(57)【要約】【課題】  ＮＯX吸蔵触媒の温度を確実に上昇させる。【解決手段】  機関排気通路内に下流側に向けて順に燃料添加弁１４と、ＨＣ吸着触媒１１と、ＮＯX吸蔵触媒１２を配置する。ＮＯX吸蔵触媒１２からＮＯXを放出すべきときにはＨＣ吸着触媒１１の最大ＨＣ吸着量よりも少ない燃料が燃料添加弁１４から排気ガス中に添加され、ＮＯX吸蔵触媒１２の温度を上昇すべきときにはＨＣ吸着触媒１１の最大ＨＣ吸着量よりも多い燃料が燃料添加弁１４から排気ガス中に添加される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微粒子状の燃料を排気ガス中に添加するための燃料添加手段と、該燃料添加手段下流の機関排気通路内に配置されて排気ガス中に含まれる炭化水素を吸着するＨＣ吸着触媒と、該ＨＣ吸着触媒下流の機関排気通路内に配置されて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吸蔵触媒とを具備し、該ＨＣ吸着触媒は排気ガス中に添加された微粒子状の燃料を吸着保持した後に徐々に蒸発させると共に蒸発した燃料をクラッキングする機能を有し、ＮＯX吸蔵触媒からＮＯXを放出すべきときにはＨＣ吸着触媒の最大ＨＣ吸着量よりも少ない燃料が燃料添加手段により排気ガス中に添加され、ＮＯX吸蔵触媒の温度を上昇すべきときにはＨＣ吸着触媒の最大ＨＣ吸着量よりも多い燃料が燃料添加手段により排気ガス中に添加される圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
上記ＨＣ吸着触媒の基体がゼオライトからなり、白金からなる貴金属触媒が担持されている請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
ＮＯX吸蔵触媒からＮＯXを放出すべく排気ガス中に微粒子状の燃料が添加されたときにＨＣ吸着触媒から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比がリッチになったか否かを判断する判断手段を具備し、上記燃料添加手段は、ＮＯX吸蔵触媒からＮＯXを放出すべきときに該判断手段による判断に応じてＨＣ吸着触媒から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比をリッチにさせるのに必要な量の燃料を添加する請求項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】
ＨＣ吸着触媒下流の機関排気通路内にＨＣ吸着触媒から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比を検出しうる空燃比センサを配置し、上記判断手段は該空燃比センサの出力信号に基づいてＨＣ吸着触媒から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比がリッチになったか否かを判断する請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
ＮＯX吸蔵触媒下流の機関排気通路内にＮＯX吸蔵触媒から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比を検出しうる空燃比センサを配置し、該空燃比センサにより検出された排気ガス中のガス状成分の空燃比がほぼ理論空燃比であるときに上記判断手段はＨＣ吸着触媒から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比がリッチになっていると判断する請求項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】
ＮＯX吸蔵触媒からＳＯXを放出すべきときにＮＯX吸蔵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７】
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おり、パティキュレートフィルタ上に堆積した粒子状物質の量が許容量を越えたときにパティキュレートフィルタ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。
【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】
排気ガス中に含まれる炭化水素、即ちＨＣを吸着するためのＨＣ吸着触媒を機関排気通路内に配置し、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中の酸素濃度が低下すると吸蔵されたＮＯXを放出するＮＯX吸蔵触媒をＨＣ吸着触媒下流の機関排気通路内に配置した内燃機関が公知である（例えば特許文献１）。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ＨＣはＨＣ吸着触媒に吸着され、このとき発生するＮＯXはＮＯX吸蔵触媒に吸蔵される。
【０００３】
ところでこのようなＮＯX吸蔵触媒を用いたときにはＮＯX吸蔵触媒のＮＯX吸蔵能力が飽和する前にＮＯX吸蔵触媒からＮＯXを放出させる必要があり、この場合燃料の供給量を増量してＮＯX吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすればＮＯX吸蔵触媒からＮＯXを放出させかつ放出したＮＯXを還元することができる。しかしながらＮＯX吸蔵触媒からＮＯXを放出させる毎にリーンからリッチに空燃比を大巾に変化させると燃料消費量が増大してしまう。
【０００４】
ところが上述のＨＣ吸着触媒ではＨＣ吸着触媒の温度が活性化温度付近、即ち２００℃付近になると吸着されているＨＣの酸化反応が活発となり、その結果排気ガス中の酸素が急激に消費されるために排気ガス中の酸素濃度が急激に低下する。従ってこのときには少量の燃料を追加供給すれば排気ガスの空燃比をリッチにすることができる。そこで上述の内燃機関ではＨＣ吸着触媒において十分な量の酸素が消費されているか否かを検出し、ＨＣ吸着触媒において十分な量の酸素が消費されているときに排気ガスの空燃比をリッチにしてＮＯX吸蔵触媒からＮＯXを放出させるようにしている。
【特許文献１】特開２００３−９７２５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながらＨＣ吸着触媒の温度が活性化温度付近になる時期、即ちＨＣ吸着触媒において十分な量の酸素が消費される時期は限られているので、ＮＯX吸蔵触媒からのＮＯX放出作用からみて必要な時期にＨＣ吸着触媒の温度が活性化温度にならず、斯くして上述の内燃機関ではＮＯX吸蔵触媒からＮＯXを放出することが必要となったときにＮＯX吸蔵触媒からＮＯXを放出することができないという問題がある。また、この内燃機関ではＨＣ吸着触媒上流の排気通路内に燃料を供給することによってＮＯX吸蔵触媒の温度を上昇させることに関して何ら言及されていない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題点を解決するために本発明によれば、微粒子状の燃料を排気ガス中に添加するための燃料添加手段と、燃料添加手段下流の機関排気通路内に配置されて排気ガス中に含まれる炭化水素を吸着するＨＣ吸着触媒と、ＨＣ吸着触媒下流の機関排気通路内に配置されて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吸蔵触媒とを具備し、ＨＣ吸着触媒は排気ガス中に添加された微粒子状の燃料を吸着保持した後に徐々に蒸発させると共に蒸発した燃料をクラッキングする機能を有し、ＮＯX吸蔵触媒からＮＯXを放出すべきときにはＨＣ吸着触媒の最大ＨＣ吸着量よりも少ない燃料が燃料添加手段により排気ガス中に添加され、ＮＯX吸蔵触媒の温度を上昇すべきときにはＨＣ吸着触媒の最大ＨＣ吸着量よりも多い燃料が燃料添加手段により排気ガス中に添加される。
【発明の効果】
【０００７】
ＮＯX吸蔵触媒から確実にＮＯXを放出させることができると共にＮＯX吸蔵触媒の温度を必要に応じて確実に上昇させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【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。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ＨＣ吸着触媒１１の入口に連結される。また、ＨＣ吸着触媒１１の出口は排気管１３を介してＮＯX吸蔵触媒１２に連結される。排気マニホルド５にはミスト状の、即ち微粒子状の燃料を排気ガス中に添加するための燃料添加弁１４が取付けられる。本発明による実施例ではこの燃料は軽油からなる。
【０００９】
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１５を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１５内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１６が配置される。また、ＥＧＲ通路１５周りにはＥＧＲ通路１５内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１７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１７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１８を介してコモンレール１９に連結される。このコモンレール１９内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２０から燃料が供給され、コモンレール１９内に供給された燃料は各燃料供給管１８を介して燃料噴射弁３に供給される。
【００１０】
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。ＨＣ吸着触媒１１にはＨＣ吸着触媒１１の温度を検出するための温度センサ２１が取付けられ、排気管１３内には排気ガス中のガス状成分の空燃比を検出するための空燃比センサ２２が配置される。これら温度センサ２１および空燃比センサ２２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、ＮＯX吸蔵触媒１２にはＮＯX吸蔵触媒１２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。
【００１１】
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、燃料添加弁１４、ＥＧＲ制御弁１６および燃料ポンプ２０に接続される。
【００１２】
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ＮＯX吸蔵触媒１２の出口に連結された排気管２４内に排気ガス中のガス状成分の空燃比を検出するための空燃比センサ２２が配置されている。
【００１３】
まず初めに図１および図２に示されるＮＯX吸蔵触媒１２について説明すると、これらＮＯX吸蔵触媒１２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１２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１２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３（Ａ）および（Ｂ）はＮＯX吸蔵触媒１２を担持したパティキュレートフィルタ１２ａ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１２ａ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１２ａ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１２ａ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。
【００１５】
パティキュレートフィルタ１２ａ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１２をパティキュレートフィルタ１２ａ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（Ａ）および（Ｂ）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（Ａ）および（Ｂ）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１２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４（Ａ）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、排気ガスの空燃比がリッチ或いは理論空燃比にされ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、斯くして図４（Ｂ）に示されるように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１４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】
さて、上述したように燃料添加弁１４から燃料を添加することにより排気ガスの空燃比をリッチにすると排気ガス中の酸素濃度が低下するためにＮＯX吸収剤４７からＮＯXが放出され、放出されたＮＯXが排気ガス中に含まれる未燃ＨＣ、ＣＯによって還元される。この場合、添加された燃料が液状であったとすると理論上は排気ガスの空燃比がリッチになったとしても排気ガス中の酸素濃度は低下せず、従ってＮＯX吸収剤４７からＮＯXが放出しない。また、燃料が液状である場合にはＮＯXの還元も行われない。即ち、ＮＯX吸収剤４７からＮＯXを放出させかつ放出されたＮＯXを還元するにはＮＯX吸蔵触媒１２に流入する排気ガス中のガス状成分の空燃比をリッチにしなければならない。
【００２２】
本発明では燃料添加弁１４から添加される燃料は微粒子状であり、一部の燃料はガス状となっているがかなりの部分は液状となっている。本発明では添加された燃料がこのように微粒子状であっても排気ガス中の酸素濃度が低下しかつＮＯX吸蔵触媒１２に流入する燃料がガス状となるようにＮＯX吸蔵触媒１２の上流にＨＣ吸着触媒１１が配置されている。次にこのＨＣ吸着触媒１１について説明する。
【００２３】
ＨＣ吸着触媒１１はゼオライトのような細孔構造をもつ比表面積の大きな材料から構成されており、図１に示すＨＣ吸着触媒１１の基体はゼオライトの一種であるモルデナイトからなる。図５（Ａ）から（Ｄ）はＨＣ吸着触媒１１の表面部分の断面を図解的に示している。なお、図５（Ｂ）は図５（Ａ）におけるＢ部分の拡大図を示しており、図５（Ｃ）は図５（Ｂ）と同じ断面を示しており、図５（Ｄ）は図５（Ｃ）におけるＤ部分の拡大図を示している。図５（Ｂ）および（Ｃ）からわかるようにＨＣ吸着触媒１１の表面は凹凸した粗い表面形状を呈しており、この粗い表面形状を有する表面上には図５（Ｄ）に示されるように多数の細孔５１が形成されていると共に白金Ｐｔからなる貴金属触媒５２が分散して担持されている。
【００２４】
燃料添加弁１４から微粒子状の燃料が添加されると一部の燃料は蒸発してガス状になるがかなりの部分は微粒子の形で基体５０の表面上に吸着する。図５（Ａ）および（Ｂ）は燃料微粒子５３が吸着する様子を示している。このように液状の形で燃料が吸着するときの燃料吸着割合はガス状燃料の吸着割合に比べてかなり高くなる。なお、ＨＣ吸着触媒１１が吸着しうる燃料量を表す最大ＨＣ吸着量ＡＤmaxはＮＯX吸着触媒１１の温度の関数であってこの最大ＨＣ吸着量ＡＤmaxは図６に示されるようにＨＣ吸着触媒１１の温度が低くなるほど増大する。
【００２５】
基体５０の表面上に吸着した燃料微粒子５３は徐々に蒸発してガス状燃料となる。このガス状燃料は主に炭素数の多いＨＣからなる。この炭素数の多いＨＣは蒸発する際にゼオライト表面上の酸点又は貴金属触媒５２上においてクラッキングされ、炭素数の少ないＨＣに改質される。次いでこの改質されたガス状のＨＣがＮＯX吸蔵触媒１２に流入する。
【００２６】
図７は燃料添加弁１４からの燃料の添加量と、排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／Ｆとを示している。なお、図７において（Ａ）はＨＣ吸着触媒１１に流入する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／Ｆを示しており、（Ｂ）はＨＣ吸着触媒１１から流出してＮＯX吸蔵触媒１２に流入する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／Ｆを示しており。（Ｃ）はＮＯX吸蔵触媒１２から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／Ｆを示している。
【００２７】
本発明による実施例ではＮＯX吸蔵触媒１２からＮＯXを放出すべきときには図７に示されるように燃料添加弁１４から燃料が時間間隔を隔てて複数回に亘りパルス状に添加される。燃料添加弁１４から燃料が添加されると一部の燃料は蒸発するために排気ガス中の酸素濃度は低くなり、斯くして図７（Ａ）に示されるようにＨＣ吸着触媒１１に流入する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／Ｆは小さくなる。しかしながら添加された燃料はかなりの部分が液状であるのでＨＣ吸着触媒１１に流入する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／Ｆはリッチとなるほど小さくはならない。
【００２８】
一方、燃料添加弁１４から燃料が添加されると燃料微粒子はＨＣ吸着触媒１１に吸着され、次いでこの燃料微粒子から燃料が徐々に蒸発して前述したようにクラッキングされ、改質される。燃料微粒子から蒸発した燃料又は改質された燃料の一部は排気ガス中に含まれる酸素を反応して酸化され、それによって排気ガス中の酸素濃度が低下する。一方、余剰の燃料、即ち余剰のＨＣはＨＣ吸着触媒１１から排出され、その結果ＨＣ吸着触媒１１から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／Ｆはわずかばかりリッチとなる。
【００２９】
ＨＣ吸着触媒１１に吸着された燃料微粒子からは燃料が徐々に蒸発し、吸着された燃料微粒子が少量となるまで、ＨＣ吸着触媒１１から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／Ｆはわずかばかりリッチになり続ける。従って図７（Ｂ）に示されるように燃料添加弁１４からの燃料の添加作用が完了した後にかなりの時間に亘ってＨＣ吸着触媒１１から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／Ｆはわずかばかりリッチになり続ける。
【００３０】
ＨＣ吸着触媒１１から流出しＮＯX吸蔵触媒１２に流入する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／ＦがリッチになるとＮＯX吸蔵触媒１２からＮＯXが放出され、放出されたＮＯXが未燃ＨＣ、ＣＯによって還元される。この場合、前述したようにＮＯX吸蔵触媒１２に流入する未燃ＨＣはＨＣ吸着触媒１１において改質されており、従って放出されたＮＯXは未燃ＨＣによって良好に還元される。図７（Ｃ）からわかるようにＮＯX吸蔵触媒１２からのＮＯXの放出作用と還元作用が行われている間、ＮＯX吸蔵触媒１２から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／Ｆはほぼ理論空燃比に維持される。
【００３１】
一方、燃料の添加量が少ないとＨＣ吸着触媒１１から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／Ｆはリッチになることなくリーンに維持される。従ってこのときＮＯX吸蔵触媒１２からのＮＯX放出作用は行われない。
【００３２】
このように添加される燃料量によってＮＯX吸蔵触媒１２に流入する排気ガス中のガス状成分の空燃比は変化し、従ってＮＯX吸蔵触媒１２からＮＯXを放出すべきときにはＮＯX吸蔵触媒１２に流入する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／Ｆがリッチになるような量の燃料を添加する必要がある。そこで本発明ではＮＯX吸蔵触媒１２からＮＯXを放出すべく排気ガス中に微粒子状の燃料が添加されたときにＨＣ吸着触媒１１から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比がリッチになったか否かを判断する判断手段を具備しており、ＮＯX吸蔵触媒からＮＯXを放出すべきときにこの判断手段による判断に応じてＨＣ吸着触媒１１から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比をリッチにさせるのに必要な量の燃料を添加するようにしている。
【００３３】
排気ガス中のガス状成分の空燃比は排気ガス中のガス状成分から判断できるので、ＨＣ吸着触媒１１から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比がリッチになったか否かを判断する判断手段として排気ガス中のガス状成分を検出するセンサを用いることができる。本発明による実施例では図１および図２に示されるようにこの判断手段として空燃比センサ２２が用いられている。この空燃比センサ２２は、ジルコニアの両側に白金薄膜電極を形成し、一方の白金薄膜電極を大気にさらすと共に他方の白金薄膜電極を拡散層を介して排気ガスにさらした、一般的に使用されているセンサであって、この空燃比センサ２２は排気ガス中のガス状成分の空燃比に応じた出力信号を発生する。
【００３４】
図１に示す実施例ではＨＣ吸着触媒１１から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比を検出しうるように空燃比センサ２２が配置されており、この空燃比センサ２２の出力信号に基づいてＨＣ吸着触媒１１から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比がリッチになったか否かが判断される。
【００３５】
一方、図７（Ｂ）および（Ｃ）に示されるようにＨＣ吸着触媒１１から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／ＦがわずかばかりリッチになっているときにはＮＯX吸蔵触媒１２から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／Ｆはほぼ理論空燃比となる。従って図２に示す実施例ではＮＯX吸蔵触媒１２から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比を検出しうるように空燃比センサ２２が配置されており、この空燃比センサ２２により検出された排気ガス中のガス状成分の空燃比がほぼ理論空燃比であるときにＨＣ吸着触媒から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比がリッチになっていると判断される。
【００３６】
なお、図１および図２に示す実施例において空燃比センサ２２の出力信号に基づいてＨＣ吸着触媒１１から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比がリッチになっていないと判断されたときには、燃料添加弁１４から添加される微粒子状の燃料量が増量される。この燃料添加量の増量作用は例えばパルス状の燃料添加期間を増大することによって行われる。
【００３７】
次にＮＯX吸蔵触媒１２からのＮＯX放出制御を含む排気浄化処理全体について図８および図９を参照しつつ説明する。
本発明による実施例ではＮＯX吸蔵触媒１２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８（Ａ）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１２に吸蔵されたＮＯX量ΣＮＯＸが算出される。更に、本発明による実施例ではこのＮＯX量ΣＮＯＸが許容値ＮＸに達する毎にＮＯX吸蔵触媒１２に流入する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／Ｆが一時的にリッチにされ、それによってＮＯX吸蔵触媒１２からＮＯXが放出される。
【００３８】
図９（Ａ）はこのとき添加される燃料の添加量を示している。ここでＨＣ吸着触媒１１から流出する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／Ｆをリッチにするのに必要な燃料添加量は空燃比がリーンなほど増大し、排気ガス量、即ち吸入空気量が多くなるほど増大する。一方、空燃比および吸入空気量は要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数であり、従って本発明による実施例では燃料添加量ＡＱが要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図８（Ｃ）に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００３９】
この燃料添加量ＡＱは添加すべき燃料の総量を表わしており、従ってこの燃料添加量ＡＱから図９（Ａ）に示すパルス状の各添加量が算出される。ＮＯX放出時に添加した燃料が液状の形でＮＯX吸蔵触媒１２内に流入しないようにするためにこの燃料添加量ＡＱは図６に示される最大ＨＣ吸着量ＡＤmaxよりも少なく設定されている。
【００４０】
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１２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ＳＯ4-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、排気ガス中のガス状成分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。
【００４１】
ところでこの場合、ＮＯX吸蔵触媒１１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１１に流入する排気ガス中のガス状成分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。そこで本発明による実施例ではＮＯX吸収剤４７内に吸収されたＳＯX量が増大したときにはＮＯX吸蔵触媒１１の温度を６００℃以上まで上昇させ、次いでＮＯX吸蔵触媒１１の温度を６００℃以上に維持しつつＮＯX吸蔵触媒１２に流入する排気ガス中のガス状成分の空燃比をリッチにするようにしている。
【００４２】
具体的に言うと、ＮＯX吸蔵触媒１２に単位時間当り吸蔵される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８（Ｂ）に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、このＳＯX量ＳＯＸＡを積算することによってＮＯX吸蔵触媒１２に吸蔵されたＳＯX量ΣＳＯＸが算出される。更に、本発明による実施例ではこのＳＯX量ΣＳＯＸが許容値ＳＸに達すると燃料添加弁１４から燃料を添加することによりＮＯX吸蔵触媒１２の温度が上昇せしめられ、次いでＮＯX吸蔵触媒１２を高温に維持しつつＮＯX吸蔵触媒１２に流入する排気ガス中のガス状成分の空燃比Ａ／Ｆが一時的にリッチにされる。
【００４３】
図９（Ｂ）はＮＯX吸蔵触媒１２の温度を上昇させてＳＯXを放出させるときの燃料添加量を示している。なお、図９（Ｂ）には３種類の燃料添加方法（Ｉ）、（II）および（III）が示されており、これら（Ｉ）、（II）および（III）に、おいてハッチングを付した部分は図６に示される最大ＨＣ吸着量ＡＤmaxを示している。また、これら（Ｉ）、（II）および（III）において一回目の燃料添加と二回目の燃料添加はＮＯX吸蔵触媒１２の温度を上昇させるためのものであり、三回目およびそれ以後（三回目のみ示す）の燃料添加はＮＯX吸蔵触媒１２を高温に維持しつつＮＯX吸蔵触媒１２に流入する排気ガス中のガス状成分の空燃比をリッチにするためのものである。
【００４４】
図９（Ｂ）の（Ｉ）、（II）および（III）において一回目および二回目の燃料添加量は図６に示される最大ＨＣ添加量ＡＤmaxよりも多いことがわかる。ただし、（Ｉ）に示される場合は燃料添加時間を長くすることによって一回当りの燃料添加量が最大ＨＣ添加量ＡＤmaxよりも多くされ、（II）に示される場合は単位時間当りの燃料添加量を増大することによって一回当りの燃料添加量が最大ＨＣ添加量ＡＤmaxよりも多くされる。また、（III）に示される場合には二回に分けて噴射することにより燃料添加量が最大ＨＣ添加量ＡＤmaxよりも多くされる。
【００４５】
添加された燃料がＮＯX吸蔵触媒１２に送り込まれるとこれら燃料の酸化反応熱によってＮＯX吸蔵触媒１２の温度は急速に上昇する。ところが添加燃料量が最大ＨＣ吸着量ＡＤmaxよりも少ないと添加された全ての燃料がＨＣ吸着触媒１１に吸着保持されてしまい、添加された燃料がＮＯX吸蔵触媒１２に供給されないのでＮＯX吸蔵触媒１２の温度を上昇させることができない。そこで本発明では燃料添加量を最大ＨＣ吸着量ＡＤmaxよりも多くすることによって添加された燃料の一部がただちにＮＯX吸蔵触媒１２に供給されるようにし、それによってＮＯX吸蔵触媒１２の温度を急速に上昇させるようにしている。
【００４６】
図９（Ｂ）の（Ｉ）、（II）および（III）において三回目およびそれ以後の燃料添加量はほぼ最大ＨＣ吸着量ＡＤmaxとされている。この場合、燃料添加量は最大ＨＣ吸着量ＡＤmaxよりも多くすることもできる。しかしながらいずれにしても三回目およびそれ以後の燃料添加量は一回目および二回目の燃料添加量よりも少なくなる。なお、図９（Ｂ）は一例を示しているのであってＮＯX吸蔵触媒１２の温度を上昇させるための燃料添加の回数は３回以上とすることができる。
【００４７】
一方、排気ガス中に含まれる粒子状物質はＮＯX吸蔵触媒１２を担持しているパティキュレートフィルタ１２ａ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１２ａ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１２ａ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１２ａ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１２ａ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１２ａの前後差圧ΔＰが許容値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１２ａに流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつ燃料添加弁１４から燃料を添加してこの添加された燃料の酸化反応熱によりパティキュレートフィルタ１２ａの温度を上昇させる昇温制御が行われる。
【００４９】
図９（Ｃ）はパティキュレートフィルタ１２ａの温度を上昇させるときの燃料添加を示している。この図９（Ｃ）においてもハッチングで示される部分は最大ＨＣ吸着量ＡＤmaxを示しており、従って複数回に分けて行われる各燃料添加における燃料添加量はＮＯX吸蔵触媒１２に燃料が供給されるように最大ＨＣ吸着量ＡＤmaxよりも多くなっている。また、このときにはＮＯX吸蔵触媒１２に流入する排気ガス中のガス状成分の空燃比はリッチにする必要がなく、リーンに維持されるので各燃料添加におけるパルス状の各噴射期間は図９（Ａ）に示されるＮＯX放出時の噴射期間よりも短かくされる。
【００５０】
図１０は排気浄化処理ルーチンを示している。
図１０を参照するとまず初めにステップ１００において図８（Ａ）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１０１ではこのＮＯＸＡがＮＯX吸蔵触媒１２に吸蔵されているＮＯX量ΣＮＯＸに加算される。次いでステップ１０２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１０３に進んで図９（Ａ）に示される燃料添加弁１４からの燃料添加処理が行われる。
【００５１】
次いでステップ１０４では図８（Ｂ）に示すマップから単位時間当り吸蔵されるＳＯX量ＳＯＸＡが算出される。次いでステップ１０５ではこのＳＯＸＡがＮＯX吸蔵触媒１２に吸蔵されているＳＯX量ΣＳＯＸに加算される。次いでステップ１０６では吸蔵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１０７に進んで昇温制御およびリッチ処理、即ち図９（Ｂ）の（Ｉ）、（II）および（III）のうちのいずれか一つの燃料添加作用が行われる。
【００５２】
次いでステップ１０８では差圧センサ２３によりパティキュレートフィルタ１２ａの前後差圧ΔＰが検出される。次いでステップ１０９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１１０に進んでパティキュレートフィルタ１２ａの昇温制御が行われる。即ち、図９（Ｃ）に示す燃料添加作用が行われる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【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】ＨＣ吸着触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。
【図６】最大ＨＣ吸着量を示す図である。
【図７】排気ガス中のガス状成分の空燃比の変化を示す図である。
【図８】吸蔵ＮＯX量ＮＯＸＡ等のマップを示す図である。
【図９】燃料添加を示すタイムチャートである。
【図１０】排気浄化処理を行うためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００５４】
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
１１…ＨＣ吸着触媒
１２…ＮＯX吸蔵触媒
１４…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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