(57)【要約】内燃機関において、機関排気通路内に炭化水素供給弁（１５）と、排気浄化触媒（１３）とが配置される。炭化水素供給弁（１５）から炭化水素を排気ガスの空燃比が要求最小空燃比（Ｘ）まで低下するように予め定められた供給間隔（ΔＴ）で噴射して排気ガス中に含まれるＮＯＸを浄化する第１の炭化水素供給方法と、炭化水素供給弁（１５）からの炭化水素の供給量を低下させかつ燃料を膨張行程後半又は排気行程中に燃焼室（２）内に供給する第２の炭化水素供給方法とが選択的に用いられる。
2012029190.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を供給するための炭化水素供給弁を機関排気通路内に配置し、炭化水素供給弁下流の機関排気通路内に炭化水素供給弁から噴射された炭化水素と排気ガス中に含まれるＮＯＸとを反応させるための排気浄化触媒を配置し、該排気浄化触媒の排気ガス流通表面上には貴金属触媒が担持されていると共に該貴金属触媒周りには塩基性の排気ガス流通表面部分が形成されており、該排気浄化触媒は、炭化水素供給弁から炭化水素を排気ガスの空燃比が予め定められた空燃比まで低下するように予め定められた供給間隔で噴射すると排気ガス中に含まれるＮＯＸを還元する性質を有すると共に、炭化水素の供給間隔を該予め定められた供給間隔よりも長くすると排気ガス中に含まれるＮＯＸの吸蔵量が増大する性質を有しており、機関運転時に炭化水素供給弁から炭化水素を排気ガスの空燃比が上記予め定められた空燃比まで低下するように上記予め定められた供給間隔で噴射して排気ガス中に含まれるＮＯＸを浄化する第１の炭化水素供給方法と、炭化水素供給弁からの炭化水素の供給量を低下させると共に排気ガスの空燃比を上記予め定められた空燃比まで低下させるのに必要な燃料を膨張行程後半又は排気行程中に燃焼室内に供給する第２の炭化水素供給方法とを選択的に用いるようにした内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
上記第２の炭化水素供給方法は排気処理装置を昇温するときに用いられる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
該排気処理装置が上記排気浄化触媒からなり、該排気浄化触媒の温度が予め定められた活性化温度よりも低下したときには第１の炭化水素供給方法から第２の炭化水素供給方法に切換えられて該排気浄化触媒の昇温作用が行われる請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
該排気浄化装置が機関排気通路内に配置されたパティキュレートフィルタからなり、パティキュレートフィルタを再生すべきときには第１の炭化水素供給方法から第２の炭化水素供給方法に切換えられてパティキュレートフィルタの昇温作用が行われる請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
上記排気浄化触媒内において排気ガス中に含まれるＮＯＸと改質された炭化水素とが反応して窒素および炭化水素を含む還元性中間体が生成され、上記炭化水素の予め定められた供給周期は還元性中間体を生成し続けるのに必要な供給周期である請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
上記炭化水素の供給周期が０．３秒から５秒の間である請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
上記貴金属触媒は白金Ｐｔと、ロジウムＲｈおよびパラジウムＰｄの少くとも一方とにより構成される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
上記排気浄化触媒の排気ガス流通表面上にアルカリ金属又はアルカリ土類金属又は希土類又はＮＯＸに電子を供与しうる金属を含む塩基性層が形成されており、該塩基性層の表面が上記塩基性の排気ガス流通表面部分を形成している請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】
上記第２の炭化水素供給方法が用いられているときに炭化水素供給弁から供給される炭化水素の供給量は排気浄化触媒に流入する排気ガス中のＮＯＸの量に応じて定められる請求項１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】
機関排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯＸを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比がリッチになると吸蔵したＮＯＸを放出するＮＯＸ吸蔵触媒を配置し、ＮＯＸ吸蔵触媒上流の機関排気通路内に吸着機能を有する酸化触媒を配置し、ＮＯＸ吸蔵触媒からＮＯＸを放出すべきときには酸化触媒上流の機関排気通路内に炭化水素を供給してＮＯＸ吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするようにした内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。
この内燃機関ではＮＯＸ吸蔵触媒からＮＯＸを放出すべきときに供給された炭化水素が酸化触媒においてガス状の炭化水素とされ、ガス状の炭化水素がＮＯＸ吸蔵触媒に送り込まれる。その結果、ＮＯＸ吸蔵触媒から放出されたＮＯＸが良好に還元せしめられることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３９６９４５０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながらＮＯＸ吸蔵触媒は高温になるとＮＯＸ浄化率が低下するという問題がある。
本発明の目的は、二種類の炭化水素供給方法を選択的に用いつつ排気浄化触媒の温度が高温になっても高いＮＯＸ浄化率を得ることのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、炭化水素を供給するための炭化水素供給弁を機関排気通路内に配置し、炭化水素供給弁下流の機関排気通路内に炭化水素供給弁から噴射された炭化水素と排気ガス中に含まれるＮＯＸとを反応させるための排気浄化触媒を配置し、排気浄化触媒の排気ガス流通表面上には貴金属触媒が担持されていると共に貴金属触媒周りには塩基性の排気ガス流通表面部分が形成されており、排気浄化触媒は、炭化水素供給弁から炭化水素を排気ガスの空燃比が予め定められた空燃比まで低下するように予め定められた供給間隔で噴射すると排気ガス中に含まれるＮＯＸを還元する性質を有すると共に、炭化水素の供給間隔をこの予め定められた供給間隔よりも長くすると排気ガス中に含まれるＮＯＸの吸蔵量が増大する性質を有しており、機関運転時に炭化水素供給弁から炭化水素を排気ガスの空燃比が上述の予め定められた空燃比まで低下するように上述の予め定められた供給間隔で噴射して排気ガス中に含まれるＮＯＸを浄化する第１の炭化水素供給方法と、炭化水素供給弁からの炭化水素の供給量を低下させると共に排気ガスの空燃比を上述の予め定められた空燃比まで低下させるのに必要な燃料を膨張行程後半又は排気行程中に燃焼室内に供給する第２の炭化水素供給方法とを選択的に用いるようにした内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【発明の効果】
【０００６】
第１の炭化水素供給方法と第２の炭化水素供給方法とを選択的に用いつつ排気浄化触媒の温度が高温になっても高いＮＯＸ浄化率を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
図１は圧縮着火式内燃機関の全体図である。
図２は触媒担体の表面部分を図解的に示す図である。
図３は排気浄化触媒における酸化反応を説明するための図である。
図４は排気浄化触媒への流入排気ガスの空燃比の変化を示す図である。
図５はＮＯＸ浄化率を示す図である。
図６Ａおよび６Ｂは排気浄化触媒における酸化還元反応を説明するための図である。
図７Ａおよび７Ｂは排気浄化触媒における酸化還元反応を説明するための図である。
図８は排気浄化触媒への流入排気ガスの空燃比の変化を示す図である。
図９はＮＯＸ浄化率を示す図である。
図１０は排気浄化触媒への流入排気ガスの空燃比の変化を示すタイムチャートである。
図１１は排気浄化触媒への流入排気ガスの空燃比の変化を示すタイムチャートである。
図１２は排気浄化触媒の酸化力と要求最小空燃比Ｘとの関係を示す図である。
図１３は同一のＮＯＸ浄化率の得られる、排気ガス中の酸素濃度と炭化水素濃度の振幅ΔＨとの関係を示す図である。
図１４は炭化水素濃度の振幅ΔＨとＮＯＸ浄化率との関係を示す図である。
図１５は炭化水素濃度の振動周期ΔＴとＮＯＸ浄化率との関係を示す図である。
図１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃは炭化水素供給量Ｗのマップ等を示す図である。
図１７は排気浄化触媒への流入排気ガスの空燃比の変化等を示す図である。
図１８は排出ＮＯＸ量ＮＯＸＡのマップを示す図である。
図１９は燃料噴射時期を示す図である。
図２０は炭化水素供給量ＷＲのマップを示す図である。
図２１Ａ，２１Ｂは第１の炭化水素供給方法と第２の炭化水素供給方法とを説明するための図である。
図２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃは炭化水素の供給量ＷＡ等を示す図である。
図２３は排気浄化触媒への流入排気ガスの空燃比の変化等を示すタイムチャートである。
図２４は排気浄化触媒への流入排気ガスの空燃比の変化等を示すタイムチャートである。
図２５Ａ，２５Ｂは昇温制御を示すタイムチャートである。
図２６はＮＯＸ浄化率とＮＯＸ吸蔵率を示す図である。
図２７は最小空燃比を検出するためのフローチャートである。
図２８および図２９は運転制御を行うためのフローチャートである。
図３０は割込みルーチンを示すフローチャートである。
図３１は割込みルーチンを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
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内に夫々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夫々示す。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、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１１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１１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の入口に連結される。排気タービン７ｂの出口は排気管１２を介して排気浄化触媒１３の入口に連結され、排気浄化触媒１３の出口は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１４に連結される。排気浄化触媒１３上流の排気管１２内には圧縮着火式内燃機関の燃料として用いられる軽油その他の燃料からなる炭化水素を供給するための炭化水素供給弁１５が配置される。図１に示される実施例では炭化水素供給弁１５から供給される炭化水素として軽油が用いられている。なお、本発明はリーン空燃比のもとで燃焼の行われる火花点火式内燃機関にも適用することができる。この場合、炭化水素供給弁１５からは火花点火式内燃機関の燃料として用いられるガソリンその他の燃料からなる炭化水素が供給される。
一方、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１６を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１６内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１７が配置される。また、ＥＧＲ通路１６周りにはＥＧＲ通路１６内を流れるＥＧＲガス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ＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管１９を介してコモンレール２０に連結され、このコモンレール２０は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２１を介して燃料タンク２２に連結される。燃料タンク２２内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ２１によってコモンレール２０内に供給され、コモンレール２０内に供給された燃料は各燃料供給管１９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。排気浄化触媒１３の下流には排気浄化触媒１３の温度を検出するための温度センサ２３が取付けられており、パティキュレートフィルタ１４にはパティキュレートフィルタ１４の前後の差圧を検出するための差圧センサ２４が取付けられている。また、パティキュレートフィルタ１４の下流にはパティキュレートフィルタ１４の温度を検出するための温度センサ２５が配置されており、更に炭化水素供給弁１５下流の排気管１２内には空燃比センサ２６が配置されている。これら温度センサ２３，２５、差圧センサ２４、空燃比センサ２６および吸入空気量検出器８の出力信号は夫々対応する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Ｌ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１０の駆動用ステップモータ、炭化水素供給弁１５、ＥＧＲ制御弁１７および燃料ポンプ２１に接続される。
図２は排気浄化触媒１３の基体上に担持された触媒担体の表面部分を図解的に示している。この排気浄化触媒１３では図２に示されるように例えばアルミナからなる触媒担体５０上には貴金属触媒５１，５２が担持されており、更にこの触媒担体５０上にはカリウム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金属、ランタノイドのような希土類および銀Ａｇ、銅Ｃｕ、鉄Ｆｅ、イリジウムＩｒのようなＮＯＸに電子を供与しうる金属から選ばれた少くとも一つを含む塩基性層５３が形成されている。排気ガスは触媒担体５０上に沿って流れるので貴金属触媒５１，５２は排気浄化触媒１３の排気ガス流通表面上に担持されていると言える。また、塩基性層５３の表面は塩基性を呈するので塩基性層５３の表面は塩基性の排気ガス流通表面部分５４と称される。
一方、図２において貴金属触媒５１は白金Ｐｔからなり、貴金属触媒５２はロジウムＲｈからなる。即ち、触媒担体５０に担持されている貴金属触媒５１，５２は白金ＰｔおよびロジウムＲｈから構成されている。なお、排気浄化触媒１３の触媒担体５０上には白金ＰｔおよびロジウムＲｈに加えて更にパラジウムＰｄを担持させることができるし、或いはロジウムＲｈに代えてパラジウムＰｄを担持させることができる。即ち、触媒担体５０に担持されている貴金属触媒５１，５２は白金Ｐｔと、ロジウムＲｈおよびパラジウムＰｄの少なくとも一方とにより構成される。
炭化水素供給弁１５から排気ガス中に炭化水素が噴射されるとこの炭化水素は排気浄化触媒１３において改質される。本発明ではこのとき改質された炭化水素を用いて排気浄化触媒１３においてＮＯＸを浄化するようにしている。図３はこのとき排気浄化触媒１３において行われる改質作用を図解的に示している。図３に示されるように炭化水素供給弁１５から噴射された炭化水素ＨＣは触媒５１によって炭素数の少ないラジカル状の炭化水素ＨＣとなる。
図４は炭化水素供給弁１５からの炭化水素の供給タイミングと排気浄化触媒１３への流入排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎの変化とを示している。なお、この空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎの変化は排気浄化触媒１３に流入する排気ガス中の炭化水素の濃度変化に依存しているので図４に示される空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎの変化は炭化水素の濃度変化を表しているとも言える。ただし、炭化水素濃度が高くなると空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎは小さくなるので図４においては空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎがリッチ側となるほど炭化水素濃度が高くなっている。
図５は、炭化水素供給弁１５から炭化水素を周期的に供給することによって、即ち排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度を周期的に変化させることによって図４に示されるように排気浄化触媒１３への流入排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎを変化させたときの排気浄化触媒１３によるＮＯＸ浄化率を排気浄化触媒１３の各触媒温度ＴＣに対して示している。本発明者は長い期間に亘ってＮＯＸ浄化に関する研究を重ねており、その研究課程において、排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度を予め定められた範囲内の振幅および予め定められた範囲内の周期でもって振動させると、即ち、炭化水素供給弁１５から炭化水素を排気ガスの空燃比が予め定められた空燃比まで低下するように予め定められた供給間隔で噴射すると、図５に示されるように４００℃以上の高温領域においても極めて高いＮＯＸ浄化率が得られることが判明したのである。
更にこのときには窒素および炭化水素を含む多量の還元性中間体が塩基性層５３の表面上に、即ち排気浄化触媒１３の塩基性排気ガス流通表面部分５４上に保持又は吸着され続けており、この還元性中間体が高ＮＯＸ浄化率を得る上で中心的役割を果していることが判明したのである。次にこのことについて図６Ａおよび６Ｂを参照しつつ説明する。なお、これら図６Ａおよび６Ｂは排気浄化触媒１３の触媒担体５０の表面部分を図解的に示しており、これら図６Ａおよび６Ｂには排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度が予め定められた範囲内の振幅および予め定められた範囲内の周期でもって振動せしめたときに、即ち、炭化水素供給弁１５から炭化水素を排気ガスの空燃比が予め定められた空燃比まで低下するように予め定められた供給間隔で噴射したときに生ずると推測される反応が示されている。
図６Ａは排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度が低いときを示しており、図６Ｂは炭化水素供給弁１５から炭化水素が供給されて排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度が高くなっているときを示している。
さて、図４からわかるように排気浄化触媒１３に流入する排気ガスの空燃比は一瞬を除いてリーンに維持されているので排気浄化触媒１３に流入する排気ガスは通常酸素過剰の状態にある。従って排気ガス中に含まれるＮＯは図６Ａに示されるように白金５１上において酸化されてＮＯ２となり、次いでこのＮＯ２は白金５１から電子を供与されてＮＯ２−となる。従って白金５１上には多量のＮＯ２−が生成されることになる。このＮＯ２−は活性が強く、以上このＮＯ２−を活性ＮＯ２＊と称する。
一方、炭化水素供給弁１５から炭化水素が供給されると図３に示されるようにこの炭化水素は排気浄化触媒１３内において改質され、ラジカルとなる。その結果、図６Ｂに示されるように活性ＮＯ２＊周りの炭化水素濃度が高くなる。ところで活性ＮＯ２＊が生成された後、活性ＮＯ２＊周りの酸素濃度が高い状態が一定時間以上継続すると活性ＮＯ２＊は酸化され、硝酸イオンＮＯ３−の形で塩基性層５３内に吸収される。しかしながらこの一定時間が経過する前に活性ＮＯ２＊周りの炭化水素濃度が高くされると図６Ｂに示されるように活性ＮＯ２＊は白金５１上においてラジカル状の炭化水素ＨＣと反応し、それにより還元性中間体が生成される。この還元性中間体は塩基性層５３の表面上に付着又は吸着される。
なお、このとき最初に生成される還元性中間体はニトロ化合物Ｒ−ＮＯ２であると考えられる。このニトロ化合物Ｒ−ＮＯ２は生成されるとニトリル化合物Ｒ−ＣＮとなるがこのニトリル化合物Ｒ−ＣＮはその状態では瞬時しか存続し得ないのでただちにイソシアネート化合物Ｒ−ＮＣＯとなる。このイソシアネート化合物Ｒ−ＮＣＯは加水分解するとアミン化合物Ｒ−ＮＨ２となる。ただしこの場合、加水分解されるのはイソシアネート化合物Ｒ−ＮＣＯの一部であると考えられる。従って図６Ｂに示されるように塩基性層５３の表面上に保持又は吸着されている還元性中間体の大部分はイソシアネート化合物Ｒ−ＮＣＯおよびアミン化合物Ｒ−ＮＨ２であると考えられる。
一方、図６Ｂに示されるように生成された還元性中間体の周りを炭化水素ＨＣが取り囲んでいると還元性中間体は炭化水素ＨＣに阻まれてそれ以上反応が進まない。この場合、排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度が低下せしめられ、それによって酸素濃度が高くなると還元性中間体周りの炭化水素は酸化せしめられる。その結果、図６Ａに示されるように還元性中間体と活性ＮＯ２＊とが反応するようになる。このとき活性ＮＯ２＊は還元性中間体Ｒ−ＮＣＯやＲ−ＮＨ２と反応してＮ２，ＣＯ２，Ｈ２Ｏとなり、斯くしてＮＯＸが浄化されることになる。
このように排気浄化触媒１３では、排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度を高くすることにより還元性中間体が生成され、排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度を低くして酸素濃度を高くすることにより活性ＮＯ２＊が還元性中間体と反応し、ＮＯＸが浄化される。即ち、排気浄化触媒１３によりＮＯＸを浄化するには排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度を周期的に変化させる必要がある。
無論、この場合、還元性中間体を生成するのに十分高い濃度まで炭化水素の濃度を高める必要があり、生成された還元性中間体を活性ＮＯ２＊と反応させるのに十分低い濃度まで炭化水素の濃度を低下させる必要がある。即ち、排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度を予め定められた範囲内の振幅で振動させる必要がある。なお、この場合、生成された還元性中間体が活性ＮＯ２＊と反応するまで、十分な量の還元性中間体Ｒ−ＮＣＯやＲ−ＮＨ２を塩基性層５３上に、即ち塩基性排気ガス流通表面部分２４上保持しておかなければならず、そのために塩基性の排気ガス流通表面部分２４が設けられている。
一方、炭化水素の供給周期を長くすると炭化水素が供給された後、次に炭化水素が供給されるまでの間において酸素濃度が高くなる期間が長くなり、従って活性ＮＯ２＊は還元性中間体を生成することなく硝酸塩の形で塩基性層５３内に吸収されることになる。これを回避するためには排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度を予め定められた範囲内の周期でもって振動させることが必要となる。
そこで本発明による実施例では、排気ガス中に含まれるＮＯＸと改質された炭化水素とを反応させて窒素および炭化水素を含む還元性中間体Ｒ−ＮＣＯやＲ−ＮＨ２を生成するために排気浄化触媒１３の排気ガス流通表面上には貴金属触媒５１，５２が担持されており、生成された還元性中間体Ｒ−ＮＣＯやＲ−ＮＨ２を排気浄化触媒１３内に保持しておくために貴金属触媒５１，５２周りには塩基性の排気ガス流通表面部分５４が形成されており、塩基性の排気ガス流通表面部分５４上に保持された還元性中間体Ｒ−ＮＣＯやＲ−ＮＨ２の還元作用によりＮＯＸが還元され、炭化水素濃度の振動周期、即ち炭化水素供給弁１５からの炭化水素の供給周期は還元性中間体Ｒ−ＮＣＯやＲ−ＮＨ２を生成し続けるのに必要な周期とされる。因みに図４に示される例では噴射間隔が３秒とされている。
炭化水素濃度の振動周期、即ち炭化水素ＨＣの供給周期を上述の予め定められた範囲内の周期よりも長くすると塩基性層５３の表面上から還元性中間体Ｒ−ＮＣＯやＲ−ＮＨ２が消滅し、このとき白金Ｐｔ５３上において生成された活性ＮＯ２＊は図７Ａに示されるように硝酸イオンＮＯ３−の形で塩基性層５３内に拡散し、硝酸塩となる。即ち、このときには排気ガス中のＮＯＸは硝酸塩の形で塩基性層５３内に吸収されることになる。
一方、図７ＢはこのようにＮＯＸが硝酸塩の形で塩基性層５３内に吸収されているときに排気浄化触媒１３内に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチにされた場合を示している。この場合には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、斯くして塩基性層５３内に吸収されている硝酸塩は順次硝酸イオンＮＯ３−となって図７Ｂに示されるようにＮＯ２の形で塩基性層５３から放出される。次いで放出されたＮＯ２は排気ガス中に含まれる炭化水素ＨＣおよびＣＯによって還元される。
図８は塩基性層５３のＮＯＸ吸収能力が飽和する少し前に排気浄化触媒１３に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎを一時的にリッチにするようにした場合を示している。なお、図８に示す例ではこのリッチ制御の時間間隔は１分以上である。この場合には排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎがリーンのときに塩基性層５３内に吸収されたＮＯＸは、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎが一時的にリッチにされたときに塩基性層５３から一気に放出されて還元される。従ってこの場合には塩基性層５３はＮＯＸを一時的に吸収するための吸収剤の役目を果している。
なお、このとき塩基性層５３がＮＯＸを一時的に吸着する場合もあり、従って吸収および吸着の双方を含む用語として吸蔵という用語を用いるとこのとき塩基性層５３はＮＯＸを一時的に吸蔵するためのＮＯＸ吸蔵剤の役目を果していることになる。即ち、この場合には、機関吸気通路、燃焼室２および排気浄化触媒１３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、排気浄化触媒１３は、排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯＸを吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸蔵したＮＯＸを放出するＮＯＸ吸蔵触媒として機能している。
図９は、排気浄化触媒１３をこのようにＮＯＸ吸蔵触媒として機能させたときのＮＯＸ浄化率を示している。なお、図９の横軸は排気浄化触媒１３の触媒温度ＴＣを示している。排気浄化触媒１３をＮＯＸ吸蔵触媒として機能させた場合には図９に示されるように触媒温度ＴＣが３００℃から４００℃のときには極めて高いＮＯＸ浄化率が得られるが触媒温度ＴＣが４００℃以上の高温になるとＮＯＸ浄化率が低下する。
このように触媒温度ＴＣが４００℃以上になるとＮＯＸ浄化率が低下するのは、触媒温度ＴＣが４００℃以上になると硝酸塩が熱分解してＮＯ２の形で排気浄化触媒１３から放出されるからである。即ち、ＮＯＸを硝酸塩の形で吸蔵している限り、触媒温度ＴＣが高いときに高いＮＯＸ浄化率を得るのは困難である。しかしながら図４から図６Ａ，６Ｂに示される新たなＮＯＸ浄化方法では図６Ａ，６Ｂからわかるように硝酸塩は生成されず或いは生成されても極く微量であり、斯くして図５に示されるように触媒温度ＴＣが高いときでも高いＮＯＸ浄化率が得られることになる。
そこで本発明では、炭化水素を供給するための炭化水素供給弁１５を機関排気通路内に配置し、炭化水素供給弁１５下流の機関排気通路内に炭化水素供給弁１５から噴射された炭化水素と排気ガス中に含まれるＮＯＸとを反応させるための排気浄化触媒１３を配置し、排気浄化触媒１３の排気ガス流通表面上には貴金属触媒５１，５２が担持されていると共に貴金属触媒５１，５２周りには塩基性の排気ガス流通表面部分５４が形成されており、排気浄化触媒１３は、炭化水素供給弁１５から炭化水素を排気ガスの空燃比が予め定められた空燃比まで低下するように予め定められた供給間隔で噴射すると排気ガス中に含まれるＮＯＸを還元する性質を有すると共に、炭化水素の供給間隔をこの予め定められた供給間隔よりも長くすると排気ガス中に含まれるＮＯＸの吸蔵量が増大する性質を有しており、機関運転時に炭化水素供給弁１５から炭化水素を排気ガスの空燃比が上述の予め定められた空燃比まで低下するように上述の予め定められた供給間隔で噴射し、それにより排気ガス中に含まれるＮＯＸを排気浄化触媒１３において還元するようにしている。
即ち、図４から図６Ａ，６Ｂに示されるＮＯＸ浄化方法は、貴金属触媒を担持しかつＮＯＸを吸収しうる塩基性層を形成した排気浄化触媒を用いた場合において、ほとんど硝酸塩を形成することなくＮＯＸを浄化するようにした新たなＮＯＸ浄化方法であると言うことができる。実際、この新たなＮＯＸ浄化方法を用いた場合には排気浄化触媒１３をＮＯＸ吸蔵触媒として機能させた場合に比べて、塩基性層５３から検出される硝酸塩は極く微量である。なお、この新たなＮＯＸ浄化方法を以下、第１のＮＯＸ浄化方法と称する。
次に図１０から図１５を参照しつつこの第１のＮＯＸ浄化方法についてもう少し詳細に説明する。
図１０は図４に示される空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎの変化を拡大して示している。なお、前述したようにこの排気浄化触媒１３への流入排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎの変化は同時に排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度変化を示している。なお、図１０においてΔＨは空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎの振幅、即ち排気浄化触媒１３に流入する炭化水素ＨＣの濃度変化の振幅を示しており、ΔＴは排気浄化触媒１３に流入する炭化水素濃度の振動周期、即ち炭化水素の供給周期を示している。
更に図１０において（Ａ／Ｆ）ｂは機関出力を発生するための燃焼ガスの空燃比を示すベース空燃比を表している。言い換えるとこのベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂは炭化水素の供給を停止したときに排気浄化触媒１３に流入する排気ガスの空燃比を表している。一方、図１０においてＸは、生成された活性ＮＯ２＊が硝酸塩の形で塩基性層５３内に吸蔵されることなく還元性中間体の生成のために使用される空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎの上限を表しており、活性ＮＯ２＊と改質された炭化水素とを反応させて還元性中間体を生成させるには空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎをこの空燃比の上限Ｘよりも低くすることが必要となる。この還元性中間体を生成するのに必要な空燃比の上限Ｘを以下、要求最小空燃比と称する。
図１０に示される例では要求最小空燃比Ｘがリッチとなっており、従ってこの場合には還元性中間体を生成するために空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎが瞬時的に要求最小空燃比Ｘ以下に、即ちリッチにされる。これに対し、図１１に示される例では要求最小空燃比Ｘがリーンとなっている。この場合には空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎをリーンに維持しつつ空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎを周期的に低下させることによって還元性中間体が生成される。
この場合、要求最小空燃比Ｘがリッチになるかリーンになるかは排気浄化触媒１３の酸化力による。この場合、排気浄化触媒１３は例えば貴金属５１の担持量を増大させれば酸化力が強まり、酸性を強めれば酸化力が強まる。従って排気浄化触媒１３の酸化力は貴金属５１の担持量や酸性の強さによって変化することになる。
さて、酸化力が強い排気浄化触媒１３を用いた場合に図１１に示されるように空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎをリーンに維持しつつ空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎを周期的に低下させると、空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎが低下せしめられたときに炭化水素が完全に酸化されてしまい、その結果還元性中間体を生成することができなくなる。これに対し、酸化力が強い排気浄化触媒１３を用いた場合に図１０に示されるように空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎを周期的にリッチにさせると空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎがリッチにされたときに炭化水素は完全に酸化されることなく部分酸化され、即ち炭化水素が改質され、斯くして還元性中間体が生成されることになる。従って酸化力が強い排気浄化触媒１３を用いた場合には要求最小空燃比Ｘはリッチにする必要がある。
一方、酸化力が弱い排気浄化触媒１３を用いた場合には図１１に示されるように空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎをリーンに維持しつつ空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎを周期的に低下させると、炭化水素は完全に酸化されずに部分酸化され、即ち炭化水素が改質され、斯くして還元性中間体が生成される。これに対し、酸化力が弱い排気浄化触媒１３を用いた場合に図１０に示されるように空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎを周期的にリッチにさせると多量の炭化水素は酸化されることなく単に排気浄化触媒１３から排出されることになり、斯くして無駄に消費される炭化水素量が増大することになる。従って酸化力が弱い排気浄化触媒１３を用いた場合には要求最小空燃比Ｘはリーンにする必要がある。
即ち、要求最小空燃比Ｘは図１２に示されるように排気浄化触媒１３の酸化力が強くなるほど低下させる必要があることがわかる。このように要求最小空燃比Ｘは排気浄化触媒１３の酸化力によってリーンになったり、或いはリッチになったりするが、以下要求最小空燃比Ｘがリッチである場合を例にとって、空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎの振幅ΔＴ、即ち排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度変化の振幅ΔＴや排気浄化触媒１３に流入する炭化水素濃度の振動周期ΔＴ、即ち炭化水素の供給周期ΔＴについて説明する。
さて、ベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂが大きくなると、即ち炭化水素が供給される前の排気ガス中の酸素濃度が高くなると空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎを要求最小空燃比Ｘ以下とするのに必要な炭化水素の供給量が増大し、それに伴なって還元性中間体の生成に寄与しなかった余剰の炭化水素量も増大する。この場合、ＮＯＸを良好に浄化するためには前述したようにこの余剰の炭化水素を酸化させる必要があり、従ってＮＯＸを良好に浄化するためには余剰の炭化水素量が多いほど多量の酸素が必要となる。
この場合、排気ガス中の酸素濃度を高めれば酸素量を増大することができる。従ってＮＯＸを良好に浄化するためには、炭化水素が供給される前の排気ガス中の酸素濃度が高いときには炭化水素供給後の排気ガス中の酸素濃度を高める必要がある。即ち、炭化水素が供給される前の排気ガス中の酸素濃度が高いほど炭化水素濃度の振幅を大きくする必要がある。
図１３は同一のＮＯＸ浄化率が得られるときの、炭化水素が供給される前の排気ガス中の酸素濃度と炭化水素濃度の振幅ΔＨとの関係を示している。図１３から同一のＮＯＸ浄化率を得るためには炭化水素が供給される前の排気ガス中の酸素濃度が高いほど炭化水素濃度の振幅ΔＨを増大させる必要があることがわかる。即ち、同一のＮＯＸ浄化率を得るにはベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂが高くなるほど炭化水素濃度の振幅ΔＴを増大させることが必要となる。別の言い方をすると、ＮＯＸを良好に浄化するためにはベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂが低くなるほど炭化水素濃度の振幅ΔＴを減少させることができる。
ところでベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂが最も低くなるのは加速運転時であり、このとき炭化水素濃度の振幅ΔＨが２００ｐｐｍ程度あればＮＯＸを良好に浄化することができる。ベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂは通常、加速運転時よりも大きく、従って図１４に示されるように炭化水素濃度の振幅ΔＨが２００ｐｐｍ以上であれば良好なＮＯＸ浄化率を得ることができることになる。
一方、ベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂが最も高いときには炭化水素濃度の振幅ΔＨを１００００ｐｐｍ程度にすれば良好なＮＯＸ浄化率が得られることがわかっている。従って本発明では炭化水素濃度の振幅の予め定められた範囲が２００ｐｐｍから１００００ｐｐｍとされている。
また、炭化水素濃度の振動周期ΔＴが長くなると炭化水素が供給された後、次に炭化水素が供給される間、活性ＮＯ２＊周りの酸素濃度が高くなる。この場合、炭化水素濃度の振動周期ΔＴが５秒程度よりも長くなると活性ＮＯ２＊が硝酸塩の形で塩基性層５３内に吸収され始め、従って図１５に示されるように炭化水素濃度の振動周期ΔＴが５秒程度よりも長くなるとＮＯＸ浄化率が低下することになる。従って炭化水素濃度の振動周期、即ち炭化水素の供給周期ΔＴは５秒以下とする必要がある。
一方、炭化水素濃度の振動周期ΔＴがほぼ０．３秒以下になると供給された炭化水素が排気浄化触媒１３の排気ガス流通表面上に堆積し始め、従って図１５に示されるように炭化水素濃度の振動周期ΔＴがほぼ０．３秒以下になるとＮＯＸ浄化率が低下する。そこで本発明では炭化水素濃度の振動周期、即ち炭化水素の供給周期が０．３秒から５秒の間とされている。
さて、第１のＮＯＸ浄化方法を用いてＮＯＸを浄化するためには前述したように排気浄化触媒１３に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎを要求最小空燃比Ｘまで低下させる必要がある。本発明による実施例では排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎを要求最小空燃比まで低下させることのできる炭化水素供給量Ｗが燃料噴射弁３からの噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎの関数として図１６Ａに示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
一方、図１６Ｂは排気浄化触媒１３の塩基性層５３上に生成された還元性中間体を保持しておくことにできる還元性中間体保持時間を示している。この還元性中間体は排気浄化触媒１３の温度ＴＣが上昇すると塩基性層５３から脱離しやすくなり、従って図１６Ｂに示されるように排気浄化触媒１３の温度ＴＣが高くなるにつれて還元性中間体保持時間が短かくなる。ところで還元性中間体保持時間に比べて炭化水素の供給周期ΔＴが長くなると還元性中間体が存在しない期間が生じるようになり、ＮＯＸ浄化率が低下してしまう。このような還元性中間体の存在しない期間が生じないようにするには炭化水素の供給周期ΔＴを還元性中間体保持時間と等しくするか、或いは還元性中間体保持時間よりも短かくする必要がある。従って本発明による実施例では炭化水素の供給周期ΔＴは排気浄化触媒１３の温度ＴＣが高くなるほど短かくされる。この炭化水素の供給周期ΔＴも同様に噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎの関数として図１６Ｃに示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
次に図１７から図２０を参照しつつ排気浄化触媒１３をＮＯＸ吸蔵触媒として機能させた場合のＮＯＸ浄化方法について具体的に説明する。このように排気浄化触媒１３をＮＯＸ吸蔵触媒として機能させた場合のＮＯＸ浄化方法を以下、第２のＮＯＸ浄化方法と称する。
この第２のＮＯＸ浄化方法では図１７に示されるように塩基性層５３に吸蔵された吸蔵ＮＯＸ量ΣＮＯＸが予め定められた許容量ＭＡＸを越えたときに排気浄化触媒１３に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎが一時的にリッチにされる。排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎがリッチにされると排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎがリーンのときに塩基性層５３内に吸蔵されたＮＯＸが塩基性層５３から一気に放出されて還元される。それによってＮＯＸが浄化される。
吸蔵ＮＯＸ量ΣＮＯＸは例えば機関から排出されるＮＯＸ量から算出される。本発明による実施例では機関から単位時間当り排出される排出ＮＯＸ量ＮＯＸＡが噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎの関数として図１８に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、この排出ＮＯＸ量ＮＯＸＡから吸蔵ＮＯＸ量ΣＮＯＸが算出される。この場合、前述したように排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎがリッチにされる周期は通常１分以上である。
この第２のＮＯＸ浄化方法では図１９に示されるように燃焼室２内に燃料噴射弁３から燃焼用燃料Ｑに加え、追加の燃料ＷＲを噴射することによって排気浄化触媒１３に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎがリッチにされる。なお、図１９の横軸はクランク角を示している。この追加の燃料ＷＲは燃焼はするが機関出力となって現われない時期に、即ち圧縮上死点後ＡＴＤＣ６０°の少し手前で噴射される。この燃料量ＷＲは噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎの関数として図２０に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。無論、この場合炭化水素供給弁１５からの炭化水素の供給量を増大させることによって排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎをリッチにすることもできる。
さて、前述したように第１のＮＯＸ浄化方法を用いてＮＯＸを浄化するためには排気浄化触媒１３に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎを要求最小空燃比Ｘまで低下させる必要がある。この場合、これまで述べた実施例では炭化水素供給弁１５から供給された炭化水素Ｗによって排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎが要求最小空燃比Ｘまで低下せしめられる。このように排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎを要求最小空燃比Ｘまで低下させるのに炭化水素供給弁１５のみから炭化水素Ｗを供給する方法を以下、第１の炭化水素供給方法と称する。この第１の炭化水素供給方法による空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎの変化が図２１Ａに図解的に示されている。
一方、燃料噴射弁３から燃焼室２内に向けて圧縮上死点後７０°以後の膨張行程後半又は排気行程中に燃料が噴射されると、即ち燃焼用燃料の燃焼完了後に燃料が噴射されるとこの燃料は火炎を生じて燃焼せしめられることはなくクラッキングされる。即ち、燃料が炭素数の小さな炭化水素に改質される。このように燃焼用燃料の燃焼後に行われる噴射はポスト（後）噴射と称されている。
このポスト噴射を用いた炭化水素の供給方法が図２１Ａに第２の炭化水素供給方法として図解的に示されている。図２１Ａに示されるようにこの第２の炭化水素供給方法では炭化水素供給弁１５からの供給炭化水素ＷＡとポスト噴射による供給燃料ＷＢによって排気浄化触媒１３に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎが要求最小空燃比Ｘとされる。このポスト噴射による供給燃料ＷＢが図１９と同様な図２１Ｂに示されている。本発明による実施例ではこのポスト噴射は図２１Ｂにおいて範囲θで示される圧縮上死点後７０°から１５０°の間で行われる。
さて、第１の炭化水素供給方法では炭化水素供給弁１５から供給された炭化水素Ｗのうちの大部分は酸素を消費するために、即ち空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎを低下するために使用され、炭化水素供給弁１５から供給された炭化水素Ｗのうちのほんの一部が還元性中間体の生成のために使用される。即ち、還元性中間体の生成のために使用される炭化水素の量は極めて少ないことになる。
そこで第２の炭化水素供給方法では還元性中間体の生成に必要な炭化水素量ＷＡだけ炭化水素供給弁１５から供給し、ポスト噴射による供給燃料ＷＢによって酸素を消費し、空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎを低下させるようにしている。なお、ポスト噴射による供給燃料ＷＢも炭化水素ではあるがこの炭化水素は炭素数に小さな炭化水素に改質されるために完全酸化され、消滅してしまう。従ってこの供給燃料ＷＢからは還元性中間体が生成されず、還元性中間体は部分酸化される炭化水素ＷＡによって生成されることになる。
ところで還元性中間体は一つのＮＯＸと一つのラジカル状炭化水素から生成されるのでラジカル状炭化水素の量（ｍｏｌ）をＮＯＸ量（ｍｏｌ）と同じにすれば理論的には全てのＮＯＸを還元できることになる。しかしながら全てのＮＯＸを還元するには実際にはラジカル状炭化水素はＮＯＸの数倍必要となる。そこで本発明による実施例ではこのことを考慮に入れて炭化水素の供給量ＷＡは図２２Ａに示されるように還元すべきＮＯＸ量、即ち機関から排出されるＮＯＸ量ＮＯＸＡが増大するほど増大せしめられる。
即ち、本発明による実施例では第２の炭化水素供給方法が用いられているときに炭化水素供給弁１５から供給される炭化水素の供給量ＷＡは排気浄化触媒１３に流入する排気ガス中のＮＯＸの量に応じて定められている。
ここで機関から排出されるＮＯＸ量ＮＯＸＡは図１８に示されるように噴射量Ｑと機関回転数Ｎの関数であり、炭化水素の供給量ＷＡも噴射量Ｑと機関回転数Ｎの関数となる。従って本発明による実施例ではこの炭化水素の供給量ＷＡは噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎの関数として図２２Ｂに示されるようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
一方、噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎが定まるとベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂが定まり、要求最小空燃比Ｘが定まり、炭化水素の供給量ＷＡが定まる。従って図２１Ａからわかるようにこのときポスト噴射による供給燃料量ＷＢも定まることになる。従って本発明による実施例ではこのポスト噴射による供給燃料量ＷＢも噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎの関数として図２２Ｃに示されるようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
図２３および図２４に夫々具体的な第２の炭化水素供給制御の例を示す。
図２３に示す例では炭化水素供給弁１５から炭化水素ＷＡが供給される少し手前から炭化水素ＷＡが供給された直後までの連続する数回の膨張行程においてポスト噴射による燃料ＷＢの供給が行われた場合を示している。この場合にはポスト噴射による燃料ＷＢが供給されることによって空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎが低下せしめられ、炭化水素ＷＡが供給されることによって空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎが要求最小空燃比Ｘまで低下せしめられる。
一方、図２４に示される例では第２の炭化水素供給制御が開始されると膨張行程毎にポスト噴射による燃料ＷＢの供給が行われる。従ってこの例では第２の炭化水素供給制御が開始されると空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎが継続的に低下せしめられ、炭化水素ＷＡが供給されたときに空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎが要求最小空燃比Ｘまで低下せしめられる。
ところでポスト噴射による供給燃料はクラッキングされるために酸素と反応しやすく、従ってポスト噴射により燃料を供給すると炭化水素供給弁１５から炭化水素を供給した場合に比べて酸素を容易に消費することができるという利点がある。一方、ポスト噴射を用いた場合にはポスト噴射と炭化水素ＷＡの供給制御を共に行わなければならないという煩雑さがある。
従って本発明ではこれらのことを考慮して、機関運転時に炭化水素供給弁１５から炭化水素Ｗを排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎが予め定められた空燃比Ｘまで低下するように予め定められた供給間隔ΔＴで噴射して排気ガス中に含まれるＮＯＸを浄化する第１の炭化水素供給方法と、炭化水素供給弁１５からの炭化水素の供給量を低下させると共に排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎと予め定められた空燃比Ｘまで低下させるのに必要な燃料ＷＢを膨張行程後半又は排気行程中に燃焼室２内に供給する第２の炭化水素供給方法とが選択的に用いられる。
一方、前述したようにポスト噴射による燃料ＷＢの方が炭化水素ＷＡよりも酸化されやすく、従ってポスト噴射による燃料ＷＢを供給した場合の方が炭化水素ＷＡのみを供給した場合に比べて高い酸化反応熱が得られる。従って本発明による実施例では排気浄化触媒１３やパティキュレートフィルタ１４のような排気処理装置を昇温するときには第２の炭化水素供給方法が用いられる。
図２５Ａは排気浄化触媒１３の昇温制御を示している。例えば機関運転時において機関負荷が低下し、排気温度が低下して排気浄化触媒１３の温度ＴＣが予め定められた活性化温度ＴＣ０よりも低下するとＮＯＸ浄化率が低下する。従って図２５Ａに示されるように排気浄化触媒１３の温度ＴＣが活性化温度ＴＣ０よりも高いときには第１の炭化水素供給方法が用いられており、排気浄化触媒１３の温度ＴＣが活性化温度ＴＣ０よりも低下すると排気浄化触媒１３を昇温するために第２の炭化水素供給方法が用いられる。
即ち、図２５Ａに示される実施例では、排気浄化触媒１３の温度ＴＣが予め定められた活性化温度ＴＣ０よりも低下したときには第１の炭化水素供給方法から第２の炭化水素供給方法に切換えられて排気浄化触媒１３の昇温作用が行われる。
図２５Ｂはパティキュレートフィルタ１４の昇温制御を示している。パティキュレートフィルタ１４に堆積したパティキュレートを燃焼させてパティキュレートフィルタ１４を再生するためにはパティキュレートフィルタ１４の温度ＴＤを６００℃以上の再生温度ＴＸまで上昇させなければならない。そこで図２５Ｂに示される実施例ではパティキュレートフィルタ１４を再生すべきときには第１の炭化水素供給方法から第２の炭化水素供給方法に切換えられ、それによりパティキュレートフィルタ１４の昇温作用が行われる。なお、この実施例ではパティキュレートフィルタ１４の温度ＴＤが再生温度ＴＸを越えるとその後パティキュレートフィルタ１４の温度ＴＤを再生温度ＴＸ以上に維持するために少量のポスト噴射による燃料ＷＢが供給され続ける。
次に本発明による運転制御方法について説明する。
図２６は第１のＮＯＸ浄化方法によりＮＯＸの浄化処理が行われているときのＮＯＸ浄化率と、第２のＮＯＸ浄化方法が用いられているときの排気浄化触媒１３へのＮＯＸ吸蔵率とを示している。本発明ではＮＯＸ浄化率がＮＯＸ吸蔵率よりも高いときには、即ち排気浄化触媒１３の温度ＴＣが比較的高いときには第１のＮＯＸ浄化方法が用いられ、ＮＯＸ吸蔵率がＮＯＸ浄化率よりも高いとき、即ち排気浄化触媒１３の温度ＴＣが低いときには第２のＮＯＸ浄化方法が用いられる。従って機関始動時には通常第２のＮＯＸ浄化方法が用いられ、排気浄化触媒１３の温度ＴＣが高くなると第２のＮＯＸ浄化方法から第１のＮＯＸ浄化方法に切換えられる。
一方、本発明では第１のＮＯＸ浄化方法のもとで第２の炭化水素供給制御が行われたときには、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎが要求最小空燃比Ｘまで確実に低下するようにポスト噴射による燃料量ＷＢがフィードバック制御される。このフィードバック制御を行うためには第２の炭化水素供給方法が用いられているときの実際の最小空燃比を検出する必要がある。
図２７はこの実際の最小空燃比を検出するためのルーチンを示している。このルーチンは図２３および図２４に示される空燃比検出期間の間だけ一定時間毎の割込みによって実行される。
図２７を参照するとまず初めにステップ６０において空燃比センサ２６により検出された排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）ｎが読込まれる。次いでステップ６１では空燃比検出期間内において最小となった空燃比（Ａ／Ｆ）ｉｎが検出される。次いでステップ６２では空燃比検出期間が経過したか否かが判別され、空燃比検出期間が経過したときにはステップ６３に進んで最小となった空燃比（Ａ／Ｆ）ｎが最小空燃比（Ａ／Ｆ）ｔとされる。
図２８および図２９は機関の運転制御ルーチンを示しており、このルーチンも一定時間毎の割込みで実行される。
図２８を参照するとまず初めにステップ７０において第１のＮＯＸ浄化方法を選択すべきであることを示す選択フラグがセットされているか否かが判別される。選択フラグがセットされていないときにはステップ７１に進んで第１のＮＯＸ浄化方法によりＮＯＸの浄化処理が行われているときのＮＯＸ浄化率が第２のＮＯＸ浄化方法が用いられているときの排気浄化触媒１３へのＮＯＸ吸蔵率よりも高いか否かが判別される。ＮＯＸ浄化率がＮＯＸ吸蔵率よりも低いときには図２９のステップ７２に進んで第２のＮＯＸ浄化方法が実行される。
即ち、ステップ７２では図１８に示すマップから単位時間当りの排出ＮＯＸ量ＮＯＸＡが算出される。次いでステップ７３ではΣＮＯＸに排出ＮＯＸ量ＮＯＸＡを加算することによって吸蔵ＮＯＸ量ΣＮＯＸが算出される。次いでステップ７４では吸蔵ＮＯＸ量ΣＮＯＸが許容値ＭＡＸを越えたか否かが判別される。ΣＮＯＸ＞ＭＡＸになるとステップ７５に進んで図２０に示すマップから追加の燃料量ＷＲが算出され、追加の燃料の噴射作用が行われる。次いでステップ７６ではΣＮＯＸがクリアされる。
一方、図７１のステップ７１においてＮＯＸ浄化率がＮＯＸ吸蔵率よりも高いと判別されたときにはステップ７７に進んで選択フラグがセットされ、次いでステップ７８に進む。一旦選択フラグがセットされるとその後はステップ７０からステップ７８にジャンプする。ステップ７８では図２５Ａに示される排気浄化触媒１３の昇温制御を行うべきであることを示す昇温フラグＩがセットされているか否かが判別される。昇温フラグＩがセットされていないときにはステップ７９に進む。
ステップ７９では温度センサ２３により検出された排気浄化触媒１３の温度ＴＣが活性化温度ＴＣ０よりも低下したか否かが判別される。ＴＣ≧ＴＣ０のときにはステップ８０に進んで図２５Ｂに示されるパティキュレートフィルタ１４の昇温制御を行うべきであることを示す昇温フラグＩＩがセットされているか否かが判別される。昇温フラグＩＩがセットされていないときにはステップ８１に進んで差圧センサ２４により検出されたパティキュレートフィルタ１４の前後差圧ΔＰが許容値ＰＸよりも高くなったか否かが判別される。ΔＰ≦ＰＸのときには図２９のステップ８２に進んで第１の炭化水素供給方法による炭化水素の供給が行われる。
即ち、ステップ８２では図１６Ａに示されるマップから炭化水素の供給量Ｗが算出され、次いでステップ８３では図１６Ｃに示されるマップから炭化水素の供給周期ΔＴが算出される。次いでステップ８４では炭化水素供給弁１５から供給量Ｗの炭化水素を供給周期ΔＴでもって供給させる炭化水素供給制御が行われる。
一方、図２８のステップ７９においてＴＣ＜ＴＣ０になったと判断されるとステップ８５に進んで昇温フラグＩがセットされ、処理サイクルを完了する。一旦昇温フラグＩがセットされるとその後はステップ７８を経て処理サイクルを完了する。即ち、昇温フラグＩがセットされると第１の炭化水素供給方法による炭化水素の供給制御が停止される。このときには図３０に示される時間割込みルーチンにおいて排気浄化触媒１３の昇温制御が行われる。
また、図２８のステップ８１においてΔＰ＞ＰＸになったと判断されるとステップ８６に進んで昇温フラグＩＩがセットされ、処理サイクルを完了する。一旦昇温フラグＩＩがセットされるとその後はステップ８０を経て処理サイクルを完了する。即ち、昇温フラグＩＩがセットされると第１の炭化水素供給方法による炭化水素の供給制御が停止される。このときには図３１に示される時間割込みルーチンにおいてパティキュレートフィルタ１４の昇温制御が行われる。
図３０に示される時間割込みルーチンを参照すると、まず初めにステップ９０において昇温フラグＩがセットされているか否かが判別され、昇温フラグＩがセットされているときにはステップ９１に進んで排気浄化触媒１３の温度ＴＣが活性化温度ＴＣ０に一定値αを加えた温度（ＴＣ０＋α）よりも高くなったか否かが判別される。ＴＣ≦ＴＣ０＋αのときにはステップ９２に進んで図２５Ａに示される排気浄化触媒１３の昇温制御が行われる。
即ち、まず初めにステップ９２では図２２Ｂに示されるマップから炭化水素の供給量ＷＡが算出され、次いでステップ９３では図２２Ｃに示されるマップからポスト噴射による供給燃料量ＷＢが算出される。次いでステップ９４では図２７に示されるルーチンによる最小空燃比（Ａ／Ｆ）ｔの検出が完了したか否かが判別される。最小空燃比（Ａ／Ｆ）ｔが検出されたと最初に判断されたときにはステップ９５に進み、その後はステップ９８にジャンプする。
ステップ９５では検出された最小空燃比（Ａ／Ｆ）ｔが要求最小空燃比Ｘから一定値βを減算した空燃比（Ｘ−β）よりも低下したか否かが判別される。（Ａ／Ｆ）ｔ≧Ｘ−βのとき、即ち検出された最小空燃比（Ａ／Ｆ）ｔが空燃比（Ｘ−β）まで低下しなかったときにはステップ９７に進んで燃料供給量ＷＢに対する補正値ΔＷＢに一定値ΔＫが加算される。次いでステップ９８に進む。これに対し、ステップ９５において（Ａ／Ｆ）ｔ＜Ｘ−βであると判別されたときにはステップ９６に進んで補正値ΔＷＢから一定値ΔＫが減算され、次いでステップ９８に進む。
ステップ９８では燃料供給量ＷＢに補正値ΔＷＢが算出される。次いでステップ９９では炭化水素供給弁１５から供給量ＷＡの炭化水素が図１６Ｃに示されるマップから算出された供給周期ΔＴでもって供給され、図２３に示されるようにこの炭化水素の供給作用の少し前からポスト噴射によって燃料量ＷＢの燃料が燃焼室２内に供給される。一方、ステップ９１においてＴＣ＞ＴＣ０＋αになったと判断されたときにはステップ１００に進んで昇温フラグＩがリセットされる。
次に図３１に示される時間割込みルーチンを参照すると、まず初めにステップ１１０において昇温フラグＩＩがセットされているか否かが判別され、昇温フラグＩＩがセットされているときにはステップ１１１に進んでパティキュレートフィルタ１４の温度ＴＤが再生温度ＴＸよりも高くなったか否かが判別される。ＴＤ≦ＴＸのときにはステップ１１２に進んで図２５Ｂに示されるパティキュレートフィルタ１４の昇温制御が行われる。
即ち、まず初めにステップ１１２では図２２Ｂに示されるマップから炭化水素の供給量ＷＡが算出され、次いでステップ１１３では図２２Ｃに示されるマップからポスト噴射による供給燃料量ＷＢが算出される。次いでステップ１１４では図２７に示されるルーチンによる最小空燃比（Ａ／Ｆ）ｔの検出が完了したか否かが判別される。最小空燃比（Ａ／Ｆ）ｔが検出されたと最初に判断されたときにはステップ１１５に進み、その後はステップ１１８にジャンプする。
ステップ１１５では検出された最小空燃比（Ａ／Ｆ）ｔが要求最小空燃比Ｘから一定値βを減算した空燃比（Ｘ−β）よりも低下したか否かが判別される。（Ａ／Ｆ）ｔ≧Ｘ−βのときにはステップ１１７に進んで燃料供給量ＷＢに対する補正値ΔＷＢに一定値ΔＫが加算される。次いでステップ１１８に進む。これに対し、ステップ１１５において（Ａ／Ｆ）ｔ＜Ｘ−βであると判別されたときにはステップ１１６に進んで補正値ΔＷＢから一定値ΔＫが減算され、次いでステップ１１８に進む。
ステップ１１８では燃料供給量ＷＢに補正値ΔＷＢが算出される。次いでステップ１１９では炭化水素供給弁１５から供給量ＷＡの炭化水素が図１６Ｃに示されるマップから算出された供給周期ΔＴでもって供給され、図２３に示されるようにこの炭化水素の供給作用の少し前からポスト噴射によって燃料量ＷＢの燃料が燃焼室２内に供給される。
一方、ステップ１１１においてＴＤ＞ＴＸになったと判断されるとステップ１２０に進んで図２５Ｂに示されるようにポスト噴射をすることによりパティキュレートフィルタ１４の温度ＴＤを再生温度ＴＸ以上に維持する温度維持制御が行われる。次いでステップ１２１では再生処理が完了したか否かが判別され、再生処理が完了したと判断されたときにはステップ１２２に進んで昇温フラグＩＩがリセットされる。
なお、別の実施例として排気浄化触媒１３上流の機関排気通路内に炭化水素を改質させるための酸化触媒を配置することもできる。
【符号の説明】
【０００９】
４…吸気マニホルド
５…排気マニホルド
７…排気ターボチャージャ
１２…排気管
１３…排気浄化触媒
１４…パティキュレートフィルタ
１５…炭化水素供給弁
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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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１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２２Ｃ】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【国際調査報告】
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