(57)【要約】【課題】ＳＯxトラップ触媒の昇温制御時にＳＯxトラップ触媒からのＳＯxの放出を抑制する。【解決手段】ＮＯx吸蔵触媒１４上流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＳＯxを捕獲しうるＳＯxトラップ触媒１２を配置し、これらＳＯxトラップ触媒１２とＮＯx吸蔵触媒１４間に排気制御弁１６を配置する。ＳＯxトラップ触媒１２によるＳＯxトラップ率が低下してきたときはＳＯxトラップ触媒１２に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつ排気制御弁１６を閉弁してＳＯxトラップ触媒１２を昇温させる。このとき捕獲されているＳＯxはＳＯxトラップ触媒１２の内部に拡散し、それによってＳＯxトラップ率が回復する。【選択図】図１
2008075457.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＳＯxを捕獲しうるＳＯxトラップ触媒を配置し、ＳＯxトラップ触媒下流の排気通路内に、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理論空燃比又は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、該ＳＯxトラップ触媒は、ＳＯxトラップ触媒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ＳＯxを捕獲し、排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯxトラップ触媒の温度が上昇すると捕獲したＳＯxが次第にＮＯxトラップ触媒の内部に拡散していく性質を有し、ＳＯxトラップ触媒のＳＯxトラップ能力が低下したときには排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯxトラップ触媒の温度を上昇させ、それによってＳＯxトラップ能力を回復させるようにした圧縮着火式内燃機関において、上記ＳＯxトラップ触媒下流の機関排気通路内に排気制御弁を配置し、ＳＯxトラップ能力を回復するためのＳＯxトラップ触媒の昇温制御時においてＳＯxトラップ触媒を流通する排気ガスの流速を抑制すべきときには該排気制御弁を閉弁するようにした圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
該排気制御弁を上記ＮＯx吸蔵触媒の上流に配置した請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
ＳＯxトラップ率を回復するためのＳＯxトラップ触媒の昇温制御時において機関負荷が予め定められた負荷よりも高いとき又は機関回転数が予め定められた回転数よりも高いときにＳＯxトラップ触媒を流通する排気ガスの流速を抑制すべきであると判断され、このとき排気制御弁が閉弁せしめられる請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
機関負荷が高くなるほど排気制御弁の開度は小さくされ、機関回転数が高くなるほど排気制御弁の開度が小さくされる請求項３に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
ＳＯxトラップ触媒上流の機関排気通路内に燃料添加弁が配置され、該燃料添加弁から燃料を添加することにより排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯxトラップ触媒の温度が上昇せしめられる請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
ＳＯxトラップ触媒とＮＯx吸蔵触媒との間に燃料添加弁が配置され、ＳＯxトラップ触媒の昇温作用が完了して排気制御弁が閉弁状態から全開せしめられるときに該燃料添加弁から添加された燃料によってＮＯx吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比が一時的にリッチにされる請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯxを放出するＮＯx吸蔵触媒を機関排気通路内に配置した内燃機関が公知である。この内燃機関ではリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときに発生するＮＯxがＮＯx吸蔵触媒に吸蔵される。一方、ＮＯx吸蔵触媒のＮＯx吸蔵能力が飽和に近づくと排気ガスの空燃比が一時的にリッチにされ、それによってＮＯx吸蔵触媒からＮＯxが放出され還元される。
【０００３】
ところで燃料および潤滑油内にはイオウが含まれており、従って排気ガス中にはＳＯxが含まれている。このＳＯxはＮＯxと共にＮＯx吸蔵触媒に吸蔵される。ところがこのＳＯxは排気ガスの空燃比を単にリッチにしただけではＮＯx吸蔵触媒から放出されず、従ってＮＯx吸蔵触媒に吸蔵されているＳＯxの量が次第に増大していく。その結果吸蔵しうるＮＯx量が次第に減少してしまう。
【０００４】
そこでＮＯx吸蔵触媒にＳＯxが送り込まれるのを阻止するためにＮＯx吸蔵触媒上流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＳＯxを捕獲しうるＳＯxトラップ触媒を配置した内燃機関が公知である（特許文献１参照）。この内燃機関では排気ガス中に含まれるＳＯxがＳＯxトラップ触媒に捕獲され、斯くしてＮＯx吸蔵触媒にＳＯxが流入するのが阻止される。その結果、ＳＯxの吸蔵によりＮＯxの吸蔵能力が低下するのを阻止することができる。
【０００５】
ところでこのＳＯxトラップ触媒は長期間に亘って使用するとＳＯxトラップ触媒の排気ガス流通表面付近における吸蔵ＮＯx濃度が高くなり、その結果ＳＯxトラップ能力が次第に低下してくる。ところがこのＳＯxトラップ触媒は、ＳＯxトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持した状態でＳＯxトラップ触媒の温度を上昇させると捕獲したＳＯxが次第にＮＯxトラップ触媒の内部に拡散し、それによってＳＯxトラップ能力が回復するという性質を有する。そこで上述の内燃機関では、ＳＯxトラップ触媒のＳＯxトラップ能力が低下したときには排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯxトラップ触媒の温度を上昇させ、それによってＳＯxトラップ能力を回復させるようにしている。
【特許文献１】特開２００５−１３３６１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながらＳＯxトラップ触媒の排気ガス流通表面付近における吸蔵ＳＯx濃度が高くなっているときにＳＯxトラップ触媒の温度を上昇させると大部分の吸蔵ＳＯxはＳＯxトラップ触媒の内部に拡散しはじめるが一部の吸蔵ＳＯxがＳＯxトラップ触媒から放出され、この放出されるＳＯx量はＳＯxトラップ触媒を流通する排気ガスの流速が増大するほど多くなる。即ち、ＳＯxトラップ触媒を流通する排気ガスの流速が増大するほどＮＯx吸蔵触媒に流入して吸蔵されるＳＯxの量が増大するという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題を解決するために本発明によれば、機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＳＯxを捕獲しうるＳＯxトラップ触媒を配置し、ＳＯxトラップ触媒下流の排気通路内に、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理論空燃比又は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、ＳＯxトラップ触媒は、ＳＯxトラップ触媒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ＳＯxを捕獲し、排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯxトラップ触媒の温度が上昇すると捕獲したＳＯxが次第にＮＯxトラップ触媒の内部に拡散していく性質を有し、ＳＯxトラップ触媒のＳＯxトラップ能力が低下したときには排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯxトラップ触媒の温度を上昇させ、それによってＳＯxトラップ能力を回復させるようにした圧縮着火式内燃機関において、ＳＯxトラップ触媒下流の機関排気通路内に排気制御弁を配置し、ＳＯxトラップ能力を回復するためのＳＯxトラップ触媒の昇温制御時においてＳＯxトラップ触媒を流通する排気ガスの流速を抑制すべきときには排気制御弁を閉弁するようにしている。
【発明の効果】
【０００８】
ＳＯxがＮＯx吸蔵触媒に流入して吸蔵されるのを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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の入口はエアクリーナ８に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁９が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１０が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１０内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
【００１０】
一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口は酸化触媒１１の入口に連結される。酸化触媒１１の出口はＳＯxトラップ触媒１２の入口に連結され、ＳＯxトラップ触媒１２の出口は排気管１３を介してＮＯx吸蔵触媒１４に連結される。排気管１３内にはアクチュエータ１５によって開閉制御される排気制御弁１６が配置される。また、排気マニホルド５内には排気ガス中に燃料を添加するための燃料添加弁１７が配置されている。
【００１１】
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１８を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１８内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１９が配置される。また、ＥＧＲ通路１８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、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２１を介してコモンレール２２に連結される。このコモンレール２２内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２３から燃料が供給され、コモンレール２２内に供給された燃料は各燃料供給管２１を介して燃料噴射弁３に供給される。
【００１２】
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。図１に示されるようにＮＯx吸蔵触媒１４にはＮＯx吸蔵触媒１４の前後差圧を検出するための差圧センサ２４が取付けられており、この差圧センサ２４の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量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９駆動用ステップモータ、排気制御弁１６を駆動するアクチュエータ１５、燃料添加弁１７、ＥＧＲ制御弁１９および燃料ポンプ２３に接続される。
【００１３】
まず初めに図１に示されるＮＯx吸蔵触媒１４について説明すると、このＮＯx吸蔵触媒１４は三次元網目構造のモノリス担体或いはペレット状担体上に担持されているか、又はハニカム構造をなすパティキュレートフィルタ上に担持されている。このようにＮＯx吸蔵触媒１４は種々の担体上に担持させることができるが、以下ＮＯx吸蔵触媒１４をパティキュレートフィルタ上に担持した場合について説明する。
【００１４】
図２（Ａ）および（Ｂ）はＮＯx吸蔵触媒１４を担持したパティキュレートフィルタ１４ａの構造を示している。なお、図２（Ａ）はパティキュレートフィルタ１４ａの正面図を示しており、図２（Ｂ）はパティキュレートフィルタ１４ａの側面断面図を示している。図２（Ａ）および（Ｂ）に示されるようにパティキュレートフィルタ１４ａはハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路６０，６１を具備する。これら排気流通路は下流端が栓６２により閉塞された排気ガス流入通路６０と、上流端が栓６３により閉塞された排気ガス流出通路６１とにより構成される。なお、図２（Ａ）においてハッチングを付した部分は栓６３を示している。従って排気ガス流入通路６０および排気ガス流出通路６１は薄肉の隔壁６４を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス流入通路６０および排気ガス流出通路６１は各排気ガス流入通路６０が４つの排気ガス流出通路６１によって包囲され、各排気ガス流出通路６１が４つの排気ガス流入通路６０によって包囲されるように配置される。
【００１５】
パティキュレートフィルタ１４ａは例えばコージライトのような多孔質材料から形成されており、従って排気ガス流入通路６０内に流入した排気ガスは図２（Ｂ）において矢印で示されるように周囲の隔壁６４内を通って隣接する排気ガス流出通路６１内に流出する。
このようにＮＯx吸蔵触媒１４をパティキュレートフィルタ１４ａ上に担持させた場合には、各排気ガス流入通路６０および各排気ガス流出通路６１の周壁面、即ち各隔壁６４の両側表面上および隔壁６４内の細孔内壁面上には例えばアルミナからなる触媒担体が担持されており、図３はこの触媒担体４５の表面部分の断面を図解的に示している。図３に示されるように触媒担体４５の表面上には貴金属触媒４６が分散して担持されており、更に触媒担体４５の表面上にはＮＯx吸収剤４７の層が形成されている。
【００１６】
本発明による実施例では貴金属触媒４６として白金Ｐｔが用いられており、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。
【００１７】
機関吸気通路、燃焼室２およびＮＯx吸蔵触媒１４上流の排気通路内に供給された空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比と称すると、ＮＯx吸収剤４７は排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯxを吸収し、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ＮＯxの吸放出作用を行う。
【００１８】
即ち、ＮＯx吸収剤４７を構成する成分としてバリウムＢａを用いた場合を例にとって説明すると、排気ガスの空燃比がリーンのとき、即ち排気ガス中の酸素濃度が高いときには排気ガス中に含まれるＮＯは図３に示されるように白金Ｐｔ４６上において酸化されてＮＯ2となり、次いでＮＯx吸収剤４７内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら硝酸イオンＮＯ3-の形でＮＯx吸収剤４７内に拡散する。このようにしてＮＯxがＮＯx吸収剤４７内に吸収される。排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔ４６の表面でＮＯ2が生成され、ＮＯx吸収剤４７のＮＯx吸収能力が飽和しない限りＮＯ2がＮＯx吸収剤４７内に吸収されて硝酸イオンＮＯ3-が生成される。
【００１９】
これに対し、燃料添加弁１７から燃料を供給することによって排気ガスの空燃比をリッチ或いは理論空燃比にすると排気ガス中の酸素濃度が低下するために反応が逆方向（ＮＯ3-→ＮＯ2）に進み、斯くして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。次いで放出されたＮＯxは排気ガス中に含まれる未燃ＨＣ，ＣＯによって還元される。
【００２０】
このように排気ガスの空燃比がリーンであるとき、即ちリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときには排気ガス中のＮＯxがＮＯx吸収剤４７内に吸収される。しかしながらリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われるとその間にＮＯx吸収剤４７のＮＯx吸収能力が飽和してしまい、斯くしてＮＯx吸収剤４７によりＮＯxを吸収できなくなってしまう。そこで本発明による実施例ではＮＯx吸収剤４７の吸収能力が飽和する前に燃料添加弁１７から燃料を添加することによって排気ガスの空燃比を一時的にリッチにし、それによってＮＯx吸収剤４７からＮＯxを放出させるようにしている。
【００２１】
ところで排気ガス中にはＳＯx、即ちＳＯ2が含まれており、このＳＯ2がＮＯx吸蔵触媒１４に流入するとこのＳＯ2は白金Ｐｔ４６において酸化されてＳＯ3となる。次いでこのＳＯ3はＮＯx吸収剤４７内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、硫酸イオンＳＯ42-の形でＮＯx吸収剤４７内に拡散し、安定した硫酸塩ＢａＳＯ4を生成する。しかしながらＮＯx吸収剤４７が強い塩基性を有するためにこの硫酸塩ＢａＳＯ4は安定していて分解しづらく、排気ガスの空燃比を単にリッチにしただけでは硫酸塩ＢａＳＯ4は分解されずにそのまま残る。従ってＮＯx吸収剤４７内には時間が経過するにつれて硫酸塩ＢａＳＯ4が増大することになり、斯くして時間が経過するにつれてＮＯx吸収剤４７が吸収しうるＮＯx量が低下することになる。
【００２２】
ところでこの場合、ＮＯx吸蔵触媒１４の温度を６００℃以上のＳＯx放出温度まで上昇させた状態でＮＯx吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするとＮＯx吸収剤４７からＳＯxが放出される。ただし、この場合ＮＯx吸収剤４７からは少しずつしかＳＯxが放出されない。従ってＮＯx吸収剤４７から全ての吸収ＳＯxを放出させるには長時間に亘って空燃比をリッチにしなければならず、斯くして多量の燃料が必要になるという問題がある。また、ＮＯx吸収剤４７から放出されたＳＯxは大気中に排出されることになり、このことも好ましいことではない。
【００２３】
そこで本発明ではＮＯx吸蔵触媒１４の上流にＳＯxトラップ触媒１２を配置してこのＳＯxトラップ触媒１２により排気ガス中に含まれるＳＯxを捕獲し、それによってＮＯx吸蔵触媒１４にＳＯxが流入しないようにしている。次にこのＳＯxトラップ触媒１２について説明する。
【００２４】
このＳＯxトラップ触媒１２は例えばハニカム構造のモノリス触媒からなり、ＳＯxトラップ触媒１２の軸線方向にまっすぐに延びる多数の排気ガス流通孔を有する。図４はこのようにＳＯxトラップ触媒１２をハニカム構造のモノリス触媒から形成した場合の各排気ガス流通孔の内周壁面、即ち基体５０の表面部分の断面を図解的に示している。図４に示されるように基体５０の表面上にはコート層５１が形成されており、このコート層５１の表面上には貴金属触媒５２が分散して担持されている。
【００２５】
本発明による実施例では貴金属触媒５２として白金が用いられており、コート層５１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。即ち、ＳＯxトラップ触媒１２のコート層５１は強塩基性を呈している。
【００２６】
さて、排気ガス中に含まれるＳＯx、即ちＳＯ2は図４に示されるように白金Ｐｔ５２において酸化され、次いでコート層５１内に捕獲される。即ち、ＳＯ2は硫酸イオンＳＯ42-の形でコート層５１内に拡散し、硫酸塩を形成する。なお、上述したようにコート層５１は強塩基性を呈しており、従って図４に示されるように排気ガス中に含まれるＳＯ2の一部は直接コート層５１内に捕獲される。
【００２７】
図４においてコート層５１内における濃淡は捕獲されたＳＯxの濃度を示している。図４からわかるようにコート層５１内におけるＳＯx濃度はコート層５１の表面近傍が最も高く、奥部に行くに従って次第に低くなっていく。コート層５１の表面近傍におけるＳＯx濃度が高くなるとコート層５１の表面の塩基性が弱まり、ＳＯxの捕獲能力が弱まる。ここで排気ガス中に含まれるＳＯxのうちでＳＯxトラップ触媒１２に捕獲されるＳＯxの割合をＳＯxトラップ率と称すると、コート層５１の表面の塩基性が弱まればそれに伴なってＳＯxトラップ率が低下することになる。
【００２８】
図５にＳＯxトラップ率の時間的変化を示す。図５に示されるようにＳＯxトラップ率は初めは１００パーセントに近いが時間が経過するとＳＯxトラップ率は急速に低下する。そこで本発明では図６に示されるようにＳＯxトラップ率が予め定められた率よりも低下したときには排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯxトラップ触媒１２の温度を上昇させる昇温制御を行い、それによってＳＯxトラップ率を回復させるようにしている。
【００２９】
即ち、排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯxトラップ触媒１２の温度を上昇させるとコート層５１内の表面近傍に集中的に存在するＳＯxはコート層５１内におけるＳＯx濃度が均一となるようにコート層５１の奥部に向けて拡散していく。即ち、コート層５１内に生成されている硝酸塩はコート層５１の表面近傍に集中している不安定な状態からコート層５１内の全体に亘って均一に分散した安定した状態に変化する。コート層５１内の表面近傍に存在するＳＯxがコート層５１の奥部に向けて拡散するとコート層５１の表面近傍のＳＯx濃度が低下し、斯くしてＳＯxトラップ触媒１２の昇温制御が完了すると図６に示されるようにＳＯxトラップ率が回復する。
【００３０】
ＳＯxトラップ触媒１２の昇温制御を行ったときにＳＯxトラップ触媒１２の温度をほぼ４５０℃程度にすればコート層５１の表面近傍に存在するＳＯxをコート層５１内に拡散させることができ、ＳＯxトラップ触媒１２の温度を６００℃程度まで上昇させるとコート層５１内のＳＯx濃度をかなり均一化することができる。従ってＳＯxトラップ触媒１２の昇温制御時には排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯxトラップ触媒１２の温度を６００℃程度まで昇温させることが好ましい。
【００３１】
なお、このようにＳＯxトラップ触媒１２を昇温したときに排気ガスの空燃比をリッチにするとＳＯxトラップ触媒１２からＳＯxが放出されてしまう。従って本発明ではＳＯxトラップ触媒１２の温度がＳＯx放出温度以上であるときにはＳＯxトラップ触媒１２に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしないようにしている。
【００３２】
ＳＯxトラップ触媒１２の温度は、例えば主燃料に加え、膨張行程中又は排気行程中に補助燃料を噴射することによって上昇させることができる。即ち、このように補助燃料を噴射すると大部分の補助燃料はＳＯxトラップ触媒１２上において過剰酸素により酸化され、このとき発生する酸化反応熱によってＳＯxトラップ触媒１２の温度が上昇せしめられる。また、燃料添加弁１７から燃料を添加し、この添加燃料の酸化反応熱によってＳＯxトラップ触媒１２の温度を上昇させることもできる。なお、いずれの方法により昇温する場合でもＳＯxトラップ触媒１２に流入する排気ガスの空燃比はリッチにされることなくリーンに維持される。
【００３３】
次に図７から図１１を参照しつつＳＯxトラップ触媒１２におけるＳＯx安定化処理の一実施例について説明する。
この実施例では、ＳＯxトラップ触媒１２に捕獲されたＳＯx量を推定し、ＳＯxトラップ触媒１２に捕獲されたＳＯx量が予め定められた量を越えたときにＳＯxトラップ率が予め定められた率よりも低下したと判断され、このときＳＯxトラップ率を回復するために排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯxトラップ触媒１２の温度を上昇させる昇温制御を行うようにしている。
【００３４】
即ち、燃料中には或る割合でイオウが含まれており、従って排気ガス中に含まれるＳＯx量、即ちＳＯxトラップ触媒１２に捕獲されるＳＯx量は燃料噴射量に比例する。燃料噴射量は要求トルクおよび機関回転数の関数であり、従ってＳＯxトラップ触媒１２に捕獲されるＳＯx量も要求トルクおよび機関回転数の関数となる。本発明による実施例ではＳＯxトラップ触媒１２に単位時間当り捕獲されるＳＯx量ＳＯＸＡが要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図７（Ａ）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。
【００３５】
また、潤滑油内にも或る割合でイオウが含まれており、燃焼室２内で燃焼せしめられる潤滑油量、即ち排気ガス中に含まれていてＳＯxトラップ触媒１２に捕獲されるＳＯx量も要求トルクおよび機関回転数の関数となる。本発明による実施例では潤滑油に含まれていてＳＯxトラップ触媒１２に単位時間当り捕獲されるＳＯx量ＳＯＸＢが要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図７（Ｂ）に示されるようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、ＳＯx量ＳＯＸＡおよびＳＯx量ＳＯＸＢの和を積算することによってＳＯxトラップ触媒１２に捕獲されているＳＯx量ΣＳＯＸが算出される。
【００３６】
また、本発明による実施例では図７（Ｃ）に示されるようにＳＯx量ΣＳＯＸと、ＳＯxトラップ触媒１２を昇温処理すべきときの予め定められたＳＯx量ＳＯ（ｎ）との関係が予め記憶されており、ＳＯx量ΣＳＯＸが予め定められたＳＯ（ｎ）（ｎ＝１，２，３，…）を越えたときにＳＯxトラップ触媒１２の昇温処理が行われる。なお、図７（Ｃ）においてはｎは何回目の昇温処理であるかを示している。図７（Ｃ）からわかるようにＳＯxトラップ率を回復するための昇温処理回数ｎが増大するにつれて予め定められた量ＳＯ（ｎ）が増大せしめられ、この予め定められた量ＳＯ（ｎ）の増大割合は処理回数ｎが増大するほど減少する。即ち、ＳＯ（２）に対するＳＯ（３）の増大割合はＳＯ（１）に対するＳＯ（２）の増大割合よりも減少する。
【００３７】
即ち、図８のタイムチャートに示されるようにＳＯxトラップ触媒１２に捕獲されたＳＯx量ΣＳＯＸは許容値ＭＡＸまで時間の経過と共に増大し続ける。また、図８においてＳＯx濃度はＳＯxトラップ触媒１２の表面近傍におけるＳＯx濃度を示している。図８からわかるようにＳＯxトラップ触媒１２の表面近傍におけるＳＯx濃度が許容値ＳＯＺを越えると排気ガスの空燃比Ａ／ＦがリーンのもとでＳＯxトラップ触媒１２の温度Ｔを上昇させる昇温制御が行われる。昇温制御が行われるとＳＯxトラップ触媒１２の表面近傍におけるＳＯx濃度は減少するがこのＳＯx濃度の減少量は昇温制御が行われる毎に小さくなり、従って昇温制御が行われてから次に昇温制御が行われるまでの期間は昇温制御が行われる毎に短かくなる。
【００３８】
なお、図８に示されるように捕獲されたＳＯx量ΣＳＯＸがＳＯ（１），ＳＯ（２），…に達するということはＳＯxトラップ触媒１２の表面近傍におけるＳＯx濃度が許容値ＳＯＺに達したことを意味している。
【００３９】
さて前述したようにＳＯxトラップ触媒１２の昇温制御を行うとコート層５１の表面近傍に存在するＳＯxをコート層５１内に拡散させることができる。しかしながらコート層５１の表面近傍のＳＯx濃度が高い状態のときにＳＯxトラップ触媒１２の昇温制御を行うとコート層５１の表面近傍に存在する大部分のＳＯxは上述した如くコート層５１内に拡散するが一部のＳＯxはコート層５１から放出してしまう。この場合、コート層５１の表面上を流れる排気ガスの流速が早いほどコート層５１から放出されるＳＯx量は増大する。
【００４０】
従ってコート層５１から放出されるＳＯx量を減少させるにはコート層５１の表面上を流れる排気ガスの流速、即ちＳＯxトラップ触媒１２を流通する排気ガスの流速を抑制する必要がある。そこで本発明では、ＳＯxトラップ率を回復するためのＳＯxトラップ触媒１２の昇温制御時においてＳＯxトラップ触媒１２を流通する排気ガスの流速を抑制すべきときには排気制御弁１６を閉弁するようにしている。即ち、排気制御弁１６を閉弁するとＳＯxトラップ触媒１２内を流れる排気ガスの体積流量が減少し、斯くしてＳＯxトラップ触媒１２内を流れる排気ガスの流速が低下する。その結果、コート層５１からのＳＯxの放出作用が抑制されることになる。
【００４１】
図９はＳＯxトラップ触媒１２の昇温制御時における排気制御弁１６の目標開度θを示している。なお、図９において縦軸ＴＱは機関の要求トルクを示しており、横軸Ｎは機関回転数を示している。図９においてθ0は全開状態を示しており、θ1からθ4に向けて目標開度は次第に小さくなっていく。一方、θ0よりも低回転、低トルク側は目標開度が全開とされている。
【００４２】
即ち、本発明による実施例では機関低速低負荷運転時には排気制御弁１６が全開せしめられ、機関低速低負荷運転時以外では、即ち機関負荷が予め定められた負荷よりも高いとき又は機関回転数が予め定められた回転数よりも高いときには排気制御弁１６が閉弁せしめられる。更に図９からわかるように本発明による実施例では機関負荷が高くなるほど排気制御弁１６の開度θは小さくされ、機関回転数が高くなるほど排気制御弁１６の開度θが小さくされる。即ち、機関負荷が高くなるほど排気ガス量が増大し、機関回転数が高くなるほど排気ガス量が増大するので排気ガスの流速を一定速度以下に抑制するために上述した如く、機関負荷が高くなるほど排気制御弁１６の開度θは小さくされ、機関回転数が高くなるほど排気制御弁１６の開度θが小さくされる。
【００４３】
図１０はＳＯxトラップ触媒１２の昇温制御のタイムチャートを示している。図１０に示されるように昇温制御が行われる前、即ち通常運転時には排気制御弁１６は全開状態に保持されている。一方、昇温制御が開始されると燃料添加弁１７から連続パルス状に燃料が添加され、排気制御弁１６の開度が制御される。それによってＳＯxトラップ触媒１２の温度Ｔは６００℃以上に保持される。この間、ＳＯxトラップ触媒１２に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）Sはリーンに保持される。
【００４４】
図１１はＳＯx安定化処理を実行するためのルーチンを示している。
図１１を参照するとまず初めにステップ１００において図７（Ａ），（Ｂ）から夫々単位時間当り捕獲されるＳＯx量ＳＯＸＡおよびＳＯＸＢが読み込まれる。次いでステップ１０１ではこれらＳＯＸＡおよびＳＯＸＢの和がＳＯx量ΣＳＯＸに加算される。次いでステップ１０２ではＳＯx量ΣＳＯＸが図７（Ｃ）に示される予め定められた量ＳＯ（ｎ）（ｎ＝１，２，３，…）に達したか否かが判別される。ＳＯx量ΣＳＯＸが予め定められた量ＳＯ（ｎ）に達したときにはステップ１０３に進んで昇温制御が行われる。
【００４５】
即ち、まず初めにステップ１０３では燃料添加弁１７からの燃料添加が開始される。次いでステップ１０４では図９に示す排気制御弁１６の目標開度θが算出される。次いでステップ１０５では排気制御弁１６の開度がこの目標開度θに制御される。次いでステップ１０６では安定化処理が完了したか否かが判別され、安定化処理が完了していないときにはステップ１０３に戻る。
【００４６】
次に図１２から図１４を参照しつつＮＯx吸蔵触媒１４に対する処理について説明する。
本発明による実施例ではＮＯx吸蔵触媒１４に単位時間当り吸蔵されるＮＯx量ＮＯＸＡが要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図１３に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、このＮＯx量ＮＯＸＡを積算することによってＮＯx吸蔵触媒１４に吸蔵されたＮＯx量ΣＮＯＸが算出される。本発明による実施例では図１２に示されるようにこのＮＯx量ΣＮＯＸが許容値ＮＸに達する毎に燃料添加弁１７から燃料が添加されてＮＯx吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆが一時的にリッチにされ、それによってＮＯx吸蔵触媒１４からＮＯxが放出される。
【００４７】
一方、排気ガス中に含まれる粒子状物質はＮＯx吸蔵触媒１４を担持しているパティキュレートフィルタ１４ａ上に捕集され、順次酸化される。しかしながら捕集される粒子状物質の量が酸化される粒子状物質の量よりも多くなると粒子状物質がパティキュレートフィルタ１４ａ上に次第に堆積し、この場合粒子状物質の堆積量が増大すると機関出力の低下を招いてしまう。従って粒子状物質の堆積量が増大したときには堆積した粒子状物質を除去しなければならない。この場合、空気過剰のもとでパティキュレートフィルタ１４ａの温度を６００℃程度まで上昇させると堆積した粒子状物質が酸化され、除去される。
【００４８】
そこで本発明による実施例ではパティキュレートフィルタ１４ａ上に堆積した粒子状物質の量が許容量を越えたときには燃料添加弁１７から燃料を添加することにより排気ガスの空燃比がリーンのもとでパティキュレートフィルタ１４ａの温度を上昇させ、それによって堆積した粒子状物質を酸化除去するようにしている。具体的に言うと本発明による実施例では差圧センサ２４により検出されたパティキュレートフィルタ１４ａの前後差圧ΔＰが図１２に示されるように許容値ＰＸを越えたときに堆積粒子状物質の量が許容量を越えたと判断され、このときパティキュレートフィルタ１４ａに流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつパティキュレートフィルタ１４ａの温度Ｔを上昇させる昇温制御が行われる。なお、パティキュレートフィルタ１４ａの温度Ｔが高くなるとＮＯx吸蔵触媒１４からＮＯxが放出されるために捕獲されているＮＯx量ΣＮＯＸは減少する。
【００４９】
図１４はＮＯx吸蔵触媒１４に対する処理ルーチンを示している。
図１４を参照するとまず初めにステップ２００において図１３に示すマップから単位時間当り吸蔵されるＮＯx量ＮＯＸＡが算出される。次いでステップ２０１ではこのＮＯＸＡがＮＯx吸蔵触媒１４に吸蔵されているＮＯx量ΣＮＯＸに加算される。次いでステップ２０２では吸蔵ＮＯx量ΣＮＯＸが許容値ＮＸを越えたか否かが判別され、ΣＮＯＸ＞ＮＸとなったときにはステップ２０４に進んで燃料添加弁１７から添加された燃料によってＮＯx吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリーンからリッチに切換えるリッチ処理が行われ、ΣＮＯＸがクリアされる。
【００５０】
次いでステップ２０４では差圧センサ２４によりパティキュレートフィルタ１４ａの前後差圧ΔＰが検出される。次いでステップ２０５では差圧ΔＰが許容値ＰＸを越えたか否かが判別され、ΔＰ＞ＰＸとなったときにはステップ２０６に進んでパティキュレートフィルタ１４ａの昇温制御が行われる。
【００５１】
図１５に圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す。この実施例では燃料添加弁１７に加えてＳＯxトラップ触媒１２とＮＯx吸蔵触媒１４との間の排気管１３内に第２の燃料添加弁２５が配置されている。
【００５２】
図１６はＳＯxトラップ触媒１２の昇温制御を示している。なお、図１６において燃料添加Ｉは燃料添加弁１７からの燃料添加を示しており、空燃比（Ａ／Ｆ）SはＳＯxトラップ触媒１２に流入する排気ガスの空燃比を示しており、燃料添加IIは第２の燃料添加弁２５からの燃料添加を示しており、空燃比（Ａ／Ｆ）NはＮＯx吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比を示している。この実施例でも昇温制御が開始されると燃料添加弁１７から燃料が添加され、ＳＯxトラップ触媒１２に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）Sがリーンに維持された状態で排気制御弁１６の開度が制御される。
【００５３】
一方、この実施例ではＳＯxトラップ触媒１２の昇温作用が完了して排気制御弁１６が閉弁状態から全開せしめられるときに第２の燃料添加弁２５から燃料が添加され、添加された燃料によってＮＯx吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）Nが一時的にリッチにされる。即ち、ＳＯxトラップ触媒１２の温度が高いときに排気制御弁１６が閉弁状態から全開せしめられるとＳＯxトラップ触媒１２から放出されるＳＯx量が増大せしめられる。このとき上述したようにＮＯx吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）NがリッチにされるとＮＯx吸蔵触媒１４内に流入したＳＯxの酸化作用が行われず、斯くしてＳＯxがＮＯx吸蔵触媒１４内に吸蔵されるのを阻止することができる。
【００５４】
図１７は図１６に示される昇温制御を行うＳＯx安定化処理を実行するためのルーチンを示している。このルーチンのステップ１００からステップ１０６は図１１に示されるＳＯx安定化処理ルーチンのステップ１００からステップ１０６と全く同一である。従ってこれらステップ１００からステップ１０６の説明は省略し、ステップ１０７から説明する。
【００５５】
図１７を参照するとステップ１０６において安定化処理が完了したと判別されたときにステップ１０７に進んで排気制御弁１６が閉弁状態から全開せしめられたか否かが判別される。排気制御弁１６が閉弁状態から全開せしめられていないとき、即ち排気制御弁１６が全開状態に保持されていたときには処理サイクルを完了する。これに対し、排気制御弁１６が閉弁状態から全開せしめられたと判別されたときにはステップ１０８に進んで第２の燃料添加弁２５から燃料が添加され、ＮＯx吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）Nがリッチとされる。
【００５６】
なお、この実施例ではＮＯx吸蔵触媒１４からＮＯxを放出すべきときにも第２の燃料添加弁２５から燃料が添加され、ＮＯx吸蔵触媒１４に流入する排気ガスの空燃比がリッチとされる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】圧縮着火式内燃機関の全体図である。
【図２】パティキュレートフィルタの構造を示す図である。
【図３】ＮＯx吸蔵触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。
【図４】ＳＯxトラップ触媒の基体の表面部分の断面図である。
【図５】ＳＯxトラップ率を示す図である。
【図６】昇温制御を説明するための図である。
【図７】吸蔵ＳＯx量ΣＳＯＸと、昇温制御を行うべき吸蔵ＳＯx量ＳＯ（ｎ）との関係等を示す図である。
【図８】吸蔵ＳＯx量ΣＳＯＸ等の変化を示すタイムチャートである。
【図９】排気制御弁の目標開度を示す図である。
【図１０】ＳＯxトラップ触媒の昇温制御を示すタイムチャートである。
【図１１】ＳＯx安定化処理を実行するためのフローチャートである。
【図１２】パティキュレートフィルタの昇温制御を示すタイムチャートである。
【図１３】吸蔵ＮＯx量ＮＯＸＡのマップを示す図である。
【図１４】ＮＯx吸蔵触媒に対する処理を実行するためのフローチャートである。
【図１５】圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す全体図である。
【図１６】ＳＯxトラップ触媒の昇温制御を示すタイムチャートである。
【図１７】ＳＯx安定化処理を実行するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００５８】
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    ＳＯxトラップ触媒
１４    ＮＯx吸蔵触媒
１６    排気制御弁
１７，２５    燃料添加弁
【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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