(57)【要約】内燃機関の排気浄化装置は、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１６と、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１６の下流に配置されている酸化触媒１７と、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１６と酸化触媒１７との間の機関排気通路に接続されている排気ガスのタンク５１と、酸化触媒１７に向かう機関排気通路を遮断するとともに、排気ガスをタンク５１に流入させる開閉弁５２とを備える。ＮＯＸ吸蔵還元触媒１６に流入する排気ガスの空燃比をリッチにする場合に、酸化触媒１６に向かう機関排気通路を遮断し、排気ガスがタンク５１に流入するように流路を切替えて、排気ガスをタンク５１に貯留する。
2011064902.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気通路に配置され、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を吸蔵し、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蔵したＮＯＸを放出するＮＯＸ吸蔵還元触媒と、
ＮＯＸ吸蔵還元触媒の下流の機関排気通路に配置されている酸化触媒と、
ＮＯＸ吸蔵還元触媒と酸化触媒との間の機関排気通路に接続されている排気ガスのタンクと、
ＮＯＸ吸蔵還元触媒から酸化触媒に向かう機関排気通路を遮断するとともに、排気ガスをタンクに流入させる流路変更装置とを備え、
ＮＯＸ吸蔵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場合に、酸化触媒に向かう機関排気通路を遮断し、排気ガスがタンクに流入するように流路を切替えて、ＮＯＸ吸蔵還元触媒から流出する空燃比が理論空燃比またはリッチの排気ガスの少なくとも一部をタンクに貯留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】
ＮＯＸ吸蔵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の状態からリーンの状態に切り替えるとともに、酸化触媒に向かう機関排気通路を開放し、タンクに貯留されている排気ガスとＮＯＸ吸蔵還元触媒から流出する排気ガスとを混合させながら酸化触媒に供給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】
タンクは、機関排気通路に沿って延びるように形成されており、
酸化触媒は、タンクの内部に配置されてい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４】
タンク内の圧力を検出する圧力検出装置を備え、
ＮＯＸ吸蔵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期間とリーンの期間とを繰り返す制御を行うように形成され、
流路変更装置は、酸化触媒に向かう機関排気通路を開放したときに、酸化触媒に流入する排気ガスの流量を調整できるように形成されており、
酸化触媒に向かう機関排気通路を開放している期間に、タンクの圧力低下速度を推定し、推定した圧力低下速度および予め定められた排気ガスの空燃比をリーンに保つ時間に基づいて、排気ガスの空燃比をリーンにする期間の終了時までにタンクの圧力が排気ガスを貯留する前の圧力まで降下するように、酸化触媒に流入する排気ガスの流量を調整することを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
機関本体を停止すべきときに、ＮＯＸ吸蔵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内燃機関の排気浄化装置であって、
理論空燃比またはリッチの排気ガスがＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入したときに、酸化触媒に向かう機関排気通路を遮断し、機関排気通路を遮断した状態で機関本体を停止し、
機関本体を再起動したときに酸化触媒に向かう流路を開放することを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
機関排気通路に配置され、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を吸蔵し、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蔵したＮＯＸを放出するＮＯＸ吸蔵還元触媒と、
ＮＯＸ吸蔵還元触媒の下流の機関排気通路に配置されている酸化触媒と、
ＮＯＸ吸蔵還元触媒と酸化触媒との間の機関排気通路に接続されている排気ガスのタンクと、
ＮＯＸ吸蔵還元触媒から酸化触媒に向かう機関排気通路を遮断するとともに、排気ガスをタンクに流入させる流路変更装置とを備え、
ＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンの期間中に、酸化触媒に向かう機関排気通路を遮断し、排気ガスがタンクに流入するように流路を切替えて、ＮＯＸ吸蔵還元触媒から流出する空燃比がリーンの排気ガスの少なくとも一部をタンクに貯留し、
ＮＯＸ吸蔵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場合に、酸化触媒に向かう機関排気通路を開放して、タンクに貯留されている排気ガスとＮＯＸ吸蔵還元触媒から流出する排気ガスとを混合させながら酸化触媒に供給することを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
タンクは、機関排気通路に沿って延びるように形成されており、
酸化触媒は、タンクの内部に配置されていることを特徴とする、請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
機関回転数が減少することによりＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの流速が減少しているときに、流路変更装置により空燃比がリーンの排気ガスをタンクに貯留し、
ＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの流速が減少した後に、ほぼ一定になったときにＮＯＸ吸蔵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とともに、酸化触媒に向かう機関排気通路を開放することを特徴とする、請求項６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などの内燃機関の排気ガスには、たとえば、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃炭化水素（ＨＣ）またはパティキュレート（ＰＭ）のほかに、窒素酸化物（ＮＯＸ）が含まれる。窒素酸化物を除去する方法の一つとして、機関排気通路にＮＯＸを還元する排気処理装置を配置することが知られている。
ＮＯＸを還元する装置は、一時的にＮＯＸを吸蔵するＮＯＸ吸蔵還元触媒を含む。ＮＯＸ吸蔵還元触媒は、排気ガスの空燃比が大きな時、すなわち、排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯＸを吸蔵する。これに対して、排気ガスの空燃比が小さい時、すなわち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、吸蔵されたＮＯＸを放出すると共に、排気ガスに含まれる還元剤によりＮＯＸが還元浄化される。
ＮＯＸ吸蔵還元触媒は、使用を継続すると次第にＮＯＸが蓄積する。また、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスにＳＯＸが含まれている場合にはＳＯＸが蓄積する。ＮＯＸ吸蔵還元触媒は、ＮＯＸまたはＳＯＸが多く蓄積すると、排気ガスからＮＯＸを除去する能力が低下する。このために、ＮＯＸ吸蔵還元触媒は、ＮＯＸまたはＳＯＸを放出するための再生処理が行なわれる。ＮＯＸを放出させる再生処理を行なう場合には、ＮＯＸ吸蔵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。ＳＯＸを放出させる再生処理を行なう場合には、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の温度をＳＯＸの放出が可能な温度以上にした後に、ＮＯＸ吸蔵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。
特開２００４−９２４３１号公報においては、第１部分排気通路および第２部分排気通路を有し、各部分排気通路が下流側において共通排気通路へと合流するようになっている排気通路と、それぞれの部分排気通路に配置されるＮＯＸ吸蔵剤と、共通排気通路に配置される酸化触媒とを有する排気ガス浄化装置が開示されている。この排気ガス浄化装置においては、ＮＯＸ吸蔵剤の硫黄分離脱制御が実施される時には、酸化触媒に流通する排気ガスの空燃比がわずかにリーンになるように、各部分排気通路の排気ガスの空燃比を制御する。この排気ガス浄化装置においては、ＮＯＸ吸蔵手段の硫黄分脱離制御が効率よく実施でき、かつＨ２Ｓの外部への放出が抑制されると開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−９２４３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＮＯＸ吸蔵還元触媒の再生処理を行う場合には、ＮＯＸ吸蔵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している。例えば、機関排気通路に未燃燃料を噴射することにより、ＮＯＸ吸蔵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している。
ＮＯＸ吸蔵還元触媒から流出する排気ガスには、ＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（未燃燃料）、Ｈ２Ｓ（硫化水素）、ＮＨ３（アンモニア）などの物質が含まれる。これらの物質は、酸化することにより浄化することができる。ＮＯＸ吸蔵還元触媒から流出するＨ２Ｓなどの酸化すべき物質を酸化するために、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の下流の機関排気通路に酸化触媒を配置することができる。ＮＯＸ吸蔵還元触媒から流出する排気ガスに酸素が多く含まれている場合には、酸化触媒により効果的に酸化することができる。
ところが、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の再生を行なう場合には、ＮＯＸ吸蔵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。排気ガスに含まれる酸素の量は、酸化すべき物質を酸化するために必要な量に対して不十分になる。このために、酸化触媒において酸化すべき物質の酸化反応が十分に生じずに、酸化触媒をすり抜けて大気中に放出される場合があるという問題があった。
上記の特開２００４−９２４３１号公報に開示されている装置は、機関排気通路を並列に２つ形成して、更に、それぞれの通路にＮＯＸ吸蔵触媒、燃料添加装置および仕切弁を配置しなければならず、構成が複雑になるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、排気ガスに含まれる酸化すべき物質が大気中に放出されること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を吸蔵し、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蔵したＮＯＸを放出するＮＯＸ吸蔵還元触媒と、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の下流の機関排気通路に配置されている酸化触媒と、ＮＯＸ吸蔵還元触媒と酸化触媒との間の機関排気通路に接続されている排気ガスのタンクと、ＮＯＸ吸蔵還元触媒から酸化触媒に向かう機関排気通路を遮断するとともに、排気ガスをタンクに流入させる流路変更装置とを備える。ＮＯＸ吸蔵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場合に、酸化触媒に向かう機関排気通路を遮断し、排気ガスがタンクに流入するように流路を切替えて、ＮＯＸ吸蔵還元触媒から流出する空燃比が理論空燃比またはリッチの排気ガスの少なくとも一部をタンクに貯留する。
上記発明においては、ＮＯＸ吸蔵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の状態からリーンの状態に切り替えるとともに、酸化触媒に向かう機関排気通路を開放し、タンクに貯留されている排気ガスとＮＯＸ吸蔵還元触媒から流出する排気ガスとを混合させながら酸化触媒に供給することが好ましい。
上記発明においては、タンクは、機関排気通路に沿って延びるように形成されており、酸化触媒は、タンクの内部に配置されていることが好ましい。
上記発明においては、タンク内の圧力を検出する圧力検出装置を備え、ＮＯＸ吸蔵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期間とリーンの期間とを繰り返す制御を行うように形成され、流路変更装置は、酸化触媒に向かう機関排気通路を開放したときに、酸化触媒に流入する排気ガスの流量を調整できるように形成されており、酸化触媒に向かう機関排気通路を開放している期間に、タンクの圧力低下速度を推定し、推定した圧力低下速度および予め定められた排気ガスの空燃比をリーンに保つ時間に基づいて、排気ガスの空燃比をリーンにする期間の終了時までにタンクの圧力が排気ガスを貯留する前の圧力まで降下するように、酸化触媒に流入する排気ガスの流量を調整することが好ましい。
上記発明においては、機関本体を停止すべきときに、ＮＯＸ吸蔵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内燃機関の排気浄化装置であって、理論空燃比またはリッチの排気ガスがＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入したときに、酸化触媒に向かう機関排気通路を遮断し、機関排気通路を遮断した状態で機関本体を停止し、機関本体を再起動したときに酸化触媒に向かう流路を開放することができる。
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を吸蔵し、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蔵したＮＯＸを放出するＮＯＸ吸蔵還元触媒と、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の下流の機関排気通路に配置されている酸化触媒と、ＮＯＸ吸蔵還元触媒と酸化触媒との間の機関排気通路に接続されている排気ガスのタンクと、ＮＯＸ吸蔵還元触媒から酸化触媒に向かう機関排気通路を遮断するとともに、排気ガスをタンクに流入させる流路変更装置とを備える。ＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンの期間中に、酸化触媒に向かう機関排気通路を遮断し、排気ガスがタンクに流入するように流路を切替えて、ＮＯＸ吸蔵還元触媒から流出する空燃比がリーンの排気ガスの少なくとも一部をタンクに貯留し、ＮＯＸ吸蔵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場合に、酸化触媒に向かう機関排気通路を開放して、タンクに貯留されている排気ガスとＮＯＸ吸蔵還元触媒から流出する排気ガスとを混合させながら酸化触媒に供給する。
上記発明においては、タンクは、機関排気通路に沿って延びるように形成されており、酸化触媒は、タンクの内部に配置されていることが好ましい。
上記発明においては、機関回転数が減少することによりＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの流速が減少しているときに、流路変更装置により空燃比がリーンの排気ガスをタンクに貯留し、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの流速が減少した後に、ほぼ一定になったときにＮＯＸ吸蔵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とともに、酸化触媒に向かう機関排気通路を開放することができる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、排気ガスに含まれる酸化すべき物質が大気中に放出されることを抑制する内燃機関の排気浄化装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施の形態１における内燃機関の概略図である。
【図２】ＮＯＸ吸蔵還元触媒の概略断面図である。
【図３】実施の形態１における第１の運転制御のタイムチャートである。
【図４】実施の形態１における第１の運転制御を行っているときの排気管およびタンクの第１の拡大概略断面図である。
【図５】実施の形態１における第１の運転制御を行っているときの排気管およびタンクの第２の拡大概略断面図である。
【図６】実施の形態１における第２の運転制御のタイムチャートである。
【図７】実施の形態１における第３の運転制御のタイムチャートである。
【図８】実施の形態１における第３の運転制御を行っているときの排気管およびタンクの拡大概略断面図である。
【図９】通常運転時における燃焼室における噴射パターンである。
【図１０】機関排気通路に未燃燃料を供給する時の燃焼室における噴射パターンである。
【図１１】実施の形態１における他の内燃機関の排気浄化装置の排気管およびタンクの拡大概略断面図である。
【図１２】実施の形態２における第１の運転制御を行っているときの排気管およびタンクの拡大概略断面図である。
【図１３】実施の形態２における第２の運転制御のタイムチャートである。
【図１４】実施の形態３における第１の運転制御のタイムチャートである。
【図１５】実施の形態３における第２の運転制御のタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
実施の形態１
図１から図１１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。機関本体１は、各気筒の燃焼室２と、各燃焼室２内に夫々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。
本実施の形態における内燃機関は、過給機としての排気ターボチャージャ７を備える。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。機関吸気通路を構成する吸気ダクト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、排気マニホールド５は、排気ターボチャージャ７のタービン７ｂの入口に連結されている。排気タービン７ｂの出口は、排気管１２を介してＮＯＸ吸蔵還元触媒（ＮＳＲ）１６に連結されている。ＮＯＸ吸蔵還元触媒１６の下流の機関排気通路内には酸化触媒１７が配置されている。酸化触媒１７は、排気管１２を介してＮＯＸ吸蔵還元触媒１６に連結されている。
ＮＯＸ吸蔵還元触媒１６の上流側の排気管１２には、排気管１２の内部に未燃燃料を供給するための燃料供給装置として、燃料添加弁１５が配置されている。燃料添加弁１５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排気浄化装置は、機関本体１の燃料が燃料添加弁１５から噴射されるように形成されている。燃料添加弁１５から噴射する燃料は、この形態に限られず、機関本体１の燃料とは異なる燃料を噴射するように形成されていても構わない。排気ガスは、矢印１００に示すように、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１６に向かって流れる。
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に導かれ、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。このコモンレール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に貯蔵されている燃料は、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内燃機関の制御装置は、電子制御ユニット３０を含む。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を備える。ＲＯＭ３２は、読み込み専用の記憶装置であり、制御を行なうための必要なマップ等の情報が予め記憶されている。ＣＰＵ３４は、任意の演算や判断を行なうことができる。ＲＡＭ３３は、読み書きが可能な記憶装置であり、運転履歴などの情報を保存したり、演算結果を一時的に保存したりすることができる。
機関排気通路において、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１６の下流には、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１６の温度を検出するための温度センサ２６が配置されている。また、酸化触媒１７の下流には、酸化触媒１７の温度を検出するための温度センサ２７が配置されている。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。
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１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。また、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１５に接続されている。それぞれの装置は、電子制御ユニット３０により制御されている。
本実施の形態の排気浄化装置は、機関排気通路を遮断することができる開閉弁５２を備える。開閉弁５２は、機関排気通路内に配置されている。開閉弁５２は、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１６と酸化触媒１７との間に配置されている。本実施の形態における開閉弁５２は、バタフライ弁である。開閉弁５２は、回動軸の周りに回動する板状部材を備える。板状部材は、面積が最大になる面積最大面を有する。開閉弁５２は、板状部材の面積最大面が、矢印１００に示す排気ガスの流れ方向とほぼ平行になったときに全開状態となる。開閉弁５２は、板状部材の面積最大面が、排気ガスの流れ方向とほぼ垂直になったときに全閉状態となる。開閉弁５２は、対応する駆動回路３８を介して電子制御ユニット３０の出力ポート３６に接続されている。開閉弁５２は、電子制御ユニット３０に制御されている。
本実施の形態の排気浄化装置は、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１６と酸化触媒１７との間の機関排気通路に接続されているタンク５１を備える。タンク５１は、排気ガスを一時的に貯留する排気タンクである。本実施の形態におけるタンク５１は、排気管１２に沿って延びるように形成されている。タンク５１は、排気管１２の一部分を覆うように形成されている。タンク５１は、排気ガスを十分に貯留できる容積を有することが好ましい。例えば、タンク５１は、タンク５１の内部に配置されている排気管１２の容積よりも数倍以上の容積を有することが好ましい。
排気管１２には、連通口６１が形成されている。本実施の形態における連通口６１は、開閉弁５２よりも上流側に形成されている。連通口６１により、排気管１２とタンク５１とが接続されている。すなわち、機関排気通路とタンクとの接続点は、開閉弁５２よりも上流側に配置されている。
本実施の形態の排気浄化装置は、タンク５１の内部の圧力を検出する圧力検出装置としての圧力センサ５５を含む。本実施の形態における圧力センサ５５は、タンク５１の壁面に配置されている。圧力センサ５５の出力は、電子制御ユニット３０の入力ポート３５に入力されている。
本実施の形態においては、開閉弁５２が酸化触媒１７に向かう機関排気通路を遮断し、排気ガスがタンクに流入するように流路を変更する流路変更装置として機能する。開閉弁５２を閉じることにより、酸化触媒１７に向かう流路が遮断される。排気ガスは、連通口６１を通ってタンク５１に流入する。タンク５１は、内部の圧力が上昇しながら排気ガスを貯留することができる。開閉弁５２を開くことにより、排気ガスは排気管１２を通って酸化触媒１７に流入する。
排気ガスを貯留するタンクとしては、上記の形態に限られず、排気ガスを一時的に貯留することができるように形成されていれば構わない。例えば、排気管１２から離れた部分にタンクが配置され、排気管とタンクとの間が連通管で接続されていても構わない。また、流路変更装置としては、開閉弁に限られず、酸化触媒に向かう機関排気通路を遮断するとともに、排気ガスをタンクに流入させる任意の装置を採用することができる。
図２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１６は、機関本体１から排出される排気ガスに含まれるＮＯＸを一時的に吸蔵して、吸蔵したＮＯＸを放出するときにＮ２に変換する触媒である。
ＮＯＸ吸蔵還元触媒１６は、基体上に例えばアルミナからなる触媒担体４５が担持されている。触媒担体４５の表面上には貴金属触媒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。貴金属触媒４６としては、例えば白金Ｐｔが用いられる。ＮＯＸ吸収剤４７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、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）と称すると、排気ガスの空燃比がリーンのとき（理論空燃比より大きなとき）には、排気ガス中に含まれるＮＯが貴金属触媒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（理論空燃比より小さなとき）或いは理論空燃比になると、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）に進む。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等によってＮ２に還元される。
本実施の形態においては、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に蓄えられるＮＯＸ吸蔵量を推定する。たとえば、機関回転数Ｎと燃料噴射量Ｑとを関数にする単位時間あたりのＮＯＸ量ＮＯＸＡのマップを電子制御ユニット３０のＲＯＭ３２に内蔵する。運転状態に応じて算出される単位時間あたりのＮＯＸ吸蔵量を積算することにより、任意の時刻におけるＮＯＸ吸蔵量を算出することができる。
酸化触媒１７は、酸化能力を有する触媒である。酸化触媒１７は、例えば、排気ガスの流れ方向に延びる隔壁を有する基体を備える。基体は、例えばハニカム構造に形成されている。基体は、たとえば円筒形状のケースに収容される。基体の表面には、例えば多孔質酸化物粉末により、触媒担持層としてのコート層が形成されている。コート層には、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｄ）、パラジウム（Ｐｄ）のような貴金属で形成された触媒金属が担持されている。酸化触媒としては、この形態に限られず、酸化機能を有する任意の排気処理装置を採用することができる。たとえば、酸化能力を有する貴金属が担持されている触媒を酸化触媒として配置することができる。
図３に、本実施の形態における第１の運転制御のタイムチャートを示す。第１の運転制御においては、ＮＯＸ吸蔵還元触媒からＮＯＸを放出させる再生制御を行う。本実施の形態においては、排気管１２に配置されている燃料添加弁１５から未燃燃料を機関排気通路内に供給することにより、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１６に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしている。
時刻ｔ１までは、通常運転を行っている。時刻ｔ１までは、機関排気通路に配置されている開閉弁５２は全開状態である。時刻ｔ１において、ＮＯＸ吸蔵還元触媒におけるＮＯＸ吸蔵量が許容値に達している。第１の運転制御においては、時刻ｔ１から時刻ｔ２までに、燃料添加弁１５から燃料を供給する。本実施の形態においては、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間において、燃料添加弁から連続的に複数回の燃料噴射を行なっている。ＮＯＸ吸蔵還元触媒１６に流入する排気ガスの空燃比がリッチになる。ＮＯＸ吸蔵還元触媒１６では、ＮＯＸが放出されるとともにＮ２に還元される。
第１の運転制御においては、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間に開閉弁５２を全閉状態にしている。開閉弁５２を全閉の状態にすることにより、酸化触媒１７に向かう機関排気通路を遮断している。
図４に、第１の運転制御において、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにして開閉弁を閉じたときの排気管およびタンクの拡大概略断面図を示す。開閉弁５２を閉じることにより、酸化触媒１７に向かう機関排気通路が遮断される。排気ガスは、矢印１０１に示すように、排気管１２に形成されている連通口６１を通ってタンク５１に流入する。ＮＯＸ吸蔵還元触媒から流出する空燃比がリッチの排気ガスは、タンク５１に貯留される。
図３を参照して、時刻ｔ１において開閉弁５２が閉じることにより、タンク５１の圧力が上昇する。時刻ｔ２において、燃料添加弁１５からの燃料の供給を停止する。燃料添加弁１５からの燃料の供給を停止することにより、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１６に流入する排気ガスの空燃比がリーンになる。時刻ｔ２において、排気ガスの空燃比がリーンになるとともに、開閉弁５２を全開状態にしている。
図５に、第１の運転制御において、開閉弁を閉じた状態から開いた状態に変更したときの排気管およびタンクの拡大概略断面図を示す。タンク５１の内部には、空燃比がリッチの排気ガスが貯留されている。タンク５１の内部に貯留されている排気ガスは、矢印１０３に示すように、連通口６１を通って排気管１２の内部に流入する。ＮＯＸ吸蔵還元触媒１６からは、矢印１０２に示すように、空燃比がリーンの排気ガスが流出する。
タンク５１に貯留されていた空燃比がリッチの排気ガスと、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１６から流出する空燃比がリーンの排気ガスとが合流する。タンク５１の排気ガスは、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１６から流出するリーンの排気ガスと混合され、酸素を多く含んだ排気ガスになる。本実施の形態においては、酸化触媒１７に流入する排気ガスの空燃比はリーンである。
酸化触媒１７に向かう排気ガスは、酸素が過剰の状態である。このため酸化触媒１７においては、酸化すべき物質の酸化を良好に行なうことができる。例えば、排気ガスに含まれるＨＣ、ＣＯ、Ｈ２Ｓ、ＮＨ３などを酸化により浄化することができる。これらの物質を例えばＣＯ２、Ｈ２Ｏ、またはＳＯ２などに変換させることができる。
図３を参照して、時刻ｔ２において開閉弁５２を開くことにより、タンクの圧力は減少する。タンク５１の圧力が通常運転時の圧力まで低下している。時刻ｔ１の圧力まで下降している。時刻ｔ３以降は同様の制御を繰り返している。たとえば、時刻ｔ３から時刻ｔ４までは、燃料添加弁１５からの燃料の供給を行うとともに、開閉弁５２を閉じてＮＯＸの放出を行なっている。
本実施の形態においては、空燃比がリッチの排気ガスを一時的にタンクに貯めることができる。このため、排気ガスに含まれる酸素が不足する状態で、酸化触媒に酸化すべき物質が供給されることを抑制できる。この結果、酸化すべき物質が酸化触媒をすり抜けて大気中に放出されることを抑制できる。
また、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチの状態からリーンの状態に切り替える場合に開閉弁５２を開く制御を行っている。この制御により、タンク５１に貯留していた空燃比がリッチの排気ガスを、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１６から流出する空燃比がリーンの排気ガスと混合させることができる。酸化触媒に向かう排気ガスを、酸素が多く含まれた状態にすることができ、酸化触媒にて浄化すべき物質を効果的に酸化することができる。
タンクに貯留した空燃比がリッチの排気ガスの空燃比を上昇させる装置は、この形態に限られず、たとえば、タンクの内部にさらに空気を充填する装置を接続し、空気を充填することにより空燃比を上昇させても構わない。
本実施の形態においては、排気管およびタンクを接続する連通口６１と、酸化触媒１７とが所定の距離をあけて配置されている。このため、排気管１２の内部において、タンクから流出する排気ガスとＮＯＸ吸蔵還元触媒から流出する排気ガスとを十分に混合することができる。この結果、局所的に排気ガスの空燃比が低い部分が形成されることを回避できる。酸化すべき物質の一部が酸化触媒１７を通り抜けて、大気中に放出されることを抑制できる。
本実施の形態の第１の運転制御においては、燃料添加弁からの燃料の供給を開始する時刻と同時に、開閉弁５２を全閉状態にしているが、この形態に限られず、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１６から流出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期間の少なくとも一部の期間に、酸化触媒に向かう排気ガスの流れを遮断することができる。または、ＮＯＸ吸蔵還元触媒から流出する空燃比が理論空燃比またはリッチの排気ガスの少なくとも一部を、タンク５１に貯留するように開閉弁を制御することができる。
図６に、本実施の形態における第２の運転制御のタイムチャートを示す。第２の運転制御においては、時刻ｔ１において燃料添加弁１５からの燃料の供給を開始した直後に、開閉弁５２を閉じている。開閉弁５２を閉じる時期を時刻ｔ１よりも遅らせている。
燃料添加弁が連通口から所定の距離をあけて配置されている場合には、空燃比がリッチの排気ガスが、連通口に到達するまでに所定の時間を要する。このために、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにする場合に、開閉弁を閉じる時刻を遅らせても構わない。
または、開閉弁などの流路変更装置の作動時間を考慮して、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチになる直前に、開閉弁を閉じても構わない。例えば、図６に示す制御例においては、時刻ｔ１の直前に開閉弁の開度を零にしても構わない。
また、第２の運転制御においては、時刻ｔ２において燃料添加弁１５の燃料の供給を停止した直後に開閉弁を開いている。燃料添加弁が連通口から離れて配置されている場合には、空燃比がリーンの排気ガスが連通口に到達するまでに所定の時間を要する。開閉弁を開く時刻を燃料添加弁からの燃料供給の停止時刻よりも遅らせることにより、空燃比がリッチの排気ガスを確実にタンクに貯留することができる。すなわち、燃料の供給を停止した時刻において、燃料添加弁から連通口までに存在する空燃比がリッチの排気ガスをタンクに貯めることができる。この制御により、酸化すべき物質が大気中に放出されることをより確実に抑制できる。
更に、開閉弁を開ける時刻をさらに遅らせることができる。空燃比がリッチの排気ガスがタンク５１に流入した後の所定の時間経過後に開閉弁を開けることができる。この制御により、空燃比がリッチの排気ガスに加えて空燃比がリーンの排気ガスをタンクに貯めることができる。タンク５１の内部で、これらの排気ガスを混合することができる。タンクに貯留する排気ガスの空燃比を上昇させることができる。タンクに貯留した排気ガスをＮＯＸ吸蔵還元触媒から流出した排気ガスに合流させる前に予め希釈することができる。時刻ｔ３から時刻ｔ４までは、時刻ｔ１から時刻ｔ２と同様の制御を繰り返している。
図７に、本実施の形態における第３の運転制御のタイムチャートを示す。第３の運転制御においても、ＮＯＸ吸蔵還元触媒からＮＯＸを放出する再生制御を行なう。
時刻ｔ１までは、通常運転を行なっている。時刻ｔ１において、開閉弁５２を閉じている。燃料添加弁１５から燃料を供給する前に開閉弁５２を閉じている。空燃比がリーンの排気ガスがタンク５１に貯留される。タンク５１の圧力が上昇する。時刻ｔ２から時刻ｔ３まで燃料添加弁１５から燃料を供給することにより、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしている。ＮＯＸ吸蔵還元触媒においてＮＯＸを放出させている。第３の運転制御においては、時刻ｔ２において開閉弁５２を開いている。排気ガスの空燃比をリッチにする場合に、開閉弁５２を開いている。
図８に、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチになったときの排気管およびタンクの拡大概略断面図を示す。ＮＯＸ吸蔵還元触媒１６からは、空燃比がリッチの排気ガスが流出する。開閉弁５２を開くことにより、矢印１０３に示すように、タンク５１に貯留していたリーンの排気ガスが、連通口６１を介して排気管１２の内部に流入する。
空燃比がリーンの排気ガスは、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１６から流出する空燃比がリッチの排気ガスと混合される。矢印１０２に示すように、混合された排気ガスが酸化触媒１７に向かう。ＮＯＸ吸蔵還元触媒から流出する空燃比がリッチの排気ガスにリーンの排気ガスが混合されることにより、酸化触媒１７に向かう排気ガスの空燃比をリーンにすることができる。酸化すべき物質を酸化するために必要な酸素量よりも多くの酸素を含ませることができる。このため、酸化触媒１７において、酸化すべき物質を効果的に酸化することができる。
図７を参照して、時刻ｔ２において開閉弁を開くことによりタンクの圧力が減少する。図７に示す制御例においては、時刻ｔ４まで開閉弁を開いた状態にしている。時刻ｔ４において、開閉弁を全閉状態に変更して、タンクに空燃比がリーンの排気ガスを再び貯留している。時刻ｔ５から時刻ｔ７までは、時刻ｔ２から時刻ｔ４までと同様の制御を繰り返している。
第３の運転制御においては、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンの期間中に、酸化触媒に向かう機関排気通路を遮断し、排気ガスがタンクに流入するように流路を切替える。タンクには空燃比がリーンの排気ガスが貯留される。この後に、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするとともに、開閉弁を開いてタンクに貯留しているリーンの排気ガスをＮＯＸ吸蔵還元触媒から流出する空燃比がリッチの排気ガスと混合させる。このように、酸化触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーンにする。酸化触媒に流入する排気ガスには、十分な酸素が含まれており、酸化すべき物質を効果的に酸化することができる。
図７に示す制御例においては、時刻ｔ２において燃料添加弁からの燃料の供給と開閉弁を開く操作とをほぼ同時に行っているが、この形態に限られず、燃料供給の直前又は直後に開閉弁を開いても構わない。空燃比がリッチの排気ガスがＮＯＸ吸蔵還元触媒から流出する期間のうち少なくとも一部の期間に開閉弁を開いて、ＮＯＸ吸蔵還元触媒から流出する排気ガスとタンクの排気ガスとを混合させるように制御されていれば構わない。
上記の運転制御例においては、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることによりＮＯＸを放出させる制御を例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比にする場合にも同様の制御を行うことができる。
上記の運転制御においては、開閉弁を開くときには開度を全開にしているが、この形態に限られず、開閉弁を部分的に開いた状態にしても構わない。また、開閉弁を閉じるときには開度を全閉にしているが、この形態に限られず、酸化触媒に向かう機関排気通路が実質的に遮断され、タンク内部の圧力が上昇するように閉じていれば構わない。
本実施の形態においては、機関排気通路に未燃燃料を供給する燃料供給装置として、燃料添加弁を配置しているが、この形態に限られず、燃料供給装置は、機関排気通路に未燃燃料を供給できる任意の装置を採用することができる。たとえば、燃焼室における燃料の噴射パターンの変更により、機関排気通路に未燃燃料を供給することができる。
図９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が行なわれている。
図１０に、機関排気通路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Ｂ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時期に行う噴射である。ポスト噴射ＦＰＯは、補助噴射である。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。ポスト噴射を行うことにより、機関排気通路に未燃燃料を供給することができる。
また、主噴射の後に行う補助噴射としては、ポスト噴射に限られず、燃焼室に噴射した燃料の少なくとも一部が燃焼する時期に行なうアフター噴射を含んでいても構わない。
上述の説明においては、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の再生処理のうち、ＮＯＸの放出について説明を行ったが、この形態に限られず、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に蓄積するＳＯＸを放出する再生処理にも、本発明を適用することができる。
内燃機関の排気ガスには、硫黄酸化物（ＳＯＸ）が含まれる場合がある。この場合に、ＮＯＸ吸蔵還元触媒は、ＮＯＸの吸蔵と同時にＳＯＸも吸蔵する。ＳＯＸが吸蔵されると、ＮＯＸの吸蔵可能量が低下する。このように、ＮＯＸ吸蔵還元触媒には、いわゆる硫黄被毒が生じる。硫黄被毒を解消するために、ＳＯＸを放出する硫黄被毒回復処理が行なわれる。ＳＯＸは、ＮＯＸに比べて安定な状態でＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵される。このため、硫黄被毒回復処理においては、ＮＯＸ吸蔵還元触媒を昇温した上で、空燃比がリッチの排気ガスまたは理論空燃比の排気ガスを供給することによりＳＯＸを放出する。
ＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＳＯＸ量の算出においては、蓄積されるＮＯＸ量の算出と同様に、機関回転数と燃料噴射量を関数にする単位時間当たりのＳＯＸ蓄積量のマップを電子制御ユニットに記憶させる。単位時間当たりのＳＯＸ蓄積量を積算することにより、任意の時刻におけるＳＯＸの蓄積量を算出することができる。ＳＯＸの蓄積量が許容値を超えた場合にＳＯＸを放出させる再生制御を行なうことができる。
硫黄被毒を回復するためには、予め任意の方法によりＮＯＸ吸蔵還元触媒の温度をＳＯＸ放出が可能な温度まで上昇させる。次に、本実施の形態における制御を行って、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチまたは理論空燃比にする。ＮＯＸ吸蔵還元触媒からＳＯＸを放出させることができる。
図１１に、本実施の形態における第２の内燃機関の排気浄化装置の排気管とタンクとの拡大概略断面図を示す。第２の内燃機関の排気浄化装置は、酸化触媒１７が、タンク５１の内部に配置されている。タンク５１は、排気管１２に沿って延びるように形成されている。タンク５１の容積は、タンク５１の内面と、排気管１２および酸化触媒１７の外面とに囲まれる空間によって構成されている。
酸化触媒１７がタンク５１の内部に配置されていることにより、タンク５１の排気管１２の延びる方向の長さを長くすることができ、タンク５１の径を小さくすることができる。または、小さい空間にタンク５１を配置することができる。
さらに、タンク５１は、酸化触媒１７を保温する効果を有する。すなわち、タンク５１の内部に滞留する気体が断熱材となって、酸化触媒１７からの放熱を抑制することができる。たとえば、酸化触媒１７が、活性化温度未満になることを抑制することができる。
実施の形態２
図１２および図１３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排気浄化装置は、排気ガスの流量を調整する機能を有する流路変更装置を備える。
図１２に、本実施の形態の排気浄化装置の排気管およびタンクの拡大概略断面図を示す。本実施の形態における流路変更装置は、開閉弁５２を含む。本実施の形態における開閉弁５２は、バタフライ弁であり、回動可能に形成されている。開閉弁５２は、板状部材が任意の角度で停止できるように形成されている。開閉弁５２は、開度を調整できるように形成されている。開閉弁５２は、酸化触媒１７に向かう排気ガスの流量を調整できるように形成されている。
本実施の形態の第１の運転制御においては、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１６に流入する排気ガスの空燃比がリッチの期間に開閉弁５２を閉じた状態にして、空燃比がリッチの排気ガスをタンク５１に貯留する。図１２は、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチからリーンに切り替えた後の断面図である。ＮＯＸ吸蔵還元触媒１６から流出する空燃比がリーンの排気ガスに対して、タンク５１に貯留していた空燃比がリッチの排気ガスを混合している。
本実施の形態の第１の運転制御において、開閉弁５２は、板状部材の面積最大面が排気ガスの流れ方向に対して傾斜する角度で停止している。すなわち、開閉弁５２は、全開状態ではなく中程度の開度で停止している。
板状部材の面積最大面が排気ガスの流れ方向に対して傾斜する角度で、開閉弁５２を停止させることにより、矢印１０２に示すように、排気管１２を流れる排気ガスの流れが乱される。開閉弁５２の下流側において、排気ガスを十分に混合することができる。この結果、酸化触媒１７に流入する排気ガスにおいて局所的に酸化すべき物質の濃度が高くなることを抑制でき、酸化すべき物質のすり抜けを回避できる。
開閉弁５２の開度を小さくすることにより、すなわち、流路断面積を小さくすることにより、排気ガスの流れをより乱すことができる。しかしながら、開閉弁５２の開度が小さすぎると圧力損失が大きくなり、タンク５１の排気ガスの圧力降下に時間がかかる。開閉弁５２は、タンク５１の圧力が予め定められた時間内に通常運転時の圧力まで戻るような開度に設定されることが好ましい。
本実施の形態においては、機関排気通路に開度を調整できるバタフライ弁を配置しているが、この形態に限られず、流量を変更できる任意の流路変更装置を採用することができる。また、排気管の内部の流れを乱すための攪拌部材を配置することにより、混合気の流れを乱しても構わない。例えば、攪拌部材として排気管の内部に流れを乱す邪魔板を配置しても構わない。
図１３に、本実施の形態における第２の運転制御のタイムチャートを示す。第２の運転制御においては、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにする制御を複数回行なう。第２の運転制御においては、排気ガスの空燃比がリーンの期間中に、タンクの圧力が通常運転の圧力まで低下するように制御を行う。
時刻ｔ１までは通常運転を行なっている。時刻ｔ１において、燃料添加弁１５からの燃料の供給を開始するとともに開閉弁５２を閉じている。ＮＯＸ吸蔵還元触媒１６に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしている。時刻ｔ２まで、燃料添加弁１５からの燃料の供給を継続する。時刻ｔ２において、燃料添加弁１５からの燃料の供給を停止するとともに開閉弁５２を部分的に開いた状態にする。
本実施の形態においては、圧力センサ５５によりタンク５１の内部の圧力Ｐを検出する（図１２参照）。通常運転時の圧力Ｐｉｎｉを電子制御ユニット３０のＲＡＭ３３に記憶させておく。本実施の形態においては、時刻ｔ１における圧力Ｐｉｎｉを初期圧力として記憶させている。
本実施の形態においては、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの排気ガスの空燃比がリーンになる時間が予め定められている。時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間において、微小時間ｄｔにおける圧力降下ｄＰを検出する。すなわち、空燃比がリーンの期間における圧力降下速度を算出する。算出した圧力降下速度により、タンク５１の圧力Ｐが通常運転時の圧力Ｐｉｎｉに復帰する時刻ｔｘを予測することができる。この時刻ｔｘが、次回の空燃比をリッチにする時刻ｔ３よりも遅くなる場合には、開閉弁５２の開度をより大きくするフィードバック制御を行っている。
この制御を行うことにより、次回の排気ガスの空燃比がリッチになる時刻ｔ３までに、タンク５１の圧力Ｐを通常運転時の圧力Ｐｉｎｉまで戻すことができる。排気ガスの空燃比がリッチになる制御を複数回行う場合に、排気ガスの空燃比をリッチにする期間ごとにタンク５１の圧力が上昇していくことを抑制できる。図１３に示す制御例においては、時刻ｔ２において開閉弁を部分的に開いている。その後に、開閉弁の開度が徐々に大きくなり、所定の開度に達したときに一定になっている。
時刻ｔ３から時刻ｔ４までは、時刻ｔ１から時刻ｔ２までと同様の制御を行なっている。時刻ｔ４以降においても、排気ガスの空燃比を複数回リッチにする制御において、同様の制御を行なうことができる。
第２の運転制御においては、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間全体にわたって、タンクの圧力降下速度を算出して開閉弁の開度を定める制御を繰り返し行っているが、この形態に限られず、排気ガスの空燃比がリーンになる期間のうち、任意の期間にタンクの圧力降下速度に基づいて開閉弁の開度を調整する制御を行うことができる。
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。
実施の形態３
図１４および図１５を参照して、実施の形態３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は、過給機を備える。
図１４は、本実施の形態における第１の運転制御のタイムチャートである。第１の運転制御では、スロットル弁の開度が減少し、内燃機関の回転数が減少しているときに、機関排気通路に燃料を供給してＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸの放出を行う。
時刻ｔ１までは、アクセルペダル４０が所定の量で踏み込まれている（図１参照）。スロットル弁１０は、所定の開度で開いており、内燃機関は所定のトルクを出力している。時刻ｔ１において、アクセルペダル４０が元に戻されて減速を開始している。スロットル弁１０の開度が小さくなるとともに、燃料噴射弁３からの燃料の噴射を停止するフュエルカットを行なっている。
機関本体１に流入する吸入空気流量は、時刻ｔ１から減少する。このときに、アクセルペダル４０を元に戻しても、排気ターボチャージャ７は慣性により暫らく回転を継続する。このために、吸入空気流量は急激に減少せずに、徐々に減少する。
第１の運転制御においては、時刻ｔ１にて開閉弁５２を開いた状態から閉じた状態に変更している。吸入空気流量が減少している期間を利用して、タンク５１に空燃比がリーンの排気ガスを貯留する。時刻ｔ２において、吸入空気流量が低下してほぼ一定になっている。ＮＯＸ吸蔵還元触媒１６における排気ガスの空間速度が遅くなっている。
時刻ｔ２において、燃料添加弁１５から燃料を供給する。本実施の形態においては、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１６に流入する排気ガスの空燃比を深いリッチにするリッチスパイク制御を行なっている。単位時間当たりに燃料添加弁１５から供給する燃料を多くすることにより、排気ガスの空燃比を深いリッチにすることができる。ＮＯＸ吸蔵還元触媒ではＮＯＸが放出される。
第１の運転制御においては、リッチスパイク制御の後の時刻ｔ３において、開閉弁５２を開いている。ＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入してＮＯＸの放出および還元を行なった排気ガスは、タンクに貯留されている空燃比がリーンの排気ガスと混合される。混合気は、排気ガスの空燃比がリーンになって酸化触媒に流入する。酸化触媒においては、酸化すべき物質を効果的に酸化することができる。
本実施の形態の第１の運転制御においては、減速開始直後の過給残りを利用して、空燃比がリーンの排気ガスをタンクに貯留することができる。吸入空気流量が減少して、ＮＯＸ吸蔵還元触媒における空間速度が低くなったときに、排気ガスの空燃比をリッチにすることにより、ＮＯＸ吸蔵還元触媒における反応時間を長くすることができる。この結果、好適なＮＯＸ吸蔵還元触媒の再生を行うことができる。
第１の運転制御においては、リッチスパイク制御の後に開閉弁を開いているが、この形態に限られず、リッチ制御スパイクの開始とほぼ同時に開閉弁を開いても構わない。または、リッチスパイク制御の直前に開閉弁を開いても構わない。
図１５に、本実施の形態における第２の運転制御のタイムチャートを示す。第２の運転制御では、内燃機関を停止するときのＮＯＸ吸蔵還元触媒の再生について説明する。
時刻ｔ１までは、機関本体が稼動している。時刻ｔ１までは、例えばアイドリング状態で運転を継続している。時刻ｔ１において、内燃機関を停止させる信号が発信されている。時刻ｔ１以降においては、機関回転数が時間とともに減少する。吸入空気流量も同様に減少する。時刻ｔ３において、機関本体が停止するとともに吸入空気流量が零になっている。
第２の運転制御においては、時刻ｔ１の直後の時刻ｔ２において、開閉弁を開いた状態から閉じた状態にしている。酸化触媒に向かう機関排気通路を遮断している。時刻ｔ２から排気ガスをタンクに貯留している。時刻ｔ２から時刻ｔ３まではタンクの圧力が上昇する。
第２の運転制御においては、機関本体の回転数が零になるまでの期間に、燃料添加弁から未燃燃料を供給してＮＯＸの放出を行なっている。第２の運転制御においては、時刻ｔ２にてＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比を深いリッチにするリッチスパイク制御を行なっている。このときに、開閉弁が閉じているために、タンクに空燃比がリッチの排気ガスが貯留される。この後に、開閉弁を全閉の状態に維持したままで機関本体を停止する。
時刻ｔ４において、内燃機関を再始動している。時刻ｔ４において、開閉弁を開いている。酸化触媒に向かう機関排気通路を開放している。停止前にタンクに貯留した空燃比がリッチの排気ガスは、ＮＯＸ吸蔵還元触媒から流出する空燃比がリーンの排気ガスと混合される。このため、空燃比がリーンの排気ガスを酸化触媒に供給することができる。時刻ｔ４において開閉弁を開くことによりタンクの圧力が減少する。時刻ｔ５において、機関本体がアイドリングの状態になっている。
このように、機関本体を停止すべきときに、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにする制御を行っても、再起動時に空燃比がリーンの排気ガスと混合させることができて、酸化すべき物質を効果的に酸化することができる。
第２の運転制御においては、機関本体の停止信号が発信された後に、燃料添加弁からの燃料の供給を行なっているが、この形態に限られず、機関本体を停止させる信号の発信とほぼ同時に、燃料添加弁から燃料を供給しても構わない。また、機関本体を停止させる信号の発信とほぼ同時に、開閉弁を閉じても構わない。
機関排気通路に未燃燃料を供給した直後に、内燃機関の停止信号が発信された場合には、第２の運転制御と同様に、内燃機関の停止期間に亘って、開閉弁の開度を全閉状態で維持することができる。
本実施の形態においては、排気ガスの空燃比を深いリッチにするリッチスパイク制御により、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の再生を行なっているが、この形態に限られず、排気ガスの空燃比を浅いリッチまたは理論空燃比にして、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の再生を行なっても構わない。
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１または実施の形態２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。
【符号の説明】
【０００９】
１  機関本体
２  燃焼室
３  燃料噴射弁
７  排気ターボチャージャ
１２  排気管
１５  燃料添加弁
１６  ＮＯＸ吸蔵還元触媒
１７  酸化触媒
３０  電子制御ユニット
５１  タンク
５２  開閉弁
５５  圧力センサ
６１  連通口
【図１】
2011064902.tif 000003
【図２】
2011064902.tif 000004
【図３】
2011064902.tif 000005
【図４】
2011064902.tif 000006
【図５】
2011064902.tif 000007
【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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【手続補正書】
【提出日】平成22年6月28日(2010.6.28)
【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を吸蔵し、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蔵したＮＯＸを放出するＮＯＸ吸蔵還元触媒と、
ＮＯＸ吸蔵還元触媒の下流の機関排気通路に配置されている酸化触媒と、
ＮＯＸ吸蔵還元触媒と酸化触媒との間の機関排気通路に接続されている排気ガスのタンクと、
ＮＯＸ吸蔵還元触媒から酸化触媒に向かう機関排気通路を遮断するとともに、排気ガスをタンクに流入させる流路変更装置とを備え、
ＮＯＸ吸蔵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場合に、酸化触媒に向かう機関排気通路を遮断し、排気ガスがタンクに流入するように流路を切替えて、ＮＯＸ吸蔵還元触媒から流出する空燃比が理論空燃比またはリッチの排気ガスの少なくとも一部をタンクに貯留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】
ＮＯＸ吸蔵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の状態からリーンの状態に切り替えるとともに、酸化触媒に向かう機関排気通路を開放し、タンクに貯留されている排気ガスとＮＯＸ吸蔵還元触媒から流出する排気ガスとを混合させながら酸化触媒に供給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】
タンクは、機関排気通路に沿って延びるように形成されており、
酸化触媒は、タンクの内部に配置されてい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４】
タンク内の圧力を検出する圧力検出装置を備え、
ＮＯＸ吸蔵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期間とリーンの期間とを繰り返す制御を行うように形成され、
流路変更装置は、酸化触媒に向かう機関排気通路を開放したときに、酸化触媒に流入する排気ガスの流量を調整できるように形成されており、
酸化触媒に向かう機関排気通路を開放している期間に、タンクの圧力低下速度を推定し、推定した圧力低下速度および予め定められた排気ガスの空燃比をリーンに保つ時間に基づいて、排気ガスの空燃比をリーンにする期間の終了時までにタンクの圧力が排気ガスを貯留する前の圧力まで降下するように、酸化触媒に流入する排気ガスの流量を調整することを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
機関本体を停止すべきときに、ＮＯＸ吸蔵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内燃機関の排気浄化装置であって、
理論空燃比またはリッチの排気ガスがＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入したときに、酸化触媒に向かう機関排気通路を遮断し、機関排気通路を遮断した状態で機関本体を停止し、
機関本体を再起動したときに酸化触媒に向かう流路を開放することを特徴とする、請求項２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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