(57)【要約】【課題】ＳＯxトラップ触媒の暖機時間を短かくする。【解決手段】機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＳＯxを捕獲しうる複数のＳＯxトラップ触媒１２ａ〜１２ｃを並列に配置すると共に各ＳＯxトラップ触媒１２ａ〜１２ｃを共通のＮＯx吸蔵触媒１３に連結する。各排気遮断弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃを開閉制御することによってこれらＳＯxトラップ触媒１２ａ〜１２ｃが選択的に使用される。【選択図】図１
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【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を捕獲しうる複数のＳＯxトラップ触媒を並列に配置すると共に各ＳＯxトラップ触媒を共通の排気後処理装置に連結し、これらＳＯxトラップ触媒を選択的に使用するようにした内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
一部のＳＯxトラップ触媒を使用している間に使用していないＳＯxトラップ触媒を交換しうるようにＳＯxトラップ触媒が交換可能に配置されている請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
各ＳＯxトラップ触媒はその劣化度合が予め定められた劣化度合に達するまで順次使用され、全てのＳＯxトラップ触媒が予め定められた劣化度合に達するまで使用された後は、複数のＳＯxトラップ触媒を同時に使用するようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
機関の運転状態に応じて使用するＳＯxトラップ触媒の個数を変更するようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
単位時間当りの燃料供給量が増大するほど使用するＳＯxトラップ触媒の個数が増大せしめられる請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
機関排気通路が複数の排気枝通路に分岐されると共に各排気枝通路内に夫々ＳＯxトラップ触媒が配置され、選択された排気枝通路内に排気ガスを流通させるための通路切換弁装置を具備した請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
上記ＳＯxトラップ触媒は触媒担体上に形成されたコート層と、コート層上に維持された貴金属触媒からなり、コート層内にはアルカリ金属、アルカリ土類金属又は希土類金属が分散して含有されている請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
上記排気後処理装置は、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吸蔵触媒からなる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】
ＮＯx吸蔵触媒が排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕獲して酸化させるためのパティキュレートフィルタ上に担持されている請求項８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】
内燃機関に使用される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。ところがこのＳＯxは機関排気通路内に配置された排気ガス浄化用触媒等の排気後処理装置の性能や耐久性を大巾に低下させる働きがあり、従って排気ガス中のＳＯxは除去することが好ましい。
【０００３】
そこで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ＳＯxトラップ触媒は長期間に亘ってＳＯxを捕獲し続けることができるように大きな容量を有する。
【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】
【０００４】
しかしながらこのように大きな容積を有するＳＯxトラップ触媒を用いるとＳＯxトラップ触媒を暖機するのに時間を要し、斯くしてＳＯxトラップ触媒をすり抜けるＳＯx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】
【０００５】
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を捕獲しうる複数のＳＯxトラップ触媒を並列に配置すると共に各ＳＯxトラップ触媒を共通の排気後処理装置に連結し、これらＳＯxトラップ触媒を選択的に使用するようにしている。
【発明の効果】
【０００６】
ＳＯxトラップ触媒として小型のＳＯxトラップ触媒を使用することができるのでＳＯxトラップ触媒の暖機に要する時間が短かくなり、斯くしてＳＯxトラップ触媒をすり抜けるＳＯx量を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
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。
【０００８】
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の出口は第１の排気枝通路１１ａと第２の排気枝通路１１ｂに分岐される。図１に示されるように第１の排気枝通路１１ａ内には第１のＳＯxトラップ触媒１２ａが配置され、第２の排気枝通路１１ｂ内には第２のＳＯxトラップ触媒１２ｂが配置される。これら第１の排気枝通路１１ａおよび第２の排気枝通路１１ｂは夫々対応するＳＯxトラップ触媒１２ａ，１２ｂの下流において合流して共通の排気後処理装置１３に連結される。図１に示される実施例ではこの排気後処理装置１３はＮＯx吸蔵触媒からなる。
【０００９】
また、機関排気通路内には選択された排気枝通路１１ａ，１１ｂ内に排気ガスを流通させるための通路切換弁装置が設けられている。図１に示される実施例ではこの通路切換弁装置は第１のＳＯxトラップ触媒１２ａ下流の第１の排気枝通路１１ａ内に配置されてアクチュエータ１４ａにより開閉制御される第１の排気遮断弁１５ａと、第２のＳＯxトラップ触媒１２ｂ下流の第２の排気枝通路１１ｂ内に配置されてアクチュエータ１４ｂにより開閉制御される第２の排気遮断弁１５ｂとにより構成される。
【００１０】
なお、各排気遮断弁１５ａ，１５ｂは夫々対応するＳＯxトラップ触媒１２ａ，１２ｂ上流の排気枝通路１１ａ，１１ｂ内に配置することもできるし、また第１の排気枝通路１１ａと第２の排気枝通路１１ｂとの分岐部に配置した一つの排気切換弁からなる流路切換弁装置を用いることもできる。
【００１１】
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に連結される。このコモンレール２０内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２１から燃料が供給され、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。また、排気マニホルド５内にはＮＯx吸蔵触媒１３からＮＯxを放出させるための燃料を添加する燃料添加弁２２が配置される。
【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１３にはＮＯx吸蔵触媒１３の前後差圧を検出するための差圧センサ２３が取付けられており、この差圧センサ２３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。
【００１３】
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、各アクチュエータ１４ａ，１４ｂ、ＥＧＲ制御弁１７、燃料ポンプ２１および燃料添加弁２２に接続される。
【００１４】
図２に圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す。この実施例では排気タービン７ｂの出口は第１の排気枝通路１１ａと第２の排気枝通路１１ｂと第３の排気枝通路１１ｃに分岐され、第１の排気枝通路１１ａ内には第１のＳＯxトラップ触媒１２ａが配置され、第２の排気枝通路１１ｂ内には第２のＳＯxトラップ触媒１２ｂが配置され、第３の排気枝通路１１ｃ内には第３のＳＯxトラップ触媒１２ｃが配置される。この第２実施例でも第１の排気枝通路１１ａ、第２の排気枝通路１１ｂおよび第３の排気枝通路１１ｃは夫々対応するＳＯxトラップ触媒１２ａ，１２ｂ，１２ｃの下流において合流して共通の排気後処理装置１３に連結される。
【００１５】
一方、図２に示される実施例では図１に示される実施例と同様に通路切換弁装置は第１のＳＯxトラップ触媒１２ａ下流の第１の排気枝通路１１ａ内に配置された第１の排気遮断弁１５ａと、第２のＳＯxトラップ触媒１２ｂ下流の第２の排気枝通路１１ｂ内に配置された第２の排気遮断弁１５ｂと、第３のＳＯxトラップ触媒１２ｃ下流の第３の排気枝通路１１ｃ内に配置された第３の排気遮断弁１５ｃとにより構成される。
【００１６】
まず初めに図１および図２に示されるＮＯx吸蔵触媒１３について説明すると、これらＮＯx吸蔵触媒１３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１３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１３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。
【００１７】
図３（Ａ）および（Ｂ）はＮＯx吸蔵触媒１３を担持したパティキュレートフィルタ１３ａの構造を示している。なお、図３（Ａ）はパティキュレートフィルタ１３ａの正面図を示しており、図３（Ｂ）はパティキュレートフィルタ１３ａの側面断面図を示している。図３（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１３ａ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３（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。
【００１８】
パティキュレートフィルタ１３ａ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３（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１３をパティキュレートフィルタ１３ａ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４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４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。
【００１９】
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。
【００２０】
機関吸気通路、燃焼室２およびＮＯx吸蔵触媒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、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。
【００２１】
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４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。
【００２２】
これに対し、燃料添加弁２２から燃料を添加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化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。
【００２３】
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２２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。
【００２４】
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１３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。
【００２５】
ところでこの場合、ＮＯx吸蔵触媒１３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１３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。
【００２６】
そこで本発明ではＮＯx吸蔵触媒１３の上流にＳＯxトラップ触媒１２ａ〜１２ｃを配置してこのＳＯxトラップ触媒１２ａ〜１２ｃ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１３にＳＯxが流入しないようにしている。次にこれらＳＯxトラップ触媒１２ａ〜１２ｃについて説明する。
【００２７】
これらＳＯxトラップ触媒１２ａ〜１２ｃ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１２ａ〜１２ｃ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５はこのようにＳＯxトラップ触媒１２ａ〜１２ｃ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５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。
【００２８】
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１２ａ〜１２ｃのコート層５１は強塩基性を呈している。
【００２９】
さて、排気ガス中に含まれるＳＯx、即ちＳＯ2は図５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５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。
【００３０】
図５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５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１２ａ〜１２ｃ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。
【００３１】
さて、容量の大きなＳＯxトラップ触媒を用いると時間を経過してもＳＯxトラップ率はさほど低下しない。従って容量の大きなＳＯxトラップ触媒を用いると車両を長期間に亘って運転したとしてもＮＯx吸蔵触媒１３に多量のＳＯxが吸蔵されるのを阻止しうるように見える。しかしながらＳＯxトラップ触媒の容量を大きくするとＳＯxトラップ触媒を暖機するまでに長時間を要し、この間ＳＯxがＳＯxトラップ触媒を素通りするので多量のＳＯxがＮＯx吸蔵触媒１３に吸蔵されることになる。
【００３２】
そこで本発明ではＳＯxトラップ触媒の暖機に要する時間が短かくなるように容量の小さなＳＯxトラップ触媒１２ａ〜１２ｃを用い、それによって多量のＳＯxがＮＯx吸蔵触媒１３に吸蔵されないようにしている。
【００３３】
ところが容量の小さなＳＯxトラップ触媒１２ａ〜１２ｃを用いると容量が小さい分だけ早期にＳＯxトラップ率が低下しはじめる。そこで本発明による第１実施例では例えば図１において第１のＳＯxトラップ触媒１２ａおよび第２のＳＯxトラップ触媒１２ｂを対応する排気枝通路１１ａ，１１ｂに対して夫々着脱自在に取付け、いずれか一方の排気枝通路１１ａ，１１ｂ内に排気ガスを流通させ、排気ガスが流通せしめられている方の排気枝通路１１ａ，１１ｂ内のＳＯxトラップ触媒１２ａ，１２ｂが劣化したときには排気ガスの流通を停止して今度は他方の排気枝通路１１ａ，１１ｂ内に排気ガスを流通させ、排気ガスの流通が停止せしめられた方の排気枝通路１１ａ，１１ｂ内の劣化したＳＯxトラップ触媒１２ａ，１２ｂを新品と交換するようにしている。
【００３４】
このことについて図６を参照しつつもう少し具体的に説明する。なお、図６においてＩは第１の排気枝通路１１ａ内における第１排気遮断弁１５ａの状態と第１のＳＯxトラップ触媒１２ａのＳＯxトラップ率の変化を示しており、IIは第２の排気枝通路１１ｂ内における第２排気遮断弁１５ｂの状態と第２のＳＯxトラップ触媒１２ｂのＳＯxトラップ率の変化を示している。
【００３５】
図６を参照すると第１排気遮断弁１５ａが開弁しているときには第２排気遮断弁１５ｂが閉弁せしめられており、従ってこのときには第１の排気枝通路１１ａ内のみに排気ガスが流通せしめられている。このような状態で時間が経過すると第１のＳＯxトラップ触媒１２ａのＳＯxトラップ率が次第に低下してくる。次いで第１のＳＯxトラップ触媒１２ａのＳＯxトラップ率が予め定められた許容値ＳＸまで低下したときには第１排気遮断弁１５ａが閉弁せしめられ、第２排気遮断弁１５ｂが開弁せしめられる。
【００３６】
このときには第２の排気枝通路１１ｂ内のみに排気ガスが流通せしめられている。このとき第１の排気枝通路１１ａ内の劣化したＳＯxトラップ触媒１２ａが新品と交換される。次いで第２のＳＯxトラップ触媒１２ｂのＳＯxトラップ率が予め定められた許容値ＳＸまで低下したときには再び第１排気遮断弁１５ａが開弁せしめられ、第２排気遮断弁１５ｂが閉弁せしめられる。このときには第１の排気枝通路１１ａ内のみに排気ガスが流通せしめられており、このとき第２の排気枝通路１１ｂ内の劣化したＳＯxトラップ触媒１２ｂが新品と交換される。
【００３７】
このように本発明によれば一部のＳＯxトラップ触媒１２ａ，１２ｂを使用している間に使用していないＳＯxトラップ触媒１２ａ，１２ｂを交換しうるようにＳＯxトラップ触媒１２ａ，１２ｂが交換可能に配置されている。本発明では各ＳＯxトラップ触媒１２ａ，１２ｂの容量は走行距離にして数万km程度連続使用しうる容量に設定されている。従ってＳＯxトラップ触媒１２ａ，１２ｂの交換は例えば定期点検時に行えばよいのでメインテナンスに関しては煩わしさがないと言える。
【００３８】
次に図７および図８を参照しつつ図６に示される排気遮断弁１５ａ，１５ｂの制御ルーチンについて説明する。
本発明による実施例では、ＳＯxトラップ触媒１２ａ，１２ｂに捕獲されたＳＯx量を推定し、ＳＯxトラップ触媒１２ａ，１２ｂ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許容値ＳＸよりも低下したと判断され、このとき排気流路の切換えが行われる。
【００３９】
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１２ａ，１２ｂ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１２ａ，１２ｂ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。従って本発明による実施例ではＳＯxトラップ触媒１２ａ，１２ｂ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。
【００４０】
なお、ＳＯxトラップ率はその他の種々の方法によって検出することができる。例えばＳＯxトラップ触媒１２ａ，１２ｂの下流にＳＯx濃度検出センサを取付けてＳＯxトラップ触媒１２ａ，１２ｂから流出する排気ガス中のＳＯx濃度が高くなったときにＳＯxトラップ率が低下したと判断することができる。また、ＳＯxトラップ率を推定する際にＳＯxトラップ触媒１２ａ，１２ｂの熱劣化を考慮することもできる。この場合には例えばＳＯxトラップ触媒１２ａ，１２ｂの受けた熱負荷を積算することによって熱劣化の度合が求められ、この熱劣化の度合から熱劣化によるＳＯxトラップ率の低下量が推定される。
【００４１】
図８に排気遮断弁の制御ルーチンを示す。
図８を参照するとまず初めにステップ１００において図７に示すマップから単位時間当り捕獲されるＳＯx量ＳＯＸＡが算出される。次いでステップ１０１ではこのＳＯＸＡがＳＯxトラップ触媒１２ａ，１２ｂに捕獲されているＳＯx量ΣＳＯＸに加算される。次いでステップ１０２ではこのＳＯx量ΣＳＯＸが許容値ＳＸを越えたか否かが判別され、ΣＳＯＸ＞ＳＸとなったときにはステップ１０３に進んで排気ガス流路を切換えるために排気遮断弁１５ａ，１５ｂの開閉制御が行われる。
【００４２】
次に図９から図１を参照しつつＮＯx吸蔵触媒１３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１３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１０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１３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９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２２から燃料を添加することによってＮＯx吸蔵触媒１３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１３からＮＯxが放出される。
【００４３】
一方、排気ガス中に含まれる粒子状物質はＮＯx吸蔵触媒１３を担持しているパティキュレートフィルタ１３ａ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１３ａ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１３ａ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。
【００４４】
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１３ａ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１３ａ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２３により検出されたパティキュレートフィルタ１３ａの前後差圧ΔＰが図９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１３ａ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１３ａの温度Ｔを上昇させる昇温制御が行われる。この昇温制御は燃料添加弁２２から燃料を添加することによって行われる。なお、パティキュレートフィルタ１３ａの温度Ｔが高くなるとＮＯx吸蔵触媒１３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。
【００４５】
図１１はＮＯx吸蔵触媒１３に対する処理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２００において図１０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１３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２０３に進んで燃料添加弁２２から添加された燃料によってＮＯx吸蔵触媒１３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。
【００４６】
次いでステップ２０４では差圧センサ２３によりパティキュレートフィルタ１３ａ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１３ａの昇温制御が行われる。
【００４７】
これまで図１を参照しつつ第１実施例について説明してきたがこの第１実施例は図２に示されるように並列配置された３つのＳＯxトラップ触媒１２ａ〜１２ｃ、或いはそれ以上の個数のＳＯxトラップ触媒を有する場合にも適用しうる。
【００４８】
図１２に第２実施例を示す。なお、図６と同様にこの図１２においてもＩは図１に示される第１の排気枝通路１１ａ内における第１排気遮断弁１５ａの状態と第１のＳＯxトラップ触媒１２ａのＳＯxトラップ率の変化を示しており、IIは図１において第２の排気枝通路１１ｂ内における第２排気遮断弁１５ｂの状態と第２のＳＯxトラップ触媒１２ｂのＳＯxトラップ率の変化を示している。
【００４９】
この第２実施例では途中の段階までは第１実施例と同じ排気遮断弁１５ａ，１５ｂの制御が行われる。即ち、図１２に示されるように第１排気遮断弁１５ａが開弁しているときには第２排気遮断弁１５ｂが閉弁せしめられており、従ってこのときには第１の排気枝通路１１ａ内のみに排気ガスが流通せしめられている。次いで第１のＳＯxトラップ触媒１２ａのＳＯxトラップ率が予め定められた許容値ＳＸまで低下したときには第１排気遮断弁１５ａが閉弁せしめられ、第２排気遮断弁１５ｂが開弁せしめられる。
【００５０】
このときには第２の排気枝通路１１ｂ内のみに排気ガスが流通せしめられる。次いで第２のＳＯxトラップ触媒１２ｂのＳＯxトラップ率が予め定められた許容値ＳＸまで低下すると今度は第１排気遮断弁１５ａと第２排気遮断弁１５ｂとが共に開弁せしめられ、斯くしてこのときには第１の排気枝通路１１ａ内および第２の排気枝通路１１ｂ内の双方に排気ガスが流通せしめられる。
【００５１】
この第２実施例は各ＳＯxトラップ触媒１２ａ，１２ｂを新品と交換しないようにした場合に各ＳＯxトラップ触媒１２ａ，１２ｂを可能な限り有効に利用するようにしたものである。即ち、ＳＯxトラップ触媒１２ａ，１２ｂを単独で使用する場合には低いトラップ率しか得られなくても両ＳＯxトラップ触媒１２ａ，１２ｂを同時に使用すると各ＳＯxトラップ触媒１２ａ，１２ｂにおける排気ガスの空間速度が低くなるために各ＳＯxトラップ触媒１２ａ，１２ｂにおけるＳＯxトラップ率は上昇する。従って図１２に示されるように途中の段階で両ＳＯxトラップ触媒１２ａ，１２ｂを同時に使用することによって長期間に亘って高いＳＯxトラップ率を維持することができる。
【００５２】
この第２実施例についても図２に示されるように並列配置された３つのＳＯxトラップ触媒１２ａ〜１２ｃ、或いはそれ以上の個数のＳＯxトラップ触媒を有する場合にも適用しうる。従ってこの第２実施例について一般的に表現するとこの第２実施例では各ＳＯxトラップ触媒１２ａ〜１２ｃはその劣化度合が予め定められた劣化度合に達するまで順次使用され、全てのＳＯxトラップ触媒１２ａ〜１２ｃが予め定められた劣化度合に達するまで使用された後は、複数のＳＯxトラップ触媒１２ａ〜１２ｃを同時に使用するようにしている。
【００５３】
次に図１３および図１４を参照しつつ第３実施例について説明する。
この第３実施例では機関の運転状態に応じて使用するＳＯxトラップ触媒１２ａ〜１２ｃの個数を変更するようにしており、図１３に示される例では単位時間当りの燃料供給量が増大するほど使用するＳＯxトラップ触媒１２ａ〜１２ｃの個数が増大せしめられる。
【００５４】
即ち、図１３には要求トルクＴＱと機関回転数Ｎから定まる３つの領域Ｉ，II，IIIが示されており、領域Ｉでは、即ち機関低速低負荷運転時には図２において第１のＳＯxトラップ触媒１２ａのみが使用され、領域IIでは、即ち機関中速中負荷運転時には図２において第１のＳＯxトラップ触媒１２ａと第２のＳＯxトラップ触媒１２ｂとが使用され、領域IIIでは、即ち機関高速高負荷運転時には全てのＳＯxトラップ触媒１２ａ〜１２ｃが使用される。
【００５５】
図１４は図１３に示される例を実行するための排気遮断弁１５ａ〜１５ｃの制御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３００において領域Ｉであるか否かが判別される。領域Ｉであるときにはステップ３０２に進んで第１の排気遮断弁１５ａのみが開弁せしめられ、残りの排気遮断弁１５ｂ，１５ｃは閉弁せしめられる。このとき排気ガスは第１の排気枝通路１１ａ内のみを流通せしめられる。
【００５６】
一方、ステップ３００において領域Ｉではないと判別されたときにはステップ３０１に進んで領域IIであるか否かが判別される。領域IIであるときにはステップ３０３に進んで第１の排気遮断弁１５ａおよび第２の排気遮断弁１５ｂが開弁せしめられ、残りの排気遮断弁１５ｃは閉弁せしめられる。このとき排気ガスは第１の排気枝通路１１ａ内および第２の排気枝通路１１ｂ内を流通せしめられる。
【００５７】
これに対し、ステップ３０１において領域IIではないと判別されたとき、即ち領域IIIであるときにはステップ３０４に進んで全ての排気遮断弁１５ａ〜１５ｃが開弁せしめられる。このとき排気ガスは全ての排気枝通路１１ａ〜１１ｃ内を流通せしめられる。
【００５８】
単位時間当りの燃料供給量が増大するほど排気ガス中のＳＯx濃度が高くなり、従って単位時間当りの燃料供給量が増大するほど高いＳＯxのトラップ能力が必要とされる。従ってこの実施例では単位時間当りの燃料供給量が増大するほど、即ち要求トルクＴＱが高くなるほど、或いは機関回転数Ｎが高くなるほど使用されるＳＯxトラップ触媒１２ａ〜１２ｃの個数が増大せしめられる。なお、この第３実施例についても並列配置された４個又はそれ以上のＳＯxトラップ触媒を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】圧縮着火式内燃機関の全体図である。
【図２】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３】パティキュレートフィルタの構造を示す図である。
【図４】ＮＯx吸蔵触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。
【図５】ＳＯxトラップ触媒の基体の表面部分の断面図である。
【図６】排気遮断弁の開閉制御とＳＯxトラップ率の変化とを示すタイムチャートである。
【図７】捕獲ＳＯx量ＳＯＸＡのマップを示す図である。
【図８】排気遮断弁を制御するためのフローチャートである。
【図９】ＮＯx放出制御および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１０】吸蔵ＮＯx量ＮＯＸＡのマップを示す図である。
【図１１】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１２】排気遮断弁の開閉制御とＳＯxトラップ率の変化とを示すタイムチャートである。
【図１３】領域Ｉ〜IIIを示す図である。
【図１４】排気遮断弁を制御するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００６０】
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
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ    排気枝通路
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ    ＳＯxトラップ触媒
１３    ＮＯx吸蔵触媒
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ    排気遮断弁
【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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