(57)【要約】【課題】  ＮＯX 吸蔵触媒が活性化していないときでも排気ガス中のＮＯX を浄化する。【解決手段】  貴金属触媒とＮＯX 吸収剤とからなるＮＯX 吸蔵触媒１１を機関排気通路内に配置する。ＮＯX 吸蔵触媒１１活性化していないときにはリーン空燃比のもとで燃焼を行ったときに発生する一酸化窒素ＮＯに対する二酸化窒素ＮＯ2 の割合を同一の機関運転状態におけるＮＯX 吸蔵触媒活性時に比べて増大させる。このとき排気ガス中に含まれる二酸化窒素ＮＯ2 がＮＯX 吸収剤に吸蔵される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
貴金属触媒とＮＯX 吸収剤とからなるＮＯX 吸蔵触媒を機関排気通路内に配置し、該ＮＯX 吸蔵触媒が活性化していないときにはＮＯX 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中に含まれる二酸化窒素ＮＯ2 がＮＯX 吸収剤に吸蔵され、該ＮＯX 吸蔵触媒が活性化しているときにはＮＯX 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中に含まれる窒素酸化物ＮＯX がＮＯX 吸収剤に吸蔵されると共にＮＯX 吸蔵触媒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なると吸蔵されている窒素酸化物ＮＯX がＮＯX 吸収剤から放出され、ＮＯX 吸蔵触媒が活性化していないときにはリーン空燃比のもとで燃焼を行ったときに発生する一酸化窒素ＮＯに対する二酸化窒素ＮＯ2 の割合を同一の機関運転状態におけるＮＯX 吸蔵触媒活性時に比べて増大させるＮＯ2 割合増大手段と、ＮＯX 吸蔵触媒が活性したときにはＮＯX 吸収剤からＮＯX を放出するためにＮＯX 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比を周期的にリーンから理論空燃比又はリッチに一時的に切換える空燃比切換手段とを具備した内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
上記ＮＯ2 割合増大手段は、ＮＯX 吸蔵触媒が活性化していないときには同一の機関運転状態におけるＮＯX 吸蔵触媒活性時に比べて緩慢な燃焼を行わせる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
上記緩慢な燃焼は、燃料噴射時期を遅角するか、再循環排気ガス量を増大するか、パイロット噴射を行うか、又は予混合気燃焼を行うかの少くともいずれか一つにより行われる請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
上記ＮＯ2 割合増大手段は、機関始動後、ＮＯX 吸蔵触媒が活性化するまでの間、一酸化窒素ＮＯに対する二酸化窒素ＮＯ2 の割合を増大させ、ＮＯX 吸蔵触媒が活性化したときには該割合の増大作用を停止する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
上記ＮＯ2 割合増大手段は、ＮＯX 吸蔵触媒が活性化していないときには機関始動後ただちにラジエータによる機関冷却水の冷却作用を開始させ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６】
上記ＮＯ2 割合増大手段は、ＮＯX 吸蔵触媒が活性化したときに機関冷却水の温度が設定温度よりも低いときにはラジエータによる機関冷却水の冷却作用を停止するようにした請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
機関冷却水によってエンジンオイルが冷却される請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
上記ＮＯ2 割合増大手段は、ＮＯX 吸蔵触媒が活性化していないときには機関始動後ただちにオイルクーラによるエンジンオイルの冷却作用を開始させ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９】
上記ＮＯ2 割合増大手段は、ＮＯX 吸蔵触媒が活性化したときにエンジンオイルの温度が設定温度よりも低いときにはオイルクーラによるエンジンオイルの冷却作用を停止するようにした請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１０】
上記空燃比切換手段は、機関始動後、ＮＯX 吸蔵触媒が活性化したときにはＮＯX 吸収剤からＮＯX を放出させるためにただちにＮＯX 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーンから理論空燃比又はリッチに一時的に切換える請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１１】
上記空燃比切換手段は、機関の運転を停止するときにはＮＯX 吸収剤からＮＯX を放出させるためにＮＯX 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーンから理論空燃比又はリッチに一時的に切換える請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１２】
ＮＯX 吸収剤に吸収されたＮＯX 吸収量を推定するための手段を具備し、推定されたＮＯX 吸収量が予め定められた許容値を越えたときに排気ガスの空燃比がリーンからリッチに切換えられる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１３】
ＮＯX 吸蔵触媒から流出する排気ガス中のＮＯX 濃度を検出するためのＮＯX 濃度センサを具備し、ＮＯX 濃度センサにより検出されたＮＯX 濃度が設定値を越えたときにＮＯX 吸収剤のＮＯX 吸収量が許容値を越えたと判断される請求項１２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１４】
ＮＯX 吸蔵触媒のＮＯX 吸収剤に吸収されたＳＯX をＮＯX 吸収剤から放出させる際にはＮＯX 吸蔵触媒の温度がＳＯX 放出温度まで上昇せしめられた後、ＮＯX 吸蔵触媒の温度をＳＯX 放出温度に維持しつつ排気ガスの空燃比がリッチとされる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１５】
ＮＯX 吸蔵触媒がパティキュレートフィルタからなる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１６】
機関排気通路内に還元剤を供給することによって排気ガスの空燃比をリッチに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１７】
機関が、再循環排気ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、再循環排気ガス量を更に増大すると煤がほとんど発生しなくなる機関からなり、再循環排気ガス量を煤の発生量がピークとなる量よりも増大した状態で燃焼室内における空燃比をリッチにすることにより排気ガスの空燃比をリッチに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１８】
機関が、再循環排気ガス量を増大していくと煤の発生量が次第に増大してピークに達し、再循環排気ガス量を更に増大すると煤がほとんど発生しなくなる機関からなり、ＮＯX 吸蔵触媒の温度を上昇すべきときには再循環排気ガス量を煤の発生量がピークとなる量よりも増大させる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１９】
排気ガス中のＮＯX を浄化する触媒として、貴金属触媒とＮＯX 吸収剤とからなるＮＯX 吸蔵触媒を用い、該ＮＯX 吸蔵触媒が活性化していないときにはリーン空燃比のもとで燃焼を行ったときに発生する一酸化窒素ＮＯに対する二酸化窒素ＮＯ2 の割合を同一の機関運転状態におけるＮＯX 吸蔵触媒活性時に比べて増大させてこのとき排気ガス中に含まれる二酸化窒素ＮＯ2 をＮＯX 吸収剤に吸蔵させ、ＮＯX 吸蔵触媒の温度が上昇するとＮＯX 吸収剤に吸蔵された二酸化窒素ＮＯ2 が硝酸イオンＮＯ3-に変化せしめられ、ＮＯX 吸蔵触媒が活性化したときにはＮＯX 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比が周期的にリーンから理論空燃比又はリッチに一時的に切換えられ、それによってＮＯX 吸収剤に硝酸イオンＮＯ3-の形で吸蔵されている窒素酸化物ＮＯX がＮＯX 吸収剤から放出される内燃機関の排気浄化方法。
【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および排気浄化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
リーン空燃比のもとで燃焼が行われているときに排気ガス中に含まれるＮＯX を浄化するための触媒として、アルミナからなる担体の表面上にアルカリ金属或いはアルカリ土類からなるＮＯX 吸収剤の層を形成し、更に白金のような貴金属触媒を担体表面上に担持した触媒が公知である（例えば特許文献１参照）。この触媒では触媒が活性化すると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 がＮＯX 吸収剤内に吸収され、排気ガスの空燃比がリッチにされるとＮＯX 吸収剤に吸収されていたＮＯX が放出され、還元される。
【０００３】
ところでこのようなＮＯX の吸放出作用は触媒が活性化しないと行われないと考えられており、従ってこの特許文献１に記載された内燃機関では触媒が活性化していないときには電気ヒータにより触媒を加熱するようにしている。
【特許文献１】特開平６−１０８８２６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ＮＯX の吸放出作用を行うようにした触媒について本発明者が研究を重ねた結果、排気ガス中に含まれる一酸化窒素は触媒が活性化しないとＮＯX 吸収剤に吸収されないが排気ガス中に含まれる二酸化窒素は触媒が活性化しなくてもＮＯX 吸収剤に吸蔵されることが判明したのである。
本発明は、このように本発明者により見い出された事実を利用して排気ガスを浄化するようにした排気浄化装置および排気浄化方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
即ち、本発明では、貴金属触媒とＮＯX 吸収剤とからなるＮＯX 吸蔵触媒を機関排気通路内に配置し、ＮＯX 吸蔵触媒が活性化していないときにはＮＯX 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中に含まれる二酸化窒素ＮＯ2 がＮＯX 吸収剤に吸蔵され、ＮＯX 吸蔵触媒が活性化しているときにはＮＯX 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中に含まれる窒素酸化物ＮＯX がＮＯX 吸収剤に吸蔵されると共にＮＯX 吸蔵触媒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なると吸蔵されている窒素酸化物ＮＯX がＮＯX 吸収剤から放出され、ＮＯX 吸蔵触媒が活性化していないときにはリーン空燃比のもとで燃焼を行ったときに発生する一酸化窒素ＮＯに対する二酸化窒素ＮＯ2 の割合を同一の機関運転状態におけるＮＯX 吸蔵触媒活性時に比べて増大させるＮＯ2 割合増大手段と、ＮＯX 吸蔵触媒が活性したときにはＮＯX 吸収剤からＮＯX を放出するためにＮＯX 吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比を周期的にリーンから理論空燃比又はリッチに一時的に切換える空燃比切換手段とを具備している。
【発明の効果】
【０００６】
ＮＯX 吸蔵触媒が活性化する前から排気ガス中のＮＯX 浄化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は本発明を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。なお、本発明は火花点火式内燃機関にも適用することもできる。
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ＮＯX 吸蔵触媒１１を内蔵したケーシング１２に連結される。排気マニホルド５の集合部出口には排気マニホルド５内を流れる排気ガス中に例えば炭化水素からなる還元剤を供給するための還元剤供給弁１３が配置される。
【０００８】
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１４を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１４内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１５が配置される。また、ＥＧＲ通路１４周りにはＥＧＲ通路１４内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１６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１６内に導びかれ、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１７を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール１８に連結される。このコモンレール１８内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ１９から燃料が供給され、コモンレール１８内に供給された燃料は各燃料供給管１７を介して燃料噴射弁３に供給される。
【０００９】
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。ＮＯX 吸蔵触媒１１にはＮＯX 吸蔵触媒１１の温度を検出するための温度センサ２０が取付けられ、この温度センサ２０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。また、入力ポート３５にはイグニッションスイッチ４３のオン・オフ信号が入力される。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、還元剤供給弁１３、ＥＧＲ制御弁１５、および燃料ポンプ１９に接続される。
【００１０】
図１に示すＮＯX 吸蔵触媒１１はモノリス触媒からなり、このＮＯX 吸蔵触媒１１の基体上には例えばアルミナからなる触媒担体が担持されている。図２（Ａ），（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２（Ａ），（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。
【００１１】
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くとも一つが用いられている。
【００１２】
機関吸気通路、燃焼室２およびＮＯX 吸蔵触媒１１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、貴金属触媒４６が活性化していれば、即ちＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化していれば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。なお、ＮＯX 吸蔵触媒１１上流の排気通路内に燃料（炭化水素）或いは空気が供給されない場合には排気ガスの空燃比は燃焼室２内に供給される混合気の空燃比に一致し、従ってこの場合にはＮＯX 吸収剤４７は燃焼室２内に供給される混合気の空燃比がリーンのときにはＮＯX を吸収し、燃焼室２内に供給される混合気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯX を放出することになる。
【００１３】
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貴金属触媒４６が活性化していれば排気ガス中に含まれるＮＯは図２（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。
【００１４】
これに対し、燃焼室２内における空燃比をリッチ或いは理論空燃比にすることによって、又は還元剤供給弁１３から還元剤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。
【００１５】
ところで白金Ｐｔ４６は本来的に低温での活性を有している。しかしながらＮＯX 吸収剤４７の塩基性はかなり強く、そのために白金Ｐｔ４６の低温での活性、即ち酸化性が弱められてしまう。その結果、ＮＯX 吸蔵触媒１１の温度ＴＣが低下するとＮＯの酸化作用が弱まり、図３に示されるようにＮＯX 吸蔵触媒１１の温度ＴＣが低下するとＮＯX 浄化率が低下する。本発明による実施例では図３からわかるようにＮＯX 吸蔵触媒１１の温度ＴＣがほぼ２５０℃よりも低くなるとＮＯX 浄化率は急速に低下し、ＮＯX 吸蔵触媒１１の温度ＴＣがほぼ２００℃になるとＮＯX 浄化率がほぼ５０パーセントとなる。本発明による実施例ではＮＯX 浄化率がほぼ５０パーセントになったときに、即ちＮＯX 吸蔵触媒１１の温度ＴＣがほぼ２００℃（＝Ｔｓ）になったときにＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化したと判断される。
【００１６】
さて、排気ガス中の窒素酸化物ＮＯX は一酸化窒素ＮＯの形ではＮＯX 吸収剤４７に吸収されず、二酸化窒素ＮＯ2 の形にならなければＮＯX 吸収剤４７に吸収されない。即ち、排気ガス中に含まれる窒素酸化物ＮＯX の大部分は通常一酸化窒素ＮＯであり、この一酸化窒素ＮＯは二酸化窒素ＮＯ2 にならないと、即ち酸化されないとＮＯX 吸収剤４７に吸収されない。一酸化窒素ＮＯを酸化するには貴金属触媒４６が活性化していることが必要であり、従ってこれまでＮＯX を浄化するためには貴金属触媒４６が活性化していることが必要であると考えられてきた。
【００１７】
ところがこのＮＯX 吸蔵触媒１１について本発明者が研究を重ねた結果、排気ガス中に含まれる一酸化窒素ＮＯは白金４６が活性化しないと、即ちＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化しないとＮＯX 吸収剤４７に吸収されないが排気ガス中に含まれる二酸化窒素ＮＯ2 はＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化しなくても図２（Ｂ）に示されるように例えば亜硝酸ＮＯ2-の形でＮＯX 吸収剤４７に吸蔵されることが判明したのである。なお、この場合、二酸化窒素ＮＯ2 はＮＯX 吸収剤４７に吸着するのか、或いはＮＯX 吸収剤４７内に吸収されるのかは必ずしも明確ではなく、これら吸着と吸収とを合わせて吸蔵と称している。
【００１８】
このようにＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化していなくても二酸化窒素ＮＯ2 が吸蔵されるのでＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化していないときには、例えば機関始動後暫らくの間は排気ガス中の一酸化窒素ＮＯの量を減らし、排気ガス中の二酸化窒素ＮＯ2 の量を増大することが好ましい。そこで本発明による実施例では、ＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化していないときにはリーン空燃比のもとで燃焼を行ったときに発生する一酸化窒素ＮＯに対する二酸化窒素ＮＯ2 の割合を同一の機関運転状態、即ち同一回転数、同一トルクにおけるＮＯX 吸蔵触媒活性時に比べて増大させるようにしている。
【００１９】
ところで燃焼によって生成されるＮＯX 、即ち高温下でもって生成されるＮＯX はＮＯの形をとり、従って前述したように排気ガス中に含まれるＮＯX の大部分はＮＯである。ところが膨張行程から排気行程にかけて燃焼室２内の雰囲気温度が例えば５００℃以下の低温雰囲気になると既燃ガス中に含まれるＨＣラジカルとＮＯとが反応し、その結果ＮＯ2 が生成される。即ち、膨張行程から排気行程にかけて燃焼室２内の雰囲気温度を低下させることができれば排気ガス中のＮＯ2 の割合（＝ＮＯ2 の量／ＮＯの量）を増大できることになる。
【００２０】
この場合、燃焼温が高温とならないように緩慢な燃焼を行わせると膨張行程から排気行程にかけて燃焼室２内の雰囲気温度が低下する。従ってＮＯ2 の割合を増大させる一つの方法は緩慢な燃焼を行わせることにある。この場合、燃料噴射時期を圧縮上死点前において遅角するか、又はＥＧＲガス量を増大するか、又はパイロット噴射を行うか、又は予混合気燃焼を行うかの少くともいずれか一つを行うと燃焼が緩慢となる。そこで本発明によるいくつかの実施例では、ＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化していないときには同一の機関運転状態におけるＮＯX 吸蔵触媒活性時に比べて緩慢な燃焼を行わせるようにしている。
【００２１】
上述したようにＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化していないときには図２（Ｂ）に示されるように排気ガス中に含まれる二酸化窒素ＮＯ2 はＮＯX 吸収剤４７に吸蔵される。次いでＮＯX 吸蔵触媒１１の温度ＴＣが上昇するとＮＯX 吸収剤４７に吸蔵された二酸化窒素ＮＯ2 が硝酸イオンＮＯ3-に変化せしめられ、斯くしてＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化したときには吸蔵された二酸化窒素ＮＯ2 は硝酸イオンＮＯ3-の形でＮＯX 吸収剤４７内に吸収されることになる。
【００２２】
さて、ＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化するとリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときに排気ガス中の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還元剤供給弁１３から還元剤を供給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。
【００２３】
ただし、本発明におけるようにＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化していない間、例えば機関始動後、ＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化するまでの間、ＮＯ2 の割合が増大せしめられるとＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化する頃には多量のＮＯ2 がＮＯX 吸収剤４７に吸蔵されていると考えられる。従って本発明による実施例では、機関始動後、ＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化したときにはＮＯX 吸収剤４７からＮＯX を放出させるためにただちにＮＯX 吸蔵触媒１１に流入する排気ガスの空燃比がリーンから理論空燃比又はリッチに一時的に切換えられる。
【００２４】
また、機関始動時からＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化するまでの間、ＮＯ2 の割合を増大せしめるようにした場合には機関始動時にＮＯX 吸収剤４７のＮＯX 吸収量を零にしておくことが好ましい。従って本発明による実施例では、機関の運転を停止するときにＮＯX 吸収剤４７からＮＯX を放出させるためにＮＯX 吸蔵触媒１１に流入する排気ガスの空燃比がリーンから理論空燃比又はリッチに一時的に切換えられる。
【００２５】
一方、排気ガス中にはＳＯ2 も含まれており、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。
【００２６】
ところが、ＮＯX 吸蔵触媒１１の温度を６００℃以上まで上昇させた状態で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。従って本発明による実施例ではＮＯX 吸収剤４７に吸収されているＳＯX 量が増大したときにはＮＯX 吸蔵触媒１１の温度を６００℃以上まで上昇させて排気ガスの空燃比をリッチにするようにしている。図４はＮＯX 吸蔵触媒１１の温度ＴＣを６００℃以上まで上昇させる方法の一例を示している。
【００２７】
ＮＯX 吸蔵触媒１１の温度ＴＣを上昇させるのに有効な方法の一つは燃料噴射時期を圧縮上死点以後まで遅角させる方法である。即ち、通常主燃料Ｑm は図４において、（Ｉ）に示されるように圧縮上死点付近で噴射される。この場合、図４の（II）に示されるように主燃料Ｑm の噴射時期が遅角されると後燃え期間が長くなり、斯くして排気ガス温が上昇する。排気ガス温が高くなるとそれに伴ってＮＯX 吸蔵触媒１１の温度ＴＣが上昇する。
【００２８】
また、ＮＯX 吸蔵触媒１１の温度ＴＣを上昇させるために図４の（III ）に示されるように主燃料Ｑm に加え、吸気上死点付近において補助燃料Ｑv を噴射することもできる。このように補助燃料Ｑv を追加的に噴射すると補助燃料Ｑv 分だけ燃焼せしめられる燃料が増えるために排気ガス温が上昇し、斯くしてＮＯX 吸蔵触媒１１の温度ＴＣが上昇する。
【００２９】
一方、このように吸気上死点付近において補助燃料Ｑv を噴射すると圧縮行程中に圧縮熱によってこの補助燃料Ｑv からアルデヒド、ケトン、パーオキサイド、一酸化炭素等の中間生成物が生成され、これら中間生成物によって主燃料Ｑm の反応が加速される。従ってこの場合には図４の（III ）に示されるように主燃料Ｑm の噴射時期を大巾に遅らせても失火を生ずることなく良好な燃焼が得られる。即ち、このように主燃料Ｑm の噴射時期を大巾に遅らせることができるので排気ガス温はかなり高くなり、斯くしてＮＯX 吸蔵触媒１１の温度ＴＣをすみやかに上昇させることができる。
【００３０】
また、ＮＯX 吸蔵触媒１１の温度ＴＣを上昇させるために図４の（IV）に示されるように主燃料Ｑm に加え、膨張行程中又は排気行程中に補助燃料Ｑp を噴射することもできる。即ち、この場合、大部分の補助燃料Ｑp は燃焼することなく未燃ＨＣの形で排気通路内に排出される。この未燃ＨＣはＮＯX 吸蔵触媒１１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ＮＯX 吸蔵触媒１１の温度ＴＣが上昇せしめられる。
【００３１】
さて、本発明による第１実施例では、ＮＯX 吸蔵触媒１１の温度ＴＣが設定温度Ｔｓを越えると、即ちＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化すると、ＮＯX 吸蔵触媒１１のＮＯX 吸収剤４７に吸収されている吸収ＮＯX 量が算出され、算出された吸収ＮＯX 量が予め定められた許容値を越えたときに排気ガスの空燃比がリーンからリッチに切換えられ、それによってＮＯX 吸収剤４７からＮＯX が放出される。
【００３２】
単位時間当りに機関から排出されるＮＯX 量は燃料噴射量Ｑと機関回転数Ｎの関数であり、従って単位時間当りにＮＯX 吸収剤４７に吸収されるＮＯX 吸収量ＮＯＸＡは燃料噴射量Ｑと機関回転数Ｎの関数となる。この実施例では燃料噴射量Ｑと機関回転数Ｎに応じた単位時間当りのＮＯX 吸収量ＮＯＸＡが予め実験により求められており、このＮＯX 吸収量ＮＯＸＡが燃料噴射量Ｑと機関回転数Ｎの関数として図５（Ａ）に示すようにマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００３３】
一方、図５（Ｂ）はＮＯX 吸収剤４７へのＮＯX 吸収率ＫＮとＮＯX 吸蔵触媒１１の温度ＴＣとの関係を示している。このＮＯX 吸収率ＫＮはＮＯX 吸蔵触媒１１の温度ＴＣに対して図３に示されるＮＯX 吸収率と同様な傾向を有しており、ＮＯX 吸収剤４７への実際のＮＯX 吸収量はＮＯＸＡとＫＮとの積で表わされる。
【００３４】
図６はＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化しているときのＮＯX およびＳＯX の放出制御を示している。図６に示されるようにＮＯX 吸収量ＮＯＸＡ・ＫＮの積算値ΣＮＯＸが許容値ＮＸを越える毎に還元剤供給弁１３から還元剤が供給され、ＮＯX 吸蔵触媒１１に流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆがリーンからリッチに一時的に切換えられる。このときＮＯX がＮＯX 吸収剤４７から放出され、還元される。
【００３５】
一方、ＮＯX 吸収剤４７に吸収されているＳＯX 量の積算値ΣＳＯＸも算出されており、このＳＯX 量の積算値ΣＳＯＸが許容値ＳＸを越えるとＮＯX 吸収剤４７からのＳＯX 放出作用が行われる。即ち、まず初めに図４の（II）〜（IV）に示す方法によってＮＯX 吸蔵触媒１１の温度ＴＣがＳＯX 放出温度ＴＸに達するまで上昇せしめられる。このＳＯX 放出温度ＴＸは６００℃以上である。
【００３６】
ＮＯX 吸蔵触媒１１の温度ＴＣがＳＯX 放出温度ＴＸに達するとＮＯX 吸蔵触媒１１に流入する排気ガスの空燃比がリーンからリッチに切換えられ、ＮＯX 吸収剤４７からのＳＯX の放出が開始される。ＳＯX の放出制御中、ＮＯX 吸蔵触媒１１の温度ＴＣはＳＯX 放出温度ＴＸ以上に保持され、排気ガスの空燃比は図６に示されるようにリッチに維持されるか、又は交互にリッチとリーンにされる。次いでＳＯX 放出作用が完了するとＮＯX 吸蔵触媒１１の昇温作用は停止され、排気ガスの空燃比がリーンに戻される。
【００３７】
図７は還元剤供給弁１３からの還元剤の供給制御ルーチンを示しており、このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
図７を参照するとまず初めにステップ１００において、ＮＯX 吸蔵触媒１１の温度ＴＣが設定温度Ｔｓ、例えば２００℃よりも低いか否かが判別される。ＴＣ＜Ｔｓのときにはステップ１０１に進んで排気ガス中のＮＯ2 の割合（＝ＮＯ2 の量／ＮＯの量）を増大するＮＯ2 割合増大処理が行われる。本発明による実施例では前述したように例えば燃料噴射時期を遅角するか、ＥＧＲガス量を増大するか、パイロット噴射を行うか、又は予混合気燃焼を行うかの少くともいずれか一つを行うことによって排気ガス中のＮＯ2 の割合が増大せしめられる。このように排気ガス中のＮＯ2 の割合を増大せしめることによって排気ガス中に含まれる大部分のＮＯX をＮＯX 吸蔵触媒１１に吸蔵することができ、斯くして機関始動後、ＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化するまでの間であっても多量のＮＯX が大気中に放出するのを阻止することができる。
【００３８】
次いでステップ１０２ではＮＯX 吸蔵触媒１１の温度ＴＣが設定温度Ｔｓを越えたときにはただちにＮＯX 吸収剤４７からＮＯX を放出させるＮＯX 放出処理を行わせるためにＮＯX 吸収量の積算値ΣＭＯＸが許容値ＮＸとされる。
【００３９】
一方、ステップ１００においてＴＣ≧Ｔｓになったと判断されたときには、即ちＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化したと判断したときにはステップ１０３に進んで機関を停止するためにイグニッションスイッチ４３がオンからオフに切換えられたか否かが判別される。イグニッションスイッチ４３がオンのままであるときにはステップ１０４に進んで図５（Ａ）に示されるマップから単位時間当りのＮＯX 吸収量ＮＯＸＡと、図５（Ｂ）に示されるＮＯX 吸収率ＫＮが算出される。次いでステップ１０５では実際のＮＯX 吸収量ＫＮ・ＮＯＸＡをΣＮＯＸに加算することによってＮＯX 吸収量の積算値ΣＮＯＸが算出される。次いでステップ１０６ではＮＯX 吸収量の積算値ΣＮＯＸが許容値ＮＸを越えたか否かが判別される。ΣＮＯＸ＜ＮＸのときにはステップ１０８にジャンプする。これに対してΣＮＯＸ≧ＮＸのときにはステップ１０７に進んでＮＯX 放出処理Ｉが行われ、次いでステップ１０８に進む。前述したようにＴＣ≧ＴｓとなったときにはＮＯX 吸収量の積算値ΣＮＯＸは許容値ＮＸとされており、従ってこのときにはステップ１０７に進んでＮＯX 放出処理Ｉが行われる。
【００４０】
ステップ１０８では燃料噴射量Ｑに定数ｋＳを乗算した値ｋＳ・ＱがΣＳＯＸに加算される。前述したように燃料中には一定量のイオウが含まれており、従って単位時間当りにＮＯX 吸蔵触媒１１のＮＯX 吸収剤４７に吸収されるＳＯX 量はｋＳ・Ｑで表わすことができる。従ってｋＳ・ＱにΣＳＯＸを加算することによって得られるΣＳＯＸはＮＯX 吸収剤４７内に吸収されたＳＯX 量の積算値を表わしている。次いでステップ１０９ではＳＯX 量の積算値ΣＳＯＸが許容値ＳＸを越えたか否かが判別される。ΣＳＯＸ≦ＳＸのときには処理サイクルを完了し、ΣＳＯＸ＞ＳＸになるとステップ１１０に進んでＳＯX 放出処理が行われる。
【００４１】
一方、ステップ１０３においてイグニッションスイッチ４３がオンからオフに切換えられたと判断されるとステップ１１１に進み、ＮＯX 吸収剤４７に吸収されているＮＯX 量を零にするためにＮＯX 放出処理IIが行われる。
【００４２】
図８は図７のステップ１０７で実行されるＮＯX 放出処理Ｉの処理ルーチンを示している。
図８を参照すると、まず初めにステップ１２０において排気ガスの空燃比を例えば１３程度のリッチ空燃比とするのに必要な還元剤の供給量が算出される。次いでステップ１２１では還元剤の供給時間が算出される。この還元剤の供給時間は通常１０秒以下である。次いでステップ１２２では還元剤供給弁１３からの還元剤の供給が開始される。次いでステップ１２３ではステップ１２１において算出された還元剤の供給時間が経過したか否かが判別される。還元剤の供給時間が経過していないときにはステップ１２３に戻る。このとき還元剤の供給が続行され、排気ガスの空燃比が１３程度のリッチ空燃比に維持される。これに対し、還元剤の供給時間が経過したとき、即ちＮＯX 吸収剤４７からのＮＯX 放出作用が完了したときにはステップ１２４に進んで還元剤の供給が停止され、次いでステップ１２５に進んでΣＮＯＸがクリアされる。次いで図７のステップ１０８に進む。
【００４３】
図９は図７のステップ１１０において実行されるＳＯX 放出処理の処理ルーチンを示している。
図９を参照すると、まず初めにステップ１３０においてＮＯX 吸蔵触媒１１の昇温制御が行われる。即ち、燃料噴射弁３からの燃料噴射パターンが図４の（II）から（IV）に示すいずれかの噴射パターンに変更される。燃料噴射パターンが図４の（II）から（IV）に示すいずれかの噴射パターンに変更されると排気ガス温が上昇し、斯くしてＮＯX 吸蔵触媒１１の温度が上昇する。次いでステップ１３１に進み、ＮＯX 吸蔵触媒１１の温度ＴＣがＳＯX 放出温度ＴＸ以上になったか否かが判別される。ＴＣ＜ＴＸのときにはステップ１３１に戻る。これに対してＴＣ≧ＴＸになるとステップ１３２に進んで排気ガスの空燃比を例えば１４程度のリッチ空燃比とするのに必要な還元剤の供給量が算出される。次いでステップ１３３では還元剤の供給時間が算出される。この還元剤の供給時間は１０分前後である。次いでステップ１３４では還元剤供給弁１３からの還元剤の供給が開始される。次いでステップ１３５ではステップ１３３において算出された還元剤の供給時間が経過したか否かが判別される。還元剤の供給時間が経過していないときにはステップ１３５に戻る。このとき還元剤の供給が続行され、排気ガスの空燃比が１４程度のリッチ空燃比に維持される。これに対し、還元剤の供給時間が経過したとき、即ちＮＯX 吸収剤４７に吸収されているＳＯX の放出が完了したときにはステップ１３６に進んで還元剤の供給が停止される。次いでステップ１３７ではＮＯX 吸蔵触媒１１の昇温作用が停止され、次いでステップ１３８に進んでΣＳＯＸおよびΣＮＯＸがクリアされる。
【００４４】
図１０は図７のステップ１１１で実行されるＮＯX 放出処理IIの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１４０において排気ガスの空燃比を例えば１３程度のリッチ空燃比とするのに必要な還元剤の供給量が算出される。次いでステップ１４１では還元剤の供給時間が算出される。この還元剤の供給時間は通常１０秒以下である。次いでステップ１４２では還元剤供給弁１３からの還元剤の供給が開始される。次いでステップ１４３ではステップ１４１において算出された還元剤の供給時間が経過したか否かが判別される。還元剤の供給時間が経過していないときにはステップ１４３に戻る。このとき還元剤の供給が続行され、排気ガスの空燃比が１３程度のリッチ空燃比に維持される。これに対し、還元剤の供給時間が経過したとき、即ちＮＯX 吸収剤４７からのＮＯX 放出作用が完了したときにはステップ１４４に進んで還元剤の供給が停止され、次いでステップ１４５に進んでΣＮＯＸがクリアされる。次いでステップ１４６では機関を停止する処理が行われる。
【００４５】
図１１から図１３に第２実施例を示す。この第２実施例では図１１に示されるようにＮＯX 吸蔵触媒１１を収容しているケーシング１２の出口に取付けられた排気管２１内に排気ガス中のＮＯX 濃度を検出することのできるＮＯX 濃度センサ２２が配置される。このＮＯX 濃度センサ２２は図１２（Ｂ）に示されるようにＮＯX 濃度に比例した出力電圧Ｖを発生する。
【００４６】
ＮＯX 吸蔵触媒１１ではＮＯX 吸収剤４７のＮＯX 吸収量が飽和に近づくとＮＯX の浄化率が次第に低下し、その結果排気ガス中のＮＯX 濃度が次第に増大する。従ってＮＯX 吸収剤４７の吸収ＮＯX 量は排気ガス中のＮＯX 濃度から推定することができる。この実施例では排気ガス中のＮＯX 濃度から推定された吸収ＮＯX 量が予め定められた許容値を越えたとき、即ち図１２（Ａ）に示されるようにＮＯX 濃度センサ２２の出力電圧Ｖが設定値ＶＸを越えたときに排気ガスの空燃比がリーンからリッチに切換えられる。
【００４７】
図１３はこの実施例における還元剤供給弁１３からの還元剤の供給制御ルーチンを示しており、このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
図１３を参照するとまず初めにステップ２００において、ＮＯX 吸蔵触媒１１の温度ＴＣが設定温度Ｔｓ、例えば２００℃よりも低いか否かが判別される。ＴＣ＜Ｔｓのときにはステップ２０１に進んで排気ガス中のＮＯ2 の割合（＝ＮＯ2 の量／ＮＯの量）を増大するＮＯ2 割合増大処理が行われる。本発明による実施例では前述したように例えば燃料噴射時期を遅角するか、ＥＧＲガス量を増大するか、パイロット噴射を行うか、又は予混合気燃焼を行うかの少くともいずれか一つを行うことによって排気ガス中のＮＯ2 の割合が増大せしめられる。
【００４８】
一方、ステップ２００においてＴＣ≧Ｔｓになったと判断されたときには、即ちＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化したと判断したときにはステップ２０２に進んで機関を停止するためにイグニッションスイッチ４３がオンからオフに切換えられたか否かが判別される。イグニッションスイッチ４３がオンのままであるときにはステップ２０３に進んでＮＯX 濃度センサ２２の出力電圧Ｖが設定値ＶＸを越えたか否かが判別される。Ｖ≦ＶＸのときにはステップ２０５にジャンプする。これに対してＶ＞ＶＸになるとステップ２０４に進んで図８に示すＮＯX 放出処理Ｉが実行される。次いでステップ２０５に進む。
【００４９】
ステップ２０５では燃料噴射量Ｑに定数ｋＳを乗算した値ｋＳ・ＱがΣＳＯＸに加算される。前述したように燃料中には一定量のイオウが含まれており、従って単位時間当りにＮＯX 吸蔵触媒１１のＮＯX 吸収剤４７に吸収されるＳＯX 量はｋＳ・Ｑで表わすことができる。従ってｋＳ・ＱにΣＳＯＸを加算することによって得られるΣＳＯＸはＮＯX 吸収剤４７内に吸収されたＳＯX 量の積算値を表わしている。次いでステップ２０６ではＳＯX 量の積算値ΣＳＯＸが許容値ＳＸを越えたか否かが判別される。ΣＳＯＸ≦ＳＸのときには処理サイクルを完了し、ΣＳＯＸ＞ＳＸになるとステップ２０７に進んで図９に示すＳＯX 放出処理が行われる。
【００５０】
一方、ステップ２０２においてイグニッションスイッチ４３がオンからオフに切換えられたと判断されるとステップ２０８に進み、ＮＯX 吸収剤４７に吸収されているＮＯX 量を零にするために図１０に示されるＮＯX 放出処理IIが実行される。
【００５１】
次に図１および図１１に示されるＮＯX 吸蔵触媒１１がパティキュレートフィルタからなる場合について説明する。
図１４（Ａ）および（Ｂ）にこのパティキュレートフィルタ１１の構造を示す。なお、図１４（Ａ）はパティキュレートフィルタ１１の正面図を示しており、図１４（Ｂ）はパティキュレートフィルタ１１の側面断面図を示している。図１４（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１１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１４（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。
【００５２】
パティキュレートフィルタ１１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１４（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 吸蔵触媒をパティキュレートフィルタから構成した場合には、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アルミナからなる触媒担体の層が形成されており、図２（Ａ），（Ｂ）に示される如くこの触媒担体４５上には貴金属触媒４６とＮＯX 吸収剤４７とが担持されている。なお、この場合も貴金属触媒として白金Ｐｔが用いられている。このようにＮＯX 吸蔵触媒をパティキュレートフィルタから構成した場合でもＮＯX 吸蔵触媒が活性化していないときには排気ガス中のＮＯ2 がＮＯX 吸蔵触媒に吸蔵される。なお、この場合にも図７から図１１に示すＮＯX 吸蔵触媒１１に対するＮＯX およびＳＯX 放出制御と同様のＮＯX およびＳＯX 放出制御が行われる。
【００５３】
また、ＮＯX 吸蔵触媒をパティキュレートフィルタから構成した場合には、排気ガス中に含まれるパティキュレートがパティキュレートフィルタ１１内に捕獲され、捕獲されたパティキュレートは排気ガス熱によって順次燃焼せしめられる。もし多量のパティキュレートがパティキュレートフィルタ１１上に推積した場合には噴射パターンが図４の噴射パターン（II）から（IV）のいずれかに切換えられ、或いは還元剤供給弁１３から還元剤が供給され、それによって排気ガス温が上昇せしめられて推積したパティキュレートが着火燃焼せしめられる。
【００５４】
図１５に別の実施例を示す。この実施例では白金Ｐｔのような貴金属触媒を担持した酸化触媒２３がＮＯX 吸蔵触媒１１上流の機関排気通路内に配置されている。この酸化触媒２３は塩基性の強いＮＯX 吸収剤を担持していないので強い酸化性を有しており、従ってＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化する前から酸化触媒２３による一酸化窒素ＮＯの酸化作用が開始される。即ち、この実施例ではＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化する前から酸化触媒２３によって一酸化窒素ＮＯを二酸化窒素ＮＯ2 に酸化する酸化作用が行われており、従ってこの実施例ではＮＯX 吸蔵触媒１１に流入する排気ガス中のＮＯ2 の割合を高めることができるという利点がある。
【００５５】
次にＮＯX 吸蔵触媒１１を昇温し、排気ガスの空燃比をリッチにするのに適した低温燃焼方法について説明する。
図１、図１１および図１５に示される圧縮着火式内燃機関ではＥＧＲ率（ＥＧＲガス量／（ＥＧＲガス量＋吸入空気量））を増大していくとスモークの発生量が次第に増大してピークに達し、更にＥＧＲ率を高めていくと今度はスモークの発生量が急激に低下する。このことについてＥＧＲガスの冷却度合を変えたときのＥＧＲ率とスモークとの関係を示す図１６を参照しつつ説明する。なお、図１６において曲線ＡはＥＧＲガスを強力に冷却してＥＧＲガス温をほぼ９０℃に維持した場合を示しており、曲線Ｂは小型の冷却装置でＥＧＲガスを冷却した場合を示しており、曲線ＣはＥＧＲガスを強制的に冷却していない場合を示している。
【００５６】
図１６の曲線Ａで示されるようにＥＧＲガスを強力に冷却した場合にはＥＧＲ率が５０パーセントよりも少し低いところでスモークの発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ５５パーセント以上にすればスモークがほとんど発生しなくなる。一方、図１６の曲線Ｂで示されるようにＥＧＲガスを少し冷却した場合にはＥＧＲ率が５０パーセントよりも少し高いところでスモークの発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ６５パーセント以上にすればスモークがほとんど発生しなくなる。また、図１６の曲線Ｃで示されるようにＥＧＲガスを強制的に冷却していない場合にはＥＧＲ率が５５パーセントの付近でスモークの発生量がピークとなり、この場合にはＥＧＲ率をほぼ７０パーセント以上にすればスモークがほとんど発生しなくなる。
【００５７】
このようにＥＧＲガス率を５５パーセント以上にするとスモークが発生しなくなるのは、ＥＧＲガスの吸熱作用によって燃焼時における燃料および周囲のガス温がさほど高くならず、即ち低温燃焼が行われ、その結果炭化水素が煤まで成長しないからである。
【００５８】
この低温燃焼は、空燃比にかかわらずにスモークの発生を抑制しつつＮＯX の発生量を低減することができるという特徴を有する。即ち、空燃比がリッチにされると燃料が過剰となるが燃焼温度が低い温度に抑制されているために過剰な燃料は煤まで成長せず、斯くしてスモークが発生することがない。また、このときＮＯX も極めて少量しか発生しない。一方、平均空燃比がリーンのとき、或いは空燃比が理論空燃比のときでも燃焼温度が高くなれば少量の煤が生成されるが低温燃焼下では燃焼温度が低い温度に抑制されているためにスモークは全く発生せず、ＮＯX も極めて少量しか発生しない。
【００５９】
一方、この低温燃焼を行うと燃料およびその周囲のガス温は低くなるが排気ガス温は上昇する。このことについて図１７（Ａ），（Ｂ）を参照しつつ説明する。
図１７（Ａ）の実線は低温燃焼が行われたときの燃焼室５内の平均ガス温Ｔｇとクランク角との関係を示しており、図１７（Ａ）の破線は通常の燃焼が行われたときの燃焼室２内の平均ガス温Ｔｇとクランク角との関係を示している。また、図１７（Ｂ）の実線は低温燃焼が行われたときの燃料およびその周囲のガス温Ｔｆとクランク角との関係を示しており、図１７（Ｂ）の破線は通常の燃焼が行われたときの燃料およびその周囲のガス温Ｔｆとクランク角との関係を示している。
【００６０】
低温燃焼が行われているときには通常の燃焼が行われているときに比べてＥＧＲガス量が多く、従って図１７（Ａ）に示されるように圧縮上死点前は、即ち圧縮工程中は実線で示す低温燃焼時における平均ガス温Ｔｇのほうが破線で示す通常の燃焼時における平均ガス温Ｔｇよりも高くなっている。なお、このとき図１７（Ｂ）に示されるように燃料およびその周囲のガス温Ｔｆは平均ガス温Ｔｇとほぼ同じ温度になっている。
【００６１】
次いで圧縮上死点付近において燃焼が開始されるがこの場合、低温燃焼が行われているときには図１７（Ｂ）の実線で示されるようにＥＧＲガスの吸熱作用により燃料およびその周囲のガス温Ｔｆはさほど高くならない。これに対して通常の燃焼が行われている場合には燃料周りに多量の酸素が存在するために図１７（Ｂ）の破線で示されるように燃料およびその周囲のガス温Ｔｆは極めて高くなる。このように通常の燃焼が行われた場合には燃料およびその周囲のガス温Ｔｆは低温燃焼が行われている場合に比べてかなり高くなるが大部分を占めるそれ以外のガスの温度は低温燃焼が行われている場合に比べて通常の燃焼が行われている場合の方が低くなっており、従って図１７（Ａ）に示されるように圧縮上死点付近における燃焼室２内の平均ガス温Ｔｇは低温燃焼が行われている場合の方が通常の燃焼が行われている場合に比べて高くなる。その結果、図１７（Ａ）に示されるように燃焼が完了した後の燃焼室２内の既燃ガス温は低温燃焼が行われた場合の方が通常の燃焼が行われた場合に比べて高くなり、斯くして低温燃焼を行うと排気ガス温が高くなる。
【００６２】
ところで機関の要求トルクＴＱが高くなると、即ち燃料噴射量が多くなると燃焼時における燃料および周囲のガス温が高くなるために低温燃焼を行うのが困難となる。即ち、低温燃焼を行いうるのは燃焼による発熱量が比較的少ない機関中低負荷運転時に限られる。図１８において領域Ｉは煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室５の不活性ガス量が多い第１の燃焼、即ち低温燃焼を行わせることのできる運転領域を示しており、領域IIは煤の発生量がピークとなる不活性ガス量よりも燃焼室２内の不活性ガス量が少ない第２の燃焼、即ち通常の燃焼しか行わせることのできない運転領域を示している。
【００６３】
図１９は運転領域Ｉにおいて低温燃焼を行う場合の目標空燃比Ａ／Ｆを示しており、図２０は運転領域Ｉにおいて低温燃焼を行う場合の要求トルクＴＱに応じたスロットル弁９の開度、ＥＧＲ制御弁１５の開度、ＥＧＲ率、空燃比、噴射開始時期θＳ、噴射完了時期θＥ、噴射量を示している。なお、図２０には運転領域IIにおいて行われる通常の燃焼時におけるスロットル弁９の開度等も合わせて示している。
【００６４】
図１９および図２０から運転領域Ｉにおいて低温燃焼が行われているときにはＥＧＲ率が５５パーセント以上とされ、空燃比Ａ／Ｆが１５．５から１８程度のリーン空燃比とされることがわかる。なお、前述したように運転領域Ｉにおいて低温燃焼が行われているときには空燃比をリッチにしてもスモークはほとんど発生しない。
【００６５】
このように低温燃焼が行われているときにはほとんどスモークを発生させることなく空燃比をリッチにすることができる。従ってＮＯX 又はＳＯX の放出のために排気ガスの空燃比をリッチにすべきときには低温燃焼を行い、低温燃焼のもとで空燃比をリッチにすることもできる。また、上述したように低温燃焼を行うと排気ガス温が上昇する。従ってＳＯX の放出のため或いは推積したパティキュレートを着火燃焼させるために排気ガス温を上昇すべきときに低温燃焼を行わせることもできる。
【００６６】
これまで述べた実施例では機関始動後、緩慢な燃焼を行わせることによって排気ガス中のＮＯ2 の割合を増大させるようにしている。一方、機関始動後、燃焼室２の内壁面の温度を低温に維持すると膨張行程から排気行程にかけて燃焼室２内の雰囲気温度が低下する。従ってこのように燃焼室２の内壁面の温度を低温に維持することによっても排気ガス中のＮＯ2 の割合を増大することができる。図２１から図２３は機関始動後、燃焼室２の内壁面の温度を低温に維持することによって排気ガス中のＮＯ2 の割合を増大するようにした種々の実施例を示している。
【００６７】
図２１を参照すると、７０は機関駆動のウォータポンプ、７１はラジエータ、７２は機関冷却水の流通を制御するバルブ、２４は機関冷却水温を検出するための水温センサを夫々示している。機関運転時においてバルブ７２が開弁しているときには高温となった機関冷却水が機関本体１から導管７３を介しラジエータ７１に送り込まれて冷却され、次いで冷却された機関冷却水は導管７４、バルブ７２およびウォータポンプ７０を介して再び機関本体１内に返戻される。
【００６８】
機関始動時には機関の暖機を促進するために通常はバルブ７２が閉弁せしめられ、ラジエータ７１による機関冷却水の冷却作用が停止される。しかしながらこのようにラジエータ７１による機関冷却水の冷却作用を停止すると機関始動後、燃焼室２の内壁面の温度が急速に上昇し、斯くしてＮＯ2 の生成量の増大は期待できない。そこでこの実施例では機関始動後、ただちにバルブ７２を開弁させることによりラジエータ７１による機関冷却水の冷却作用を開始させ、それにより燃焼室２の内壁面の温度を低温に維持して排気ガス中のＮＯ2 の割合を増大させるようにしている。
【００６９】
一方、このように燃焼室２の内壁面の温度を低温に維持しているときにＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化するともはや排気ガス中のＮＯ2 の割合を増大させる必要がなくなる。また、このときにはすみやかに機関の暖機を完了させる必要がある。そこでこの実施例では燃焼室２の内壁面の温度を低温に維持しているときにＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化したときにはラジエータ７１による機関冷却水の冷却作用を停止し、その後機関の暖機が完了したときに再びラジエータ７１による機関冷却水の冷却作用を開始させるようにしている。
【００７０】
図２２を参照すると、７５は機関駆動のオイルポンプ、７６はオイルクーラ、７７は機関冷却水の流通を制御するバルブ、２５はエンジンオイル温を検出するためのオイル温センサを夫々示している。機関運転時においてバルブ７７が開弁しているときには高温となったエンジンオイルが機関本体１から導管７８を介しオイルクーラ７６に送り込まれて冷却され、次いで冷却されたエンジンオイルは導管７９、バルブ７７およびオイルポンプ７５を介して再び機関本体１内に返戻される。
【００７１】
機関始動時には機関の暖機を促進するために通常はバルブ７７が閉弁せしめられ、オイルクーラ７６によるエンジンオイルの冷却作用が停止される。しかしながらこのようにオイルクーラ７６によるエンジンオイルの冷却作用を停止すると機関始動後、燃焼室２の内壁面の温度が急速に上昇し、斯くしてＮＯ2 の生成量の増大は期待できない。そこでこの実施例では機関始動後、ただちにバルブ７７を開弁させることによりオイルクーラ７６によるエンジンオイルの冷却作用を開始させ、それにより燃焼室２の内壁面の温度を低温に維持して排気ガス中のＮＯ2 の割合を増大させるようにしている。
【００７２】
一方、このように燃焼室２の内壁面の温度を低温に維持しているときにＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化するともはや排気ガス中のＮＯ2 の割合を増大させる必要がなくなる。また、このときにはすみやかに機関の暖機を完了させる必要がある。そこでこの実施例では燃焼室２の内壁面の温度を低温に維持しているときにＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化したときにはオイルクーラ７６によるエンジンオイルの冷却作用を停止し、その後機関の暖機が完了したときに再びオイルクーラ７６によるエンジンオイルの冷却作用を開始させるようにしている。
【００７３】
図２３に示す実施例は図２１に示す実施例の導管７４内にオイルクーラ７６を配置し、機関冷却水によってオイルクーラ７６を冷却するようにしている。このオイルクーラ７６には常時エンジンオイルが流通せしめられており、バルブ７２が閉弁してラジエータ７１による機関冷却水の冷却作用が停止せしめられるとオイルクーラ７６によるエンジンオイルの冷却作用も停止せしめられる。
【００７４】
この実施例では機関始動後、ただちにバルブ７２を開弁させることによりラジエータ７１による機関冷却水の冷却作用を開始させ、それによりオイルクーラ７６によるエンジンオイルの冷却作用も開始させることにより燃焼室２の内壁面の温度を低温に維持して排気ガス中のＮＯ2 の割合を増大させるようにしている。一方、このように燃焼室２の内壁面の温度を低温に維持しているときにＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化したときにはラジエータ７１による機関冷却水の冷却作用を停止し、その後機関の暖機が完了したときに再びラジエータ７１による機関冷却水の冷却作用を開始させるようにしている。
【００７５】
図２４は図２１および図２３に示す実施例においてＮＯ2 の割合を増大するための時間割込みルーチンを示している。
図２４を参照するとまず初めにステップ３００においてＮＯX 吸蔵触媒１１の温度ＴＣが設定温度Ｔｓを越えたか否か、即ちＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化したか否かが判別される。ＴＣ＜Ｔｓのときにはステップ３０１に進んでバルブ７２が開弁され、それによってラジエータ７１による機関冷却水の冷却作用が行われる。これに対してＴＣ≧Ｔｓになるとステップ３０２にジャンプする。
【００７６】
ステップ３０２ではＴＣ≧Ｔｓ、即ちＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化し、かつ機関冷却水温ＴＷが設定温度Ｔｒ、例えば８０℃よりも低い、即ち機関の暖機が完了していないか否かが判別される。ＴＣ≧ＴｓかつＴＷ＜Ｔｒであるときにはステップ３０３に進んでバルブ７２が閉弁され、それによってラジエータ７１による機関冷却水の冷却作用が停止される。これに対してＴＣ≧ＴｓかつＴＷ＜Ｔｒでなくなるとステップ３０４にジャンプする。
【００７７】
ステップ３０４ではＴＣ≧Ｔｓ、即ちＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化し、かつ機関冷却水温ＴＷが設定温度Ｔｒよりも高い、即ち機関の暖機が完了したか否かが判別される。ＴＣ≧ＴｓかつＴＷ≧Ｔｒであるときにはステップ３０４に進んでバルブ７２が開弁され、それによってラジエータ７１による機関冷却水の冷却作用が再開される。これに対してＴＣ≧ＴｓかつＴＷ≧Ｔｒでないときには処理サイクルを完了する。
【００７８】
図２５は図２２に示す実施例においてＮＯ2 の割合を増大するための時間割込みルーチンを示している。
図２５を参照するとまず初めにステップ４００においてＮＯX 吸蔵触媒１１の温度ＴＣが設定温度Ｔｓを越えたか否か、即ちＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化したか否かが判別される。ＴＣ＜Ｔｓのときにはステップ４０１に進んでバルブ７７が開弁され、それによってオイルクーラ７６によるエンジンオイルの冷却作用が行われる。これに対してＴＣ≧Ｔｓになるとステップ４０２にジャンプする。
【００７９】
ステップ４０２ではＴＣ≧Ｔｓ、即ちＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化し、かつエンジンオイル温ＴＯが設定温度Ｔｚ、例えば８０℃よりも低い、即ち機関の暖機が完了していないか否かが判別される。ＴＣ≧ＴｓかつＴＯ＜Ｔｚであるときにはステップ４０３に進んでバルブ７７が閉弁され、それによってオイルクーラ７６によるエンジンオイルの冷却作用が停止される。これに対してＴＣ≧ＴｓかつＴＯ＜Ｔｚでなくなるとステップ４０４にジャンプする。
【００８０】
ステップ４０４ではＴＣ≧Ｔｓ、即ちＮＯX 吸蔵触媒１１が活性化し、かつエンジンオイル温ＴＯが設定温度Ｔｚよりも高い、即ち機関の暖機が完了したか否かが判別される。ＴＣ≧ＴｓかつＴＯ≧Ｔｚであるときにはステップ４０４に進んでバルブ７７が開弁され、それによってオイルクーラ７６によるエンジンオイルの冷却作用が再開される。これに対してＴＣ≧ＴｓかつＴＯ≧Ｔｚでないときには処理サイクルを完了する。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】圧縮着火式内燃機関の全体図である。
【図２】ＮＯX 吸蔵触媒の担体表面部分の断面を図解的に示す図である。
【図３】ＮＯX 浄化率を示す図である。
【図４】燃料の種々の噴射パターンを示す図である。
【図５】単位時間当りのＮＯX 吸収量を説明するための図である。
【図６】ＮＯX およびＳＯX 放出制御のタイムチャートを示す図である。
【図７】還元剤の供給を制御するためのフローチャートである。
【図８】ＮＯX 放出処理Ｉを行うためのフローチャートである。
【図９】ＳＯX 放出処理を行うためのフローチャートである。
【図１０】ＮＯX 放出処理IIを行うためのフローチャートである。
【図１１】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１２】排気ガス中のＮＯX 濃度の変化および排気ガスの空燃比制御を説明するための図である。
【図１３】還元剤の供給制御を行うためのフローチャートである。
【図１４】パティキュレートフィルタを示す図である。
【図１５】圧縮着火式内燃機関の更に別の実施例を示す全体図である。
【図１６】スモークの発生量を示す図である。
【図１７】燃焼室内のガス温等を示す図である。
【図１８】運転領域Ｉ，IIを示す図である。
【図１９】空燃比Ａ／Ｆを示す図である。
【図２０】スロットル弁開度等の変化を示す図である。
【図２１】圧縮着火式内燃機関の更に別の実施例を示す全体図である。
【図２２】圧縮着火式内燃機関の更に別の実施例を示す全体図である。
【図２３】圧縮着火式内燃機関の更に別の実施例を示す全体図である。
【図２４】ＮＯ2 の割合を増大するためのフローチャートである。
【図２５】ＮＯ2 の割合を増大するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００８２】
３…燃料噴射弁
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…ＮＯX 吸蔵触媒
１３…還元剤供給弁
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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