ステップ２２３で再生時間が経過したと判定されると、ステップ２２４に進んで、還元剤弁３１を閉じて噴射ノズル２４からの燃料噴射を停止するとともに、ＥＧＲ弁２７を閉じ、以後のＥＧＲ弁２７の開度制御を通常のＥＧＲ制御に委ねる。これで第１触媒コンバータ２１の吸蔵還元型触媒の再生処理を終了する。
【００７０】
次に、再生実行フラグＦ１と加速フラグＦ２をともに０にし（ステップ２２５）、ＮＯｘ積算値Ｑをリセットし（ステップ２２６）、再生タイマをリセットして（ステップ２２７）、本運転制御ルーチンの実行を終了する。
【００７１】
ステップ２０４で判定タイマが起動していないと判定された場合にはステップ２２８で判定タイマを起動した後にステップ２１２に進み、また、ステップ２０６で判定タイマ値が所定時間ｔを越えていないと判定された場合にはステップ２１２に進み、いずれの場合も排気ガスを第２排気管１２ｂに流すように制御されることとなる。
【００７２】
以上の説明からわかるように、この排気浄化装置においては、第１触媒コンバータ２１の吸蔵還元型触媒の再生タイミングは、触媒がＮＯｘで飽和したか否かに関係なく、加速時に吸収したＮＯｘを加速終了後の非加速時において直ちに放出・還元するようにしており、吸蔵還元型触媒を常に再生済みの状態にして次の加速時のＮＯｘ吸収に備えることとなる。
【００７３】
また、吸蔵還元型触媒の再生は温度が高い方が有利であるが、この実施の形態では吸蔵還元型触媒の再生は、吸蔵還元型触媒の温度が比較的に高く保持されている加速直後に行われるようになるので、ＮＯｘ  の放出・還元が早く行われるようになる。
【００７４】
尚、この実施の形態においては、切り換え弁２０と弁駆動装置２３とＥＣＵ５０による一連の信号処理のうちステップ２０１からステップ２０８及びステップ２１２を実行する部分により流路切り換え手段が実現され、噴射ノズル２４と弁駆動装置２６と還元剤弁３１とＥＣＵ５０による一連の信号処理のうちステップ２１７からステップ２２４を実行する部分により還元剤添加手段が実現される。
【００７５】
次に、前述した副噴射条件の設定方法について簡単に説明する。
副噴射において、膨張、排気行程にある気筒の筒内に燃料を噴射する場合、噴射量が少な過ぎれば排気ガス中のＨＣ量が不足し、選択還元型触媒でのＮＯｘ  の還元が十分でなくなり、噴射量が多過ぎればＨＣがＮＯｘ  の還元に消費されるよりも多くなって余分のＨＣは排出され、ＨＣエミッションの悪化、燃費の低下を生じる。また、機関運転状態（機関回転速度Ｎ、機関負荷Ｌ）に応じて生成ＮＯｘ  量が変化し、そのＮＯｘ  を還元するための要求ＨＣ量も変化するので、機関運転状態に応じて最適量の副噴射を実行しなければならない。この副噴射条件は図７の条件設定ルーチンで決定する。図７の条件設定ルーチンは、ＥＣＵ５０によって一定クランク角度毎に実行される。
【００７６】
まず、ステップ２１５１で、クランク角センサ３５の出力信号から演算される機関回転速度Ｎ、アクセル開度センサ１７の出力信号から演算される機関負荷Ｌを読み込む。
【００７７】
次に、ステップ２１５２に進み、副噴射を行う気筒番号を決定する。即ち、クランク角センサ３４の出力パルスから、例えば１番気筒が上死点にきたときを知り、クランク角センサ３５の出力信号から、例えば１番気筒が上死点位置から何度回転した位置にあるかを知ることにより、現在のクランク角を演算することができ、１番気筒の行程がわかれば他の気筒の行程もわかり、どの気筒が膨張、排気行程にあるか、したがって副噴射を実行すべき気筒番号（膨張、排気のいずれかの行程にある気筒の番号）を決定することができる。
【００７８】
次に、ステップ２１５３に進み、必要副噴射量ｑを決定する。即ち、現在の機関回転速度Ｎと機関負荷Ｌから機関運転状態がほぼ定まり、その状態でのＮＯｘ  生成量が決まるとともにそれを浄化するためのＨＣ量またはＨＣ濃度も決まる。これが目標ＨＣ濃度ＨＣ１  であり、目標ＨＣ濃度ＨＣ１  が決まればその目標ＨＣ濃度ＨＣ１  を得るための必要副噴射量ｑも決まる。そこで、機関回転速度Ｎと機関負荷Ｌと必要副噴射量ｑとの関係を実験により求めておき、これをマップにして予めＥＣＵ５０のＲＯＭに格納しておく。ステップ２１５３では、現在の機関回転速度Ｎと機関負荷Ｌから前記マップを参照して必要副噴射量ｑを決定するのである。尚、機関回転速度Ｎが大なるほど、そして機関負荷Ｌが大なるほど、必要副噴射量ｑも大きくなる。
【００７９】
次に、ステップ２１５４に進み、副噴射の燃料圧力Ｐと噴射期間Ｔｍ  を決定する。即ち、副噴射量は燃料噴射弁９の噴射期間Ｔｍ  と燃料圧力Ｐによって決まるので、まず、期間回転速度Ｎと期間負荷Ｌからその機関運転状態に応じた燃料圧力Ｐを決定し、次に、この燃料圧力Ｐと必要副噴射量ｑから噴射期間Ｔｍ  を決定する。尚、期間回転速度Ｎと期間負荷Ｌと燃料圧力Ｐとの関係は予めマップにしてＥＣＵ５０のＲＯＭに格納されており、燃料圧力Ｐと必要副噴射量ｑと噴射期間Ｔｍ  との関係は予めマップにしてＥＣＵ５０のＲＯＭに格納されていて、燃料圧力Ｐと噴射期間Ｔｍ  を決定する際にこれらマップが参照される。
【００８０】
次に、ステップ２１５５に進み、ステップ２１５４で演算した噴射期間Ｔｍ  に基づいて、副噴射開始時期τｓ  を決定する。即ち、副噴射で噴射される燃料は、その全量が機関の膨張、排気行程で筒内に噴射されなければならず、しかも、排気行程の終了近傍の吸気弁と排気弁の両方が開くオーバラップ開時期よりも前に副噴射が終了しなければならない。副噴射の終了時期が吸排気弁開弁オーバラップ時期にかからないようにするという条件で決まると、それよりＴｍ  だけ早めた時期が副噴射開始時期τｓ  となる。
【００８１】
このようにして求めた副噴射量ｑ、噴射期間Ｔｍ  、噴射開始時期τｓ  にしたがって副噴射が実行される。
【００８２】
【発明の効果】
本発明によれば、空燃比リーン状態で燃焼させる内燃機関から排出される排気ガスを排気通路に通し、排気通路に設けた触媒により浄化する内燃機関の排気浄化装置において、排気通路が途中で第１排気通路と第２排気通路に分岐され、排気ガス温度が高温から低温に変化している時には第２排気通路に排気ガスを流通させ、それ以外の時には第１排気通路に排気ガスを流通させるように排気ガスの流路を切り換える流路切り換え手段と、第１排気通路に設けられ、流入排気ガスの空燃比がリーンの時にＮＯｘを吸収し流入排気ガスの酸素濃度が低下した時に吸収したＮＯｘを放出する吸蔵還元型触媒と、第２排気通路に設けられ、酸素過剰の雰囲気で炭化水素の存在下でＮＯｘを還元または分解する選択還元型触媒と、吸蔵還元型触媒に吸収されているＮＯｘを放出還元させるべく、第２排気通路に排気ガスを流通させている間に吸蔵還元型触媒に還元剤を添加する還元剤添加手段と、を備えることにより、吸蔵還元型触媒と選択還元型触媒とをそれぞれの特性に応じて使い分けることができ、ＮＯｘの浄化率を向上させることができる。また、排気浄化のシステム全体を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の内燃機関の排気浄化装置の一実施の形態における全体構成図である。
【図２】排気ガスの空燃比と排気ガス中の主要成分の濃度の関係を示す図である。
【図３】吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸収とＮＯｘ放出・還元の原理説明図である。
【図４】本発明の内燃機関の排気浄化装置の運転制御手順の概略を示すフローチャートである。
【図５】本発明の内燃機関の排気浄化装置の一実施の形態における運転制御手順を示す詳細なフローチャート（その１）である。
【図６】本発明の内燃機関の排気浄化装置の一実施の形態における運転制御手順を示す詳細なフローチャート（その２）である。
【図７】本発明の内燃機関の排気浄化装置の一実施の形態における副噴射条件設定手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１  ディーゼル機関本体（内燃機関）
１２  排気管（排気通路）
１２ａ  第１排気管（第１排気通路）
１２ｂ  第２排気管（第２排気通路）
２０  切り換え弁（流路切り換え手段）
２１  第１触媒コンバータ（吸蔵還元型触媒）
２２  第２触媒コンバータ（選択還元型触媒）
２３  弁駆動装置（流路切り換え手段）
２４  噴射ノズル（還元剤添加手段）
３０  弁駆動装置（還元剤添加手段）
３１  還元剤弁（還元剤添加手段）
【図１】
0003552489.tif 000002
【図２】
0003552489.tif 000003
【図３】
0003552489.tif 000004
【図４】
0003552489.tif 000005
【図５】
0003552489.tif 000006
【図６】
0003552489.tif 000007
【図７】
0003552489.tif 000008