(57)【要約】内燃機関の排気浄化装置は、機関排気通路内に配置され、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時には排気ガス中に含まれるＮＯＸを吸収し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯＸを放出し、更にＮＯＸを選択的に還元する機能を有するＮＯＸ選択還元触媒と、ＮＯＸ選択還元触媒に燃料を供給する燃料添加弁とを備える。ＮＯＸ選択還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンの領域のうち理論空燃比の近傍の領域の場合に、燃料添加弁により燃料をＮＯＸ選択還元触媒に供給してＮＯＸを選択的に還元する。
2010106695.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気通路内に配置され、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時には排気ガス中に含まれるＮＯＸを吸収し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯＸを放出し、更にＮＯＸを選択的に還元する機能を有するＮＯＸ還元触媒と、ＮＯＸ還元触媒に還元剤を供給する還元剤供給装置とを備え、
ＮＯＸ還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンの領域のうち理論空燃比の近傍の領域の場合に、還元剤供給装置により還元剤をＮＯＸ還元触媒に供給してＮＯＸを選択的に還元することを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
機関排気通路内のＮＯＸ還元触媒の下流に配置されている三元触媒を備え、
還元剤供給装置は、ＮＯＸ還元触媒の上流側の機関排気通路に燃料を供給する燃料添加弁を含み、
機関本体の燃焼室にて噴射する燃料を増量することにより、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比以下に下げる場合に、ＮＯＸ還元触媒に流入する排気ガスの空燃比が前記近傍の領域内であるときに、燃料添加弁から燃料を供給してＮＯＸ還元触媒にてＮＯＸを選択的に還元することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
機関排気通路内に配置され、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時には排気ガス中に含まれるＮＯＸを吸収し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯＸを放出し、更にＮＯＸを選択的に還元する機能を有するＮＯＸ還元触媒と、ＮＯＸ還元触媒の下流に配置されている三元触媒と、ＮＯＸ還元触媒に還元剤を供給する還元剤供給装置と、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を小さくする空燃比低下装置とを備え、
内燃機関の運転領域のうち、ＮＯＸ還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンであり、ＮＯＸ還元触媒では温度上昇に伴って選択還元によるＮＯＸ浄化率が徐々に減少し、かつ、三元触媒では温度上昇に伴ってＮＯＸ浄化率が徐々に増加する運転領域において、ＮＯＸ還元触媒のＮＯＸ浄化率が予め定められた判定値よりも小さくなったときには、還元剤供給装置により還元剤をＮＯＸ還元触媒に供給してＮＯＸの選択還元を行うと共に、空燃比低下装置により三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにしてＮＯＸの還元を行うことを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
ＮＯＸ還元触媒の温度を上昇させる昇温装置と、
ＮＯＸ還元触媒のＮＯＸの吸収量を検出する吸収量検出装置とを備え、
ＮＯＸ還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンの場合に、ＮＯＸ還元触媒の温度が選択的な還元を行うための低温側の判定値よりも低く、かつ、ＮＯＸ還元触媒のＮＯＸの吸収量が許容値以上であるときには、昇温装置によりＮＯＸ還元触媒を昇温した後に、還元剤供給装置により還元剤をＮＯＸ還元触媒に供給してＮＯＸを選択的に還元することを特徴とする、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
ＮＯＸ還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンの場合に、ＮＯＸ還元触媒の温度が選択的な還元を行うための高温側の判定値よりも高いときには、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにして三元触媒においてＮＯＸを還元することを特徴とする、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどの内燃機関の排気ガスには、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃燃料（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯＸ）または粒子状物質（ＰＭ：パティキュレート）などの成分が含まれている。内燃機関には、これらの成分を浄化するために排気浄化装置が取り付けられる。
特許第２７８３０４号公報には、窒素酸化物を除去する装置として、排気ガスの空燃比がリーンの時に排気ガスに含まれるＮＯＸを吸収し、排気ガスの空燃比が理論空燃比以下の時に吸収したＮＯＸを放出するＮＯＸ吸収放出材を備える排気浄化装置が開示されている。この装置では、ＮＯＸを放出して処理する時に排気ガスの空燃比を理論空燃比以下にするようにし、さらに、ＮＯＸ吸収放出材の温度を上昇させることによりＮＯＸの浄化率を向上させることが開示されている。
特開２００７−１５４７６４号公報には、ＳＯＸトラップ触媒、ＮＯＸ吸蔵還元触媒を担持したパティキュレートフィルタおよびＮＯＸ吸蔵還元触媒からなる後処理装置と、後処理装置に後処理用燃料を供給するための燃料供給弁とを、機関排気通路内に配置した内燃機関の排気浄化装置が開示されている。この装置においては、いずれかの触媒の劣化度合が予め定められた劣化度合を越えたときには、劣化度合の最も低い触媒に排気ガスの浄化作用を行わせることが開示されている。
排気ガスに含まれるＮＯＸは、還元することにより浄化することができる。機関本体の排気ガスに含まれるＮＯＸを浄化するために、機関排気通路内にＮＯＸを選択的に還元できる選択還元触媒が配置される場合がある。選択的還元触媒が配置されている排気浄化装置は、選択還元触媒が低温の時には機関本体から排出されるＮＯＸを一時的に選択還元触媒に蓄えておくことができる。また、所定の温度領域で選択還元触媒に還元剤を供給することにより機関本体から排出されるＮＯＸを選択的に還元することができる。
また、機関本体の排気ガスに含まれるＮＯＸを浄化するために、機関排気通路内に三元触媒が配置される場合がある。三元触媒の温度が活性化温度以上であり、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチのときには、三元触媒にてＮＯＸの還元を行うことができる。
ところで、選択還元触媒は、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに、所定の温度領域よりも高くなるとＮＯＸを選択的に還元する能力が小さくなる。すなわち、選択還元触媒のＮＯＸの浄化率が低くなる場合があった。さらに、選択還元触媒は、流入する排気ガスの空燃比がリーンの領域うち、理論空燃比の近傍の空燃比の領域では、ＮＯＸの浄化率が低くなる場合があった。このように、選択還元触媒は、所定の運転領域においてＮＯＸの浄化率が小さくなるという問題があった。
【発明の開示】
【０００３】
本発明は、窒素酸化物の浄化能力の低下を抑制する内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
本発明の第１の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気通路内に配置され、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時には排気ガス中に含まれるＮＯＸを吸収し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯＸを放出し、更にＮＯＸを選択的に還元する機能を有するＮＯＸ還元触媒と、ＮＯＸ還元触媒に還元剤を供給する還元剤供給装置とを備える。ＮＯＸ還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンの領域のうち理論空燃比の近傍の領域の場合に、還元剤供給装置により還元剤をＮＯＸ還元触媒に供給してＮＯＸを選択的に還元する。この構成により、上記の理論空燃比の近傍の領域において、窒素酸化物の浄化能力の低下を抑制することができる。
上記発明においては、機関排気通路内のＮＯＸ還元触媒の下流に配置されている三元触媒を備え、還元剤供給装置は、ＮＯＸ還元触媒の上流側の機関排気通路に燃料を供給する燃料添加弁を含む。機関本体の燃焼室にて噴射する燃料を増量することにより、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比以下に下げる場合に、ＮＯＸ還元触媒に流入する排気ガスの空燃比が上記の近傍の領域内であるときに、燃料添加弁から燃料を供給してＮＯＸ還元触媒にてＮＯＸを選択的に還元することができる。
本発明の第２の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気通路内に配置され、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時には排気ガス中に含まれるＮＯＸを吸収し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯＸを放出し、更にＮＯＸを選択的に還元する機能を有するＮＯＸ還元触媒と、ＮＯＸ還元触媒の下流に配置されている三元触媒と、ＮＯＸ還元触媒に還元剤を供給する還元剤供給装置と、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を小さくする空燃比低下装置とを備える。内燃機関の運転領域のうち、ＮＯＸ還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンであり、ＮＯＸ還元触媒では温度上昇に伴って選択還元によるＮＯＸ浄化率が徐々に減少し、かつ、三元触媒では温度上昇に伴ってＮＯＸ浄化率が徐々に増加する特定の運転領域を有する。この特定の運転領域において、ＮＯＸ還元触媒のＮＯＸ浄化率が予め定められた判定値よりも小さくなったときには、還元剤供給装置により還元剤をＮＯＸ還元触媒に供給してＮＯＸの選択還元を行うと共に、空燃比低下装置により三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにしてＮＯＸの還元を行う。この構成により、窒素酸化物の浄化能力の低下を抑制することができる。
上記発明においては、ＮＯＸ還元触媒の温度を上昇させる昇温装置と、ＮＯＸ還元触媒のＮＯＸの吸収量を検出する吸収量検出装置とを備える。ＮＯＸ還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンの場合に、ＮＯＸ還元触媒の温度が選択的な還元を行うための低温側の判定値よりも低く、かつ、ＮＯＸ還元触媒のＮＯＸの吸収量が許容値以上であるときには、昇温装置によりＮＯＸ還元触媒を昇温した後に、還元剤供給装置により還元剤をＮＯＸ還元触媒に供給してＮＯＸを選択的に還元することができる。
上記発明においては、ＮＯＸ還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンの場合に、ＮＯＸ還元触媒の温度が選択的な還元を行うための高温側の判定値よりも高いときには、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにして三元触媒においてＮＯＸを還元することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図１は、実施の形態における内燃機関の概略図である。
図２は、ＮＯＸ選択還元触媒の拡大概略断面図である。
図３は、実施の形態１におけるＮＯＸ選択還元触媒および三元触媒の特性を説明するグラフである。
図４は、実施の形態１における排気浄化装置の運転領域を説明するグラフである。
図５は、実施の形態１における排気浄化装置の制御を説明する第１のフローチャートである。
図６は、実施の形態１における排気浄化装置の制御を説明する第２のフローチャートである。
図７は、ＮＯＸ選択還元触媒におけるＮＯＸ吸着量と吸着速度との関係を説明するグラフである。
図８は、機関回転数および燃焼室での燃料の噴射量を関数にする単位時間当たりに機関本体から排出されるＮＯＸ量のマップである。
図９は、ＮＯＸ選択還元触媒の床温およびＮＯＸ選択還元触媒に流入するＮＯＸ量を関数にする単位時間当たりに吸着されるＮＯＸ量のマップである。
図１０は、通常運転時における噴射パターンの説明図である。
図１１は、燃焼室においてアフター噴射を行う時の噴射パターンの説明図である。
図１２は、実施の形態１における排気浄化装置のＮＯＸ浄化率を説明するグラフである。
図１３は、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の拡大概略断面図である。
図１４は、燃焼室においてポスト噴射を行う時の噴射パターンの説明図である。
図１５は、ＮＯＸ選択還元触媒における排気ガスの空燃比とＮＯＸの脱離との関係を説明するグラフである。
図１６は、実施の形態２における内燃機関の排気浄化装置の第１の運転例を説明するグラフである。
図１７は、実施の形態２における排気浄化装置の第１の運転例の制御を説明するフローチャートである。
図１８は、実施の形態２における排気浄化装置の第２の運転例を説明するタイムチャートである。
【符号の説明】
【０００５】
参照符号の一覧表
１…機関本体
２…燃焼室
３…燃料噴射弁
１３，１４…燃料添加弁
１７…選択還元触媒
１８…三元触媒
２６…温度センサ
２７…温度センサ
２８…空燃比センサ
３０…電子制御ユニット
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
実施の形態１
図１から図１４を参照して、実施の形態１における内燃機関の排気浄化装置について説明する。
図１に、本実施の形態における内燃機関の全体図を示す。本実施の形態においては、圧縮着火式のディーゼルエンジンを例に取り上げて説明する。内燃機関は、機関本体１を備える。また、内燃機関は、排気浄化装置を備える。機関本体１は、各気筒としての燃焼室２と、それぞれの燃焼室２に燃料を噴射するための電子制御式の燃料噴射弁３と、吸気マニホールド４と、排気マニホールド５とを含む。
吸気マニホールド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の出口に連結されている。コンプレッサ７ａの入口は、吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結されている。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１０が配置されている。更に、吸気ダクト６の周りには、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１１が配置されている。図１に示される実施例では、機関冷却水が冷却装置１１に導かれている。機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
一方、排気マニホールド５は、排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結されている。排気タービン７ｂの出口は、排気浄化装置に連結されている。排気浄化装置は、機関本体１から排出される排気ガスを浄化することができる装置である。
本実施の形態における排気浄化装置は、ＮＯＸ還元触媒としてのＮＯＸ選択還元触媒（ＳＣＲ）１７を含む。ＮＯＸ選択還元触媒１７は、還元剤を供給することによりＮＯＸを選択的に還元することができる。ＮＯＸ選択還元触媒１７は、排気管１２を介して排気タービン７ｂの出口に連結されている。また、本実施の形態における排気浄化装置は、三元触媒１８を含む。三元触媒１８は、機関排気通路において、ＮＯＸ選択還元触媒１７の下流側に配置されている。三元触媒１８は、ＣＯおよびＨＣを酸化し、さらにＮＯＸを還元することができる。
ＮＯＸ選択還元触媒１７の上流の機関排気通路には、即ち排気管１２には、ＮＯＸ選択還元触媒１７に還元剤を供給するための還元剤供給装置として、燃料添加弁１３が配置されている。本実施の形態においては、機関本体１の燃料を還元剤として用いている。燃料添加弁１３は、燃料を供給したり停止したりする燃料供給作用を有するように形成されている。本実施の形態における燃料添加弁１３は、燃料を噴射するように形成されている。
三元触媒１８の上流側の機関排気通路には、空燃比低下装置としての燃料添加弁１４が配置されている。ここで、本発明では、機関吸気通路、燃焼室、または機関排気通路に供給された排気ガスの空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）と称する。燃料添加弁１４は、燃料を機関排気通路に供給することにより、三元触媒１８に流入する排気ガスの空燃比を小さくすることができる。本実施の形態における燃料添加弁１４は、機関本体１の燃料を噴射するように形成されている。
排気マニホールド５と吸気マニホールド４との間には、排気ガス再循環（ＥＧＲ）を行うためにＥＧＲ通路１８が配置されている。ＥＧＲ通路１８には電子制御式のＥＧＲ制御弁１９が配置されている。また、ＥＧＲ通路１８の周りにはＥＧＲ通路１８内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２０が配置されている。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２０内に導かれている。機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
それぞれの燃料噴射弁３は、燃料供給管２１を介してコモンレール２２に連結されている。コモンレール２２は、電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２３を介して燃料タンク２４に連結されている。燃料タンク２４に貯蔵される燃料は、燃料ポンプ２３によってコモンレール２２内に供給される。コモンレール２２内に供給された燃料は、それぞれの燃料供給管２１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る。本実施の形態における電子制御ユニット３０は、排気浄化装置の制御装置として機能する。電子制御ユニット３０は、双方性バス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を含む。
ＮＯＸ選択還元触媒１７の下流には、ＮＯＸ選択還元触媒１７の温度を検出するための温度検出装置として、温度センサ２６が配置されている。三元触媒１８の下流には、三元触媒１８の温度を検出するための温度検出装置として、温度センサ２７が配置されている。ＮＯＸ選択還元触媒１７の上流には、ＮＯＸ選択還元触媒１７に流入する排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ２８が配置されている。これらの温度センサ２６，２７および空燃比センサ２８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。
吸入空気量検出器８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。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が接続されている。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が接続されている。クランク角センサ４２の出力により、機関本体の回転数を検出することができる。
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１０の駆動用ステップモータ、ＥＧＲ制御弁１９および燃料ポンプ２３に接続されている。さらに、出力ポート３６は、対応する駆動回路３８を介して燃料添加弁１３，１４に接続されている。本実施の形態における燃料添加弁１３，１４は、電子制御ユニット３０により制御されている。
図２は、本実施の形態におけるＮＯＸ選択還元触媒の拡大概略断面図である。本実施の形態におけるＮＯＸ選択還元触媒１７は、還元剤としてのＨＣを供給することによりＮＯＸを選択的に還元する。ＮＯＸ選択還元触媒１７は、ＮＯＸの還元反応を促進する触媒金属４８を含む。本実施の形態における触媒金属４８は銀（Ａｇ）により形成されている。触媒金属としては、この形態に限られず、ＮＯＸを選択的に還元できる金属であれば構わない。触媒金属としては、たとえば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）等の貴金属、または銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）等の卑金属を用いることができる。
ＮＯＸ選択還元触媒は、触媒金属４８を保持するための触媒担体４９を含む。本実施の形態における触媒担体４９は、基体の表面に形成されている。触媒担体４９は、たとえば、ゼオライトまたは酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等の多孔質の物質から形成されている。
ＮＯＸ選択還元触媒は、所定の温度領域において、適量のＨＣ等の還元剤の存在下でＮＯＸを選択的に還元する機能を有する。ＮＯＸは、還元されることによりＮ２とＯ２に分解される。さらに、排気ガスの空燃比がリーンのときに、所定の温度領域において、選択還元触媒の触媒金属４８にはＮＯＸが吸着される。ＮＯＸは、たとえば、硝酸銀の形態で触媒金属に吸着される。ＮＯＸが吸着される温度領域は、概してＮＯＸが選択還元される温度領域よりも低い領域である。また、ＮＯＸ選択還元触媒は、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチになると吸着していたＮＯＸを放出する。
三元触媒は、触媒金属として、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）およびロジウム（Ｒｈ）などの貴金属を含む。貴金属は、酸化アルミニウム等の触媒担体に支持されている。触媒担体は、たとえば、ハニカム状に成形したコージェライト等の基体の表面に形成されている。三元触媒は、流入する排気ガスの空燃比をほぼ理論空燃比にすることにより、ＨＣ、ＣＯおよびＮＯＸの３成分を高効率で浄化する。三元触媒は、流入する排気の空燃比が理論空燃比より高くなるとＮＯＸの還元能力が低下する。すなわち、流入する排気ガスの空燃比がリーンになるとＮＯＸ浄化率が低下する。
図３に、本実施の形態におけるＮＯＸ選択還元触媒および三元触媒のＮＯＸの浄化率を説明するグラフを示す。上側の２つのグラフは、ＮＯＸ選択還元触媒の特性を示している。一番下のグラフは、三元触媒の特性を示している。ＮＯＸ選択還元触媒のグラフは、流入する排気ガスの空燃比がリーンの状態のときの特性を示している。三元触媒のグラフは、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチのときの特性を示している。
ここで、本発明においては、ＮＯＸの浄化とは、排気ガス中からＮＯＸを除去することを示し、ＮＯＸの吸収およびＮＯＸの還元の両方の意味を含む。また、本発明において、吸収とは、物理的な吸着、化学的な吸着、吸蔵および付着を含む。
ＮＯＸ選択還元触媒は、床温が低いときには、触媒金属によりＮＯＸを吸着することができる。運転領域のうち領域Ａは、吸着によりＮＯＸの浄化を行う領域である。本実施の形態においては、吸着によるＮＯＸの浄化率が選択還元によるＮＯＸの浄化率がよりも高い領域では、吸着によるＮＯＸの浄化を行う。温度ＴＡは、選択還元によるＮＯＸの浄化率と吸着によるＮＯＸの浄化率とが同じになるときの床温である。領域Ａは、ＮＯＸ選択還元触媒の床温が温度ＴＡ未満の運転領域である。
運転領域のうち領域Ｂは、ＮＯＸ選択還元触媒において、ＮＯＸの選択還元を行う領域である。本実施の形態においては、領域Ｂとして、選択還元によるＮＯＸの浄化率が吸着によるＮＯＸの浄化率以上になる領域を選定している。領域Ｂは、ＮＯＸ選択還元触媒の床温が温度ＴＡ以上かつ温度ＴＢ以下の領域である。領域Ｂの低温側の温度の判定値は温度ＴＡであり、高温側の温度の判定値は温度ＴＢである。選択還元によるＮＯＸ浄化率は、温度ＴＢに近づくにつれて徐々に低下する。図１を参照して、本実施の形態においては、燃料添加弁１３から還元剤としての燃料を供給することにより、ＮＯＸの選択的な還元を行うことができる。
選択還元を行う領域Ｂの範囲については、上記に限られず、任意の温度範囲を選定することができる。たとえば、判定値としての低温側の温度ＴＡは、吸着によるＮＯＸの浄化率が所定の値まで降下した温度を採用しても構わない。
ところで、ＮＯＸ選択還元触媒の床温が上昇すると、触媒金属に吸着していたＮＯＸが脱離する。ＮＯＸ選択還元触媒からＮＯＸが脱離する床温は、選択還元によるＮＯＸ浄化率が小さくなる領域内にある。この温度領域では、ＮＯＸ選択還元触媒の選択還元機能が低下するとともに、ＮＯＸの脱離率が大きくなる。
一方で、三元触媒は、ＮＯＸを浄化するための活性化温度を有する。活性化温度から温度が高くなるにつれて、ＮＯＸの浄化率が徐々に高くなり、所定の温度で浄化率が一定になる。本実施の形態においては、活性化温度よりも高く、所定のＮＯＸ浄化率を達成できる温度ＴＣ以上の運転領域を領域Ｃとしている。領域Ｃでは、三元触媒にてＮＯＸの還元を効率的に行うことができる。領域Ｃの選定、即ち温度ＴＣの選定は、この形態に限られず、三元触媒によりＮＯＸの還元を行うことができる任意の領域を選択することができる。
図４に、本実施の形態における排気浄化装置の運転領域を説明するグラフを示す。図４は、ＮＯＸ選択還元触媒または三元触媒のそれぞれの触媒の床温と、それぞれの触媒に流入する排気ガスの空燃比との関係を模式的に示したグラフを示す。横軸がそれぞれの触媒の床温である。縦軸がそれぞれの触媒に流入する排気ガスの空燃比である。
運転領域は、領域Ａ、領域Ｂおよび領域Ｃの他にも領域Ｄおよび領域Ｅが画定される。領域Ｄは、三元触媒に流入する排ガスの空燃比がリーンの状態であり、三元触媒の床温が温度ＴＣ以上の領域である。領域Ｅは、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチの状態であり、温度ＴＣよりも低温の領域である。
図１を参照して、本実施の形態の内燃機関は、通常の運転時には、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比はリーンである。また、本実施の形態においては、ＮＯＸ選択還元触媒１７の床温と三元触媒１８の床温とは、ほぼ同じになる。内燃機関の運転領域が、領域Ａおよび領域Ｂでは、主にＮＯＸ選択還元触媒でＮＯＸの浄化を行なう。領域Ｃ、領域Ｄおよび領域Ｅでは、主に三元触媒にてＮＯＸの浄化を行なう。
図５および図６に、本実施の形態における排気浄化装置の制御を説明するフローチャートを示す。図６は、ＮＯＸ選択還元触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチの時の制御を説明するフローチャートである。
はじめに、ステップ１００において、機関本体１から排出される排気ガスの空燃比が、理論空燃比より大きいか否かを判別する。すなわち、ＮＯＸ選択還元触媒１７に流入する排気ガスの空燃比がリーンであるか否かを判別する。本実施の形態においては、空燃比センサ２８によりＮＯＸ選択還元触媒１７に流入する排気ガスの空燃比を検出する。
ステップ１００において、排気ガスの空燃比がリーンの場合には、ステップ１０１に移行する。ステップ１０１においては、ＮＯＸ選択還元触媒の床温が、温度ＴＡ以上温度ＴＢ以下の範囲内であるか否かを判別する。すなわち、排気浄化装置の運転状態が領域Ｂの範囲内にあるか否かが判別される。本実施の形態においては、ＮＯＸ選択還元触媒の下流に配置されている温度センサ２６によりＮＯＸ選択還元触媒１７の床温を検出する。
ステップ１０１において、ＮＯＸ選択還元触媒の床温が、温度ＴＡ以上温度ＴＢ以下の範囲内にない場合には、ステップ１０５に移行する。ステップ１０５においては、三元触媒１８の床温が温度ＴＣ以上であるか否かが判別される。すなわち、排気浄化装置の運転状態が領域Ｄの範囲内にあるか否かが判別される。本実施の形態においては、三元触媒１８の下流に配置されている温度センサ２７により三元触媒１８の床温を検出する。
三元触媒の床温が、温度ＴＣ未満の場合には、排気浄化装置の運転状態が領域Ａにあると判別されて、ステップ１０７に移行する。このように、本実施形態においては、ＮＯＸ選択還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンの場合に、運転状態が領域Ａ、領域Ｂまたは領域Ｃのいずれかの領域にあるかが判別される。
ステップ１０１において、ＮＯＸ選択還元触媒の床温が、温度ＴＡ以上温度ＴＢ以下の範囲内にあると判別された場合にはステップ１０２に移行する。運転状態は、領域Ｂの範囲内である。ステップ１０２においては、燃料添加弁１３から燃料を供給することにより、ＮＯＸ選択還元触媒１７においてＮＯＸの選択還元を行なう。
次に、ステップ１０３において、ＮＯＸ選択還元触媒の浄化率が予め定められた判定値ＲＸ未満であるか否かを判別する。図３を参照して、本実施の形態においては、この判定値として浄化率ＲＸを採用している。温度ＴＤは、ＮＯＸ浄化率がＲＸになるときの床温である。本実施の形態においては、ＮＯＸ選択還元触媒の床温が温度ＴＤよりも大きいか否かが判別される。ステップ１０３において、ＮＯＸの浄化率がＲＸ以上の場合には、選択還元による浄化が十分であると判断されて、この制御を終了する。ＮＯＸの浄化率がＲＸ未満の場合には、ステップ１０４に移行する。即ち、ＮＯＸ選択還元触媒の床温が温度ＴＤより大きい場合には、ステップ１０４に移行する。
ステップ１０４においては、三元触媒の床温が、温度ＴＣ以上か否かが判別される。三元触媒の床温が、温度ＴＣ未満である場合には、この制御を終了する。このように、図４を参照して、排気浄化装置が、領域Ｂのうち領域Ｄと重ならない領域にて運転を行っている場合には、ＮＯＸの選択還元を行なうことによりＮＯＸを浄化する。
図５を参照して、ステップ１０４において、三元触媒の床温が温度ＴＣ以上であると判別された場合には、ステップ１０６に移行する。図４を参照して、排気浄化装置が領域Ｂと領域Ｄとが重なりあう領域にて運転を行っている場合には、ステップ１０６に移行する。ステップ１０６においては、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を下げる制御を行う。
本実施の形態においては、図１を参照して、三元触媒１８の上流側に配置されている燃料添加弁１４から燃料を供給することにより、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比に制御する。図４において矢印９１に示すように、運転状態は、領域Ｂと領域Ｄとが重なり合う領域から領域Ｃに移行する。三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比に制御することにより、三元触媒においてもＮＯＸの浄化を行なうことができる。
図３を参照して、領域Ｂのうち温度が高い領域では、選択還元によるＮＯＸの浄化率が低下する。さらに、ＮＯＸ選択還元触媒からのＮＯＸの脱離が生じ得る。このため、上流側のＮＯＸ選択還元触媒のみによるＮＯＸの浄化では浄化率が低くなる。しかしながら、三元触媒の床温が温度ＴＣ以上である場合には、排気ガスの空燃比を理論空燃比にすることにより、三元触媒においてもＮＯＸを浄化することができる。このように、領域Ｂと領域Ｄとが重なり合う領域については、上流側のＮＯＸ選択還元触媒および下流側の三元触媒の両方でＮＯＸを還元することにより、ＮＯＸの浄化率を高くすることができる。
次に、図５を参照して、ステップ１０５において、三元触媒の床温が、温度ＴＣ以上の場合には、ステップ１０６に移行する。ステップ１０６においては、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比に制御することにより、ＮＯＸの浄化を三元触媒にて行なう。図４を参照して、排気浄化装置が、領域Ｄのうち領域Ｂと重ならない領域にて運転を行っている場合には、三元触媒にてＮＯＸの浄化を行う。
本実施の形態のステップ１０６においては、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比になるように制御を行っているが、この形態に限られず、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチになるように制御を行なっても構わない。しかし、三元触媒は、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比の条件下で、ＣＯ、ＨＣおよびＮＯＸの浄化率が高くなるために、理論空燃比に制御することが好ましい。
ステップ１０５において、三元触媒の床温が、温度ＴＣ未満の場合には、ステップ１０７に移行する。図４に示す運転状態が領域Ａの場合には、ＮＯＸ選択還元触媒にてＮＯＸを吸着することによりＮＯＸの浄化を行なう。ところで、ＮＯＸ選択還元触媒は、ＮＯＸ吸着量が多いために、ＮＯＸの吸着率が小さくなっている場合がある。ステップ１０７においては、ＮＯＸ選択還元触媒に吸着しているＮＯＸ吸着量が予め定められた許容値以上であるかを判別する。
図７に、ＮＯＸ選択還元触媒におけるＮＯＸ吸着量と吸着率との関係を説明するグラフを示す。ＮＯＸ吸着量が増加すると、ＮＯＸの吸着率が減少することが分かる。本実施の形態においては、ＮＯＸの吸着速度が所定の値まで遅くなる吸着率ＲＹの点を、ステップ１０７におけるＮＯＸ吸着量の許容値としている。本実施の形態における排気浄化装置は、ＮＯＸ選択還元触媒のＮＯＸ吸収量を検出する吸収量検出装置を備える。次に、本実施の形態における吸収量検出装置について説明する。
図８に、本実施の形態における単位時間当たりに機関本体から排出されるＮＯＸ量のマップを示す。たとえば、機関回転数Ｎと燃焼室２に噴射する燃料の噴射量ＴＡＱとを関数にする単位時間あたりのＮＯＸの放出量ＮＯＸＡのマップを予め作成する。このマップを、たとえば、電子制御ユニット３０のＲＯＭ３２に内蔵する。本実施の形態においては、機関本体１から排出されるＮＯＸ量とＮＯＸ選択還元触媒に流入するＮＯＸ量とは等しくなる。このマップにより、運転状態に応じて算出される単位時間あたりにＮＯＸ選択還元触媒に流入するＮＯＸ量を算出することができる。次に、ＮＯＸ選択還元触媒に流入するＮＯＸ量からＮＯＸ吸着量を算出する。
図９に、本実施の形態における単位時間当たりにＮＯＸ選択還元触媒に吸着されるＮＯＸ吸着量のマップを示す。たとえば、ＮＯＸ選択還元触媒の床温ＴＳＣＲと、ＮＯＸ選択還元触媒に流入するＮＯＸ量ＮＯＸＡを関数にする単位時間あたりのＮＯＸ吸着量ＮＯＸＢのマップを予め作成する。このマップを、たとえば、電子制御ユニット３０のＲＯＭ３２に内蔵する。このマップにより、運転状態に応じて算出される単位時間当たりのＮＯＸ吸着量を算出することができる。単位時間当たりのＮＯＸ吸着量を積算することにより、任意の時刻において、ＮＯＸ選択還元触媒に吸着されているＮＯＸ量を算出することができる。
ＮＯＸの吸収量を検出する吸収量検出装置としては、この形態に限られず、任意の構成によりＮＯＸの吸収量を検出することができる。例えば、ＮＯＸ選択還元触媒の上流側および下流側にＮＯＸセンサを配置する。単位時間当たりにＮＯＸ選択還元触媒に流入するＮＯＸ量と、単位時間当たりにＮＯＸ選択還元触媒から流出するＮＯＸ量とを検出する。これらのＮＯＸセンサの出力の差により、単位時間当たりにＮＯＸ選択還元触媒に吸収されたＮＯＸ量を算出しても構わない。
図５を参照して、ステップ１０７において、ＮＯＸ吸着量が許容値未満の場合には、この制御を終了する。すなわち、図４の領域Ａにおいて、ＮＯＸの吸着可能量が所定値より大きい場合には、ＮＯＸ選択還元触媒の吸着によりＮＯＸの浄化を行なう。ステップ１０７において、ＮＯＸ吸着量が許容値以上の場合にはステップ１０８に移行する。
ステップ１０８においては、ＮＯＸ選択還元触媒を領域Ａから領域Ｂまで昇温する。すなわち、ＮＯＸの選択還元により十分なＮＯＸの浄化率を得ることができる温度域まで、ＮＯＸ選択還元触媒を昇温する。図３を参照して、たとえば、ＮＯＸ選択還元触媒の床温が温度ＴＡ以上温度ＴＤ以下の範囲内になるまで昇温する。
本実施の形態における排気浄化装置は、ＮＯＸ選択還元触媒の温度を上昇させるための昇温装置を含む。本実施の形態における昇温装置は、機関本体１の燃料噴射弁３と電子制御ユニット３０とを含む。機関本体１の燃焼室２における噴射パターンを変更することにより、機関本体１から排出される排気ガスの温度を上昇させる。排気ガスの温度を上昇させることによりＮＯＸ選択還元触媒１７を昇温する。ここで、燃焼室における噴射パターンの変更について説明する。
図１０に、本実施の形態における内燃機関の通常運転時における燃料の噴射パターンを示す。噴射パターンＡは、通常運転時における燃料の噴射パターンである。通常運転時においては、略圧縮上死点ＴＤＣで主噴射ＦＭが行なわれる。クランク角が略０°において主噴射ＦＭが行なわれる。また、主噴射ＦＭの燃焼を安定化させるために、主噴射ＦＭの前にパイロット噴射ＦＰが行なわれる。パイロット噴射ＦＰは、例えば、クランク角が圧縮上死点ＴＤＣの前の略１０°から略４０°の範囲において行なわれる。通常運転時においては、噴射パターンＢに示すように、パイロット噴射ＦＰが行なわれずに主噴射ＦＭのみが行なわれていても構わない。本実施の形態においては、パイロット噴射ＦＰが行なわれる噴射パターンを例に取り上げて説明する。通常運転において噴射パターンＡで運転されているときには、機関本体から排出される排気ガスの空燃比はリーンである。
図１１に、機関本体から排出される排気ガスを昇温するときの噴射パターンを示す。噴射パターンＣにおいては、主噴射ＦＭの噴射時期が圧縮上死点ＴＤＣから遅れている。すなわち、主噴射ＦＭの噴射時期を遅角させている。主噴射ＦＭの噴射時期の遅角に伴って、パイロット噴射ＦＰの噴射時期も遅角させている。主噴射ＦＭの噴射時期を遅角させることにより、排気ガスの温度を上昇させることができる。
更に、主噴射ＦＭの後に、補助噴射としてのアフター噴射ＦＡを行っている。アフター噴射ＦＡは、主噴射の後の燃焼可能な時期に行なわれる。アフター噴射ＦＡは、例えば圧縮上死点後のクランク角が略４０°までの範囲で行なわれる。例えば、圧縮上死点後のクランク角が略２０°から略３０°の範囲において行なわれる。アフター噴射ＦＡを行なうことにより、後燃え期間が長くなるために、排気ガスの温度を上昇させることができる。このように、燃焼室における噴射パターンを変更することにより機関本体から排出される排気ガスを昇温することができる。ＮＯＸ選択還元触媒の温度を上昇させるための昇温装置としては、この形態に限られず、ＮＯＸ還元触媒の温度を上昇させることができる任意の装置を採用することができる。
図５を参照して、ステップ１０８において、ＮＯＸ選択還元触媒を領域Ｂまで昇温した後に、ステップ１０９に移行する。ステップ１０９においては、ＮＯＸ選択還元触媒の上流側の燃料添加弁１３から燃料を添加することにより、ＮＯＸの選択還元を行なう。このように、図４に示す領域Ｂにて選択還元を行なうことにより、ＮＯＸの浄化を行う。
本実施の形態においては、排気浄化装置が領域Ａにて運転を行っている場合に、ＮＯＸ吸着量が許容値以上になったときには、ＮＯＸ選択還元触媒にてＮＯＸの還元を行っているが、この形態に限られず、三元触媒にて還元を行っても構わない。たとえば、三元触媒の温度を上昇させて活性化温度以上にする。さらに、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにすることにより、三元触媒にてＮＯＸの還元を行うことができる。このときに、ＮＯＸ選択還元触媒の温度がＮＯＸ放出温度以上になった場合には、ＮＯＸ選択還元触媒に吸着されているＮＯＸが放出される。放出されたＮＯＸは、機関本体から排出されるＮＯＸと共に、三元触媒にて還元することができる。
図５のステップ１００において、ＮＯＸ選択還元触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチの場合には、図６のステップ１１１に移行する。ステップ１１１においては、三元触媒の床温が温度ＴＣ以上であるか否かを判別する。三元触媒の床温が温度ＴＣ以上である場合には、既に三元触媒によるＮＯＸの還元が可能であるために、この制御を終了する。図４を参照して、排気浄化装置が領域Ｃにて運転を行っている場合には、三元触媒においてＮＯＸの浄化が可能である。このため、領域Ｃにおける運転を継続する。このときに、三元触媒の床温が十分に高くないために、十分に活性化されていない場合には、三元触媒を昇温しても構わない。三元触媒の昇温は、たとえば、ＮＯＸ選択還元触媒の昇温と同様に、燃焼室における噴射パターンを変更することにより行なうことができる。
ステップ１１１において、三元触媒の床温が温度ＴＣ未満である場合には、ステップ１１２に移行する。ステップ１１２においては、三元触媒を温度ＴＣ以上に昇温する。図４を参照して、排気浄化装置が領域Ｅにて運転を行っている場合には領域Ｃに移行させる。三元触媒の温度を上昇させて、三元触媒にてＮＯＸの還元を行う。
図１２に、本実施の形態における排気浄化装置のＮＯＸの浄化率を説明するグラフを示す。横軸がそれぞれの触媒の床温である。縦軸が排気浄化装置全体の浄化率である。本実施の形態における排気浄化装置は、領域Ｂおよび領域Ｃが重なり合う領域において、ＮＯＸ選択還元触媒におけるＮＯＸの浄化に加えて、三元触媒においてＮＯＸの浄化を行なうために、ＮＯＸの高い浄化率を得ることができる。
本実施の形態においては、ＮＯＸ還元触媒として、ＨＣを供給することによりＮＯＸを選択的に還元できるＮＯＸ選択還元触媒を例に挙げて説明したが、この形態に限られず、ＮＯＸ還元触媒は、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時には排気ガス中に含まれるＮＯＸを吸収し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯＸを放出し、更にＮＯＸを選択的に還元する機能を有する触媒であれば構わない。  たとえば、ＮＯＸ還元触媒は、ＮＯＸ吸蔵還元触媒を含んでいても構わない。
図１３に、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の拡大概略断面図を示す。ＮＯＸ吸蔵還元触媒は、基体上に例えばアルミナからなる触媒担体４５が形成されている。触媒担体４５の表面上には貴金属４６が分散して担持されている。触媒担体４５の表面上にはＮＯＸ吸収剤４７の層が形成されている。貴金属４６は、例えば白金（Ｐｔ）を含む。ＮＯＸ吸収剤４７を構成する成分は、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、または、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。
ＮＯＸ吸蔵還元触媒は、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が貴金属４６上において酸化されてＮＯ２になる。ＮＯ２は、硝酸イオンＮＯ３−の形でＮＯＸ吸収剤４７内に吸蔵される。これに対して、排気ガスの空燃比がリッチのとき或いは理論空燃比のときには、ＮＯＸ吸収剤４７内の硝酸イオンＮＯ３−がＮＯ２の形でＮＯＸ吸収剤４７から放出される。放出されたＮＯＸは、排気ガスに含まれる未燃炭化水素や一酸化炭素によってＮ２に還元される。
ＮＯＸ吸蔵還元触媒は、選択還元を生じさせる貴金属が担持されているために、還元剤を供給することにより、ＮＯＸを選択的に還元することができる。特に、ＮＯＸ吸蔵還元触媒が劣化したときにも、選択的にＮＯＸを還元する機能が残存する。このように、ＮＯＸ吸蔵還元触媒は、選択的にＮＯＸを還元する機能を有しているために、ＮＯＸ還元触媒が、ＮＯＸ吸蔵還元触媒を含む装置に対しても、本発明を適用することができる。
本実施の形態においては、ＮＯＸ選択還元触媒に還元剤を供給する還元剤供給装置として、燃料添加弁が配置されている。還元剤供給装置は、この形態に限られず、ＮＯＸ選択還元触媒に還元剤を供給できれば構わない。たとえば、還元剤供給手段は、機関本体１の燃料噴射弁３を含む。燃焼室における噴射パターンの変更により、ＮＯＸ選択還元触媒に未燃燃料を供給しても構わない。
図１４に、ＮＯＸ選択還元触媒に未燃燃料を供給するときの噴射パターンを示す。噴射パターンＤは、主噴射ＦＭの後にポスト噴射ＦＰＯを行なっている。ポスト噴射ＦＰＯは、燃焼室において燃料が燃焼しない噴射である。ポスト噴射ＦＰＯは、アフター噴射と同様に補助噴射である。アフター噴射が機関出力に影響を与える一方で、ポスト噴射は機関出力に寄与しない特徴を有する。ポスト噴射ＦＰＯは、例えば、圧縮上死点後のクランク角が略９０°から略１２０°の範囲内において行われる。燃焼室において、ポスト噴射を行うことによりＮＯＸ選択還元触媒に未燃燃料を供給することができる。
また、本実施の形態においては、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を小さくする空燃比低下装置として、燃料添加弁が配置されている。空燃比低下装置は、この形態に限られず、三元触媒に流入する空燃比を下げることができるように形成されていれば構わない。
たとえば、空燃比低下装置は、ＮＯＸ選択還元触媒の上流側に配置されている燃料添加弁を含んでいても構わない。ＮＯＸ選択還元触媒の上流側から未燃燃料を供給することにより、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を小さくしても構わない。または、燃焼室においてポスト噴射を噴射することにより、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を小さくしても構わない。しかしながら、ＮＯＸ選択還元触媒に多量の未燃燃料を供給すると、ＨＣ被毒が生じて、ＮＯＸ選択還元触媒の浄化率が低下する場合がある。このために、燃料を添加する装置は、ＮＯＸ選択還元触媒の下流側に配置されていることが好ましい。
また、三元触媒の上流側の機関排気通路に、酸素を供給するための酸素添加弁が配置されていても構わない。たとえば、機関排気通路内に空気を供給するための空気供給弁が配置されていても構わない。三元触媒は、理論空燃比の近傍で優れた酸化性能および還元性能を発揮するように設計されている。このため、ＮＯＸ選択還元触媒から流出する排気ガスの空燃比が深いリッチの場合には、空気供給弁から空気を供給することにより、空燃比を理論空燃比に近づけることができる。この結果、三元触媒にて優れた浄化を行うことができる。
実施の形態２
図１および図１５から図１８を参照して、実施の形態２における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置の構成は、実施の形態１における排気浄化装置と同様である。図１を参照して、機関排気通路内にＮＯＸ選択還元触媒１７が配置され、ＮＯＸ選択還元触媒１７の下流に三元触媒１８が配置されている。
図１５に、ＮＯＸ選択還元触媒に流入する排気ガスの空燃比と、ＮＯＸ選択還元触媒から脱離するＮＯＸ量との関係を説明するグラフを示す。発明者らは、流入する排気ガスの空燃比がリーンの領域のうち理論空燃比の近傍のスライトリーン領域では、吸収されていたＮＯＸが脱離するために、ＮＯＸ浄化率が低下することを見出した。理論空燃比の近傍の領域では、酸素濃度が低下するに伴って徐々にＮＯＸが脱離する。本発明においては、理論空燃比に隣接するリーンの領域であって、吸収されていたＮＯＸが脱離する領域を脱離領域という。脱離領域は、例えば、触媒に流入する排気ガスの空燃比が１４．７（理論空燃比）より大きく略１８以下である。
図１を参照して、本実施の形態においては、ＮＯＸ選択還元触媒が脱離領域にて運転を行っているときには、ＮＯＸ選択還元触媒１７の上流に配置されている燃料添加弁１３により、ＮＯＸ選択還元触媒に還元剤を供給して、脱離したＮＯＸを選択的に還元する。
図１６に、本実施の形態における第１の運転例を説明するグラフを示す。第１の運転例においては、領域Ａにて運転を行っているときに、ＮＯＸ選択還元触媒に吸着しているＮＯＸ量が予め定められた許容値を超えている。このときに、ＮＯＸ選択還元触媒からＮＯＸを放出させると共に、放出させたＮＯＸを還元する制御を行う。本実施の形態においては、矢印９２に示すように、排気浄化装置の運転状態を、領域Ａから領域Ｃに移行させる制御を行う。
ＮＯＸ選択触媒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することにより、ＮＯＸ選択還元触媒に吸収されているＮＯＸが排出される。本実施の形態においては、ＮＯＸ選択還元触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーンからリッチに移行することによりＮＯＸが放出される。また、三元触媒１８の温度を活性化温度以上にすることにより、放出されたＮＯＸを三元触媒により浄化する。即ち領域Ａから領域Ｃに移行することにより、ＮＯＸ選択還元触媒からのＮＯＸの放出と三元触媒におけるＮＯＸの還元とを行う。
図１を参照して、本実施の形態においては、機関本体１における燃焼室２においてアフター噴射（図１１参照）を行なう。さらに、機関吸気通路のスロットル弁１０を絞ることにより、燃焼室２に流入する空気量を減少させる燃焼リッチ制御を行う。スロットル弁１０の開度を小さくすることにより、燃焼室２から排出される排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにすることができる。ＮＯＸ選択還元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにすることにより、ＮＯＸを放出させることができる。本実施の形態においては、燃焼室から排出される排気ガスの空燃比をリッチにしている。
また、燃焼室においてアフター噴射を行うことにより、排気ガスの温度が上昇して、三元触媒を活性化温度以上にすることができる。このため、三元触媒において、ＮＯＸ選択還元触媒から放出されたＮＯＸの還元を行うことができる。
アフター噴射の燃料の少なくとも一部は、燃焼室において燃焼される。燃料の少なくとも一部が燃焼することにより、排気ガスに含まれる軽質の未燃炭化水素（ＨＣ）やＣＯ等が増加する。機関排気通路に軽質な未燃炭化水素（ＨＣ）またはＣＯ等を還元剤として供給することができる。軽質な未燃炭化水素やＣＯ等は、還元性に優れているために、還元剤として好ましい。
図１６を参照して、燃焼室においてアフター噴射を行い、さらに、スロットル弁を絞って排気ガスの空燃比を調整する燃焼リッチ制御を行う場合には、除々に排気ガスの空燃比が小さくなる。このため、ＮＯＸ選択還元触媒に流入する排気ガスの空燃比が脱離領域内になる期間が存在する。本実施の形態においては、脱離領域においてＮＯＸ選択還元触媒に還元剤を供給することにより、ＮＯＸ選択還元触媒から脱離するＮＯＸの選択還元を行なう。
図１７に、本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置の制御のフローチャートを示す。ステップ２０１において、燃焼室において燃焼リッチ制御を行っているか否かが判別される。ステップ２０１において、燃焼リッチ制御の期間中の場合にはステップ２０２に移行する。ステップ２０２においては、排気ガスの空燃比が脱離領域内にあるか否かが判別される。ステップ２０２においては、ＮＯＸ選択還元触媒１７に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比より大きいか否かが判別される。さらに、ＮＯＸ選択還元触媒１７に流入する排気ガスの空燃比が予め定められた判定値以下であるか否かが判別される。この判定値は、たとえば、脱離領域の空燃比が大きい側の端の値を用いることができる。
ステップ２０２において、ＮＯＸ選択還元触媒１７に流入する排気ガスの空燃比が脱離領域の範囲内にない場合には、この制御を終了する。ＮＯＸ選択還元触媒１７に流入する排気ガスの空燃比が脱離領域の範囲内である場合には、ステップ２０３に移行する。
ステップ２０３においては、ＮＯＸ選択還元触媒１７に還元剤を供給する。本実施の形態においては、燃料添加弁１３から燃料を噴射する。本実施の形態においては、燃焼室２においてアフター噴射を行なっているために、機関本体１から排出される排気ガスの温度が上昇している。このため、ＮＯＸ選択還元触媒１７の温度を、選択還元が可能な温度まで上昇することができる。燃料添加弁１３から燃料を噴射することにより、ＮＯＸ選択還元触媒から脱離するＮＯＸを還元することができる。
燃料添加弁から燃料を供給することにより、短時間でＮＯＸを還元できる運転状態に移行することができる。たとえば、燃焼パターンの変更等は、排気ガスの空燃比が比較的ゆっくりした速度で変化する。これに対して、燃料添加弁の噴射の応答性は高い。排気ガスの空燃比が脱離領域内に存在する時間が短い場合や脱離するＮＯＸが僅かな場合でも、ＮＯＸを確実に還元することができる。
ステップ２０３が終了したらステップ２０１に移行する。ステップ２０１において、燃焼リッチの制御中でない場合にはこの制御を終了する。
本実施の形態においては、燃焼リッチ制御を行っている期間中に脱離領域を通過する運転を例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、任意の運転を行なっている場合に、ＮＯＸ還元触媒に流入する排気ガスの空燃比が脱離領域内になったときに、本発明を適用することができる。特に、排気浄化装置が脱離領域内にて運転する時間が長い場合に、本発明は顕著な効果を奏する。
本実施の形態においては、ＮＯＸ選択還元触媒に流入する排気ガスの空燃比を下げるために、燃焼室においてアフター噴射を行っているが、この形態に限られず、ポスト噴射を行っても構わない。このように、燃焼室において噴射する燃料を増量することにより、ＮＯＸ選択還元触媒に流入する排気ガスの空燃比を下げることができる。
図１８に、本実施の形態における第２の運転例を説明するタイムチャートを示す。第２の運転例においては、ＮＯＸ選択還元触媒に流入する排気ガスの空燃比が暫らくの期間、脱離領域の範囲内になるときの運転例である。第２の運転例においては、内燃機関が配置された車両が加速するときの例である。
車両は、時刻ｔ１まで、一定の車速で走行している。車両は、時刻ｔ１から時刻ｔ４まで加速している。ＮＯＸ選択還元触媒に流入する排気ガスの空燃比は、時刻ｔ１から時刻ｔ４まで小さくなる。このときに、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間は、排気ガスの空燃比が脱離領域内の値になっている。
図１を参照して、ＮＯＸ選択還元触媒１７に流入する排気ガスの空燃比は、空燃比センサ２８により検出することができる。排気浄化装置は、ＮＯＸ選択還元触媒１７に流入する排気ガスの空燃比が脱離領域内の値になったことを検出する。この場合に、ＮＯＸ選択還元触媒１７の上流側の燃料添加弁１３から燃料を供給することにより、脱離するＮＯＸを還元することができる。本実施の形態においては、ＮＯＸ選択還元触媒に流入する排気ガスの空燃比が脱離領域内の値になっている期間の間、連続的に燃料添加弁から燃料を供給している。燃料添加弁からＮＯＸ選択還元触媒に燃料を供給する場合には、間欠的に燃料を供給しても構わない。
比較例は、ＮＯＸ選択還元触媒に還元剤を供給しない例である。比較例では、排気ガスの空燃比が脱離領域内になるときに、ＮＯＸ選択還元触媒から排出されるＮＯＸ量が多くなっている。これに対して、排気ガスの空燃比が脱離領域内になるときに、ＮＯＸ選択還元触媒に還元剤を供給することにより、ＮＯＸ選択還元触媒から排出されるＮＯＸ量を少なくすることができる。
本実施の形態においては、脱離領域において排出されるＮＯＸを、ＮＯＸ選択還元触媒内で選択還元することによりＮＯＸの浄化を行っているが、この形態に限られず、ＮＯＸ選択還元触媒の下流側に、ＮＯＸ選択還元触媒から排出されるＮＯＸを浄化する装置を配置しても構わない。
また、本実施の形態においては、ＮＯＸ還元触媒としてＮＯＸ選択還元触媒が配置されているが、この形態に限られず、ＮＯＸ還元触媒は流入する排気ガスの空燃比がリーンの時には排気ガス中に含まれるＮＯＸを吸収し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯＸを放出し、更にＮＯＸを選択的に還元する機能を有する触媒であれば構わない。
例えば、ＮＯＸ還元触媒は、ＮＯＸ吸蔵還元触媒を含むことができる。ＮＯＸ吸蔵還元触媒においても、ＮＯＸがＮＯＸ吸収剤に吸蔵されると共に触媒金属に吸着される。このために、流入する排気ガスの空燃比が脱離領域内にある場合には、ＮＯＸの脱離が発現する。このときに、還元剤供給装置により還元剤を供給することにより、ＮＯＸを選択的に還元することができる。
ＮＯＸ吸蔵還元触媒においては、ＮＯＸが主にＮＯＸ吸収剤に吸蔵される。このために、脱離領域におけるＮＯＸの脱離量は、ＮＯＸ吸蔵還元触媒よりもＮＯＸ選択還元触媒が多くなる。このため、排気浄化装置がＮＯＸ選択還元触媒を備える場合には、本発明の効果が顕著になる。すなわち、ＮＯＸ選択還元触媒では、脱離領域においてＮＯＸが脱離し易いために、本発明のＮＯＸの排出を抑制する効果が顕著になる。
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、請求の範囲に含まれる変更が意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年1月12日(2011.1.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気通路内に配置され、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時には排気ガス中に含まれるＮＯＸを吸収し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯＸを放出し、更にＮＯＸを選択的に還元する機能を有するＮＯＸ還元触媒と、ＮＯＸ還元触媒に還元剤を供給する還元剤供給装置と、機関排気通路内のＮＯＸ還元触媒の下流に配置されている三元触媒とを備え、
ＮＯＸ還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンの領域のうち理論空燃比の近傍の領域の場合に、還元剤供給装置により還元剤をＮＯＸ還元触媒に供給してＮＯＸを選択的に還元し、
還元剤供給装置は、ＮＯＸ還元触媒の上流側の機関排気通路に燃料を供給する燃料添加弁を含み、
機関本体の燃焼室にて噴射する燃料を増量することにより、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比以下に下げる場合に、ＮＯＸ還元触媒に流入する排気ガスの空燃比が前記近傍の領域内であるときに、燃料添加弁から燃料を供給してＮＯＸ還元触媒にてＮＯＸを選択的に還元することを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
機関排気通路内に配置され、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時には排気ガス中に含まれるＮＯＸを吸収し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸収したＮＯＸを放出し、更にＮＯＸを選択的に還元する機能を有するＮＯＸ還元触媒と、ＮＯＸ還元触媒の下流に配置されている三元触媒と、ＮＯＸ還元触媒に還元剤を供給する還元剤供給装置と、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を小さくする空燃比低下装置とを備え、
内燃機関の運転領域のうち、ＮＯＸ還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンであり、ＮＯＸ還元触媒では温度上昇に伴って選択還元によるＮＯＸ浄化率が徐々に減少し、かつ、三元触媒では温度上昇に伴ってＮＯＸ浄化率が徐々に増加する運転領域において、ＮＯＸ還元触媒のＮＯＸ浄化率が予め定められた判定値よりも小さくなったときには、還元剤供給装置により還元剤をＮＯＸ還元触媒に供給してＮＯＸの選択還元を行うと共に、空燃比低下装置により三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにしてＮＯＸの還元を行うことを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
ＮＯＸ還元触媒の温度を上昇させる昇温装置と、
ＮＯＸ還元触媒のＮＯＸの吸収量を検出する吸収量検出装置とを備え、
ＮＯＸ還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンの場合に、ＮＯＸ還元触媒の温度が選択的な還元を行うための低温側の判定値よりも低く、かつ、ＮＯＸ還元触媒のＮＯＸの吸収量が許容値以上であるときには、昇温装置によりＮＯＸ還元触媒を昇温した後に、還元剤供給装置により還元剤をＮＯＸ還元触媒に供給してＮＯＸを選択的に還元することを特徴とする、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
ＮＯＸ還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンの場合に、ＮＯＸ還元触媒の温度が選択的な還元を行うための高温側の判定値よりも高いときには、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにして三元触媒においてＮＯＸを還元することを特徴とする、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【国際調査報告】
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