(57)【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を捕獲する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排気浄化触媒を配置した内燃機関において、機関出力を発生させるための燃焼室内への燃料噴射完了後であって燃焼可能な時期に燃焼室内に補助燃料を噴射する補助燃料噴射手段を具備しており、該補助燃料が噴射されたときに低下する燃焼室内の燃焼ガスの空燃比であって該ＳＯXトラップ触媒に捕獲されているＳＯXが放出されることのない最小許容空燃比が予め求められており、排気浄化触媒の浄化処理のために必要な量の該補助燃料を噴射しても該燃焼ガスの空燃比が該最小許容空燃比まで低下しないときには該必要な量の該補助燃料を噴射し、排気浄化触媒の浄化処理のために必要な量の該補助燃料を噴射すると該燃焼ガスの空燃比が該最小許容空燃比以下まで低下するときには該補助燃料の噴射量を該必要な量よりも減少させて該燃焼ガスの空燃比が該最小許容空燃比以下まで低下しないようにした内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
上記補助燃料の噴射時期は圧縮上死点後９０度の範囲内であって機関出力の発生にほとんど寄与しない時期である請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
該補助燃料の噴射量が上記必要な量よりも減少せしめられたときには減少分の燃料をＳＯXトラップ触媒を排気浄化触媒間の排気通路内に供給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】
上記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ＳＯXトラップ触媒の内部に拡散していく性質を有する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
上記最小許容空燃比はＳＯXトラップ触媒のＳＯX捕獲量およびＳＯXトラップ触媒の温度の関数として予め記憶されている請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
上記最小許容空燃比はＳＯXトラップ触媒のＳＯX捕獲量が増大するにつれてリッチ空燃比からリーン空燃比へと大きくなる請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
上記排気浄化触媒は、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吸蔵触媒からなり、ＮＯX吸蔵触媒からＮＯXを放出すべくＮＯX吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするのに必要な量の上記補助燃料を噴射しても上記燃焼ガスの空燃比が上記最小許容空燃比まで低下しないときには該必要な量の該補助燃料を噴射して該燃焼ガスの空燃比をリッチにし、ＮＯX吸蔵触媒からＮＯXを放出すべくＮＯX吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするのに必要な量の該補助燃料を噴射すると該燃焼ガスの空燃比が該最小許容空燃比以下まで低下するときには該補助燃料の噴射量を該必要な量よりも減少させて該燃焼ガスの空燃比が該最小許容空燃比以下まで低下しないようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
上記ＳＯXトラップ触媒と上記ＮＯX吸蔵触媒間の機関排気通路内に燃料供給弁を配置し、上記補助燃料の噴射量が上記必要な量よりも減少せしめられたときには減少分の燃料を該燃料供給弁から供給するようにした請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】
上記必要な量の補助燃料を噴射すると上記燃焼ガスの空燃比が上記最小許容空燃比以下まで低下するときには該補助燃料の噴射量を該燃焼ガスの空燃比が該最小許容空燃比となるまで減少させるようにした請求項７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】
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】
ところで燃料内には硫黄が含まれており、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トラップ触媒ではＳＯXトラップ触媒の温度が上昇したときにＳＯXトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチにされるとＳＯXトラップ触媒からＳＯXが放出されてしまう。また、このＳＯXトラップ触媒ではＳＯXトラップ触媒の表面近傍に捕獲されているＳＯXの濃度が高くなった場合にはＳＯXトラップ触媒の温度が高くない場合でもＳＯXトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチにされるとＳＯXトラップ触媒からＳＯXが放出されてしまう。
【０００６】
従って上述の内燃機関ではＳＯXトラップ触媒からＳＯXが放出されることがないようにＳＯXトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比は常時リーンに維持され、ＮＯX吸蔵触媒からＮＯXを放出すべきときにはＳＯXトラップ触媒の下流であってＮＯX吸蔵触媒の上流に配置された燃料供給弁から燃料を供給して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】
【０００７】
ところでＮＯX吸蔵触媒から放出されたＮＯXは排気ガス中に含まれるＨＣやＣＯのような還元成分によって還元される。この場合、ＣＯはＮＯX吸蔵触媒の温度が低いときでもＮＯXに対して強い還元力を有するがＨＣはＮＯX吸蔵触媒の温度が或る程度高くならないとＮＯXに対して強い還元力を発揮しない。一方、上述のようにＮＯX吸蔵触媒からＮＯXを放出すべきときにＮＯX吸蔵触媒の上流に配置された燃料供給弁から燃料を供給するようにした場合には排気ガス中に含まれる還元成分の大部分はＨＣとなる。従ってこの場合にはＮＯX吸蔵触媒から放出されたＮＯXはＮＯX吸蔵触媒の温度が或る程度以上高くならないと十分に還元されず、斯くしてＮＯX吸蔵触媒の温度が或る程度以上高くならないと高いＮＯX浄化率が得られないことになる。
【０００８】
一方、ＮＯX吸蔵触媒からＮＯXを放出すべくＮＯX吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにする方法として、機関出力を発生させるための燃焼室内への燃料噴射完了後であって燃焼可能な時期に燃焼室内に補助燃料を噴射する方法がある。この方法では燃焼室内における燃焼ガスの空燃比をリッチにすることによってＮＯX吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチにされる。この場合、補助燃料は酸素の少ない状態で燃焼せしめられるので還元力の強いＣＯが多量に生成される。その結果、ＮＯX吸蔵触媒の温度が低くてもＮＯX吸蔵触媒から放出されたＮＯXが良好に還元され、斯くしてＮＯX吸蔵触媒の温度が低くても高いＮＯX浄化率が得られることになる。
【０００９】
ところでこのように燃焼室内に補助燃料を噴射することによって燃焼室内における燃焼ガスの空燃比をリッチにするとＳＯXトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチになる。ところがこのように燃焼ガスの空燃比をリッチにすることによってＮＯX吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするようにした場合、ＮＯX吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしたとしてもＳＯXトラップ触媒からＳＯXが放出することのない広い領域が存在することが判明したのである。
【００１０】
本発明は、判明したＳＯX放出領域に基づいてＳＯXトラップ触媒からのＳＯXの放出を招くことなく燃焼ガスの空燃比を低下させるようにした内燃機関の排気浄化作用を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
即ち、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を捕獲する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排気浄化触媒を配置した内燃機関において、機関出力を発生させるための燃焼室内への燃料噴射完了後であって燃焼可能な時期に燃焼室内に補助燃料を噴射する補助燃料噴射手段を具備しており、補助燃料が噴射されたときに低下する燃焼室内の燃焼ガスの空燃比であってＳＯXトラップ触媒に捕獲されているＳＯXが放出されることのない最小許容空燃比が予め求められており、排気浄化触媒の浄化処理のために必要な量の補助燃料を噴射しても燃焼ガスの空燃比が最小許容空燃比まで低下しないときにはこの必要な量の補助燃料を噴射し、排気浄化触媒の浄化処理のために必要な量の補助燃料を噴射すると燃焼ガスの空燃比が最小許容空燃比以下まで低下するときには補助燃料の噴射量を上述の必要な量よりも減少させて燃焼ガスの空燃比が最小許容空燃比以下まで低下しないようにしている。
【発明の効果】
【００１２】
ＳＯXトラップ触媒からのＳＯXの放出を阻止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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の入口は吸入空気量を検出するためのエアフローメータ８を介してエアクリーナ９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１０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１１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。
【００１４】
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の出口は排出管１２を介してＳＯXトラップ触媒１３の入口に連結される。また、ＳＯXトラップ触媒１３の出口は排気管１４を介して排気浄化触媒１５に連結される。図１に示される実施例ではこの排気浄化触媒１５はＮＯX吸蔵触媒からなる。図１に示されるようにＳＯXトラップ触媒１３の下流であってＮＯX吸蔵触媒１５上流の排気管１４内には燃料供給弁１６が配置される。なお、この排気浄化触媒１５としては例えばＮＯX吸蔵触媒を担持したパティキュレートフィルタを用いることもできる。
【００１５】
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１７を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１７内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１８が配置される。また、ＥＧＲ通路１７周りにはＥＧＲ通路１７内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１９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１９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２０を介してコモンレール２１に連結される。このコモンレール２１内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２２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２０を介して燃料噴射弁３に供給される。
【００１６】
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。ＳＯXトラップ触媒１３にはＳＯXトラップ触媒１３の温度を検出するための温度センサ２３が取付けられ、この温度センサ２３およびエアフローメータ８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１０駆動用ステップモータ、燃料供給弁１６、ＥＧＲ制御弁１８および燃料ポンプ２２に接続される。
【００１７】
まず初めに図１に示されるＮＯX吸蔵触媒１５について説明すると、このＮＯX吸蔵触媒１５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おり、図２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。
【００１８】
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。
【００１９】
機関吸気通路、燃焼室２およびＮＯX吸蔵触媒１５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。
【００２０】
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２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内に吸収されて炭酸バリウムＢａＣＯ3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。
【００２１】
これに対し、ＮＯX吸蔵触媒１５に流入する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。
【００２２】
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ＮＯX吸蔵触媒１５に流入する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】
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１５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内に吸収されて炭酸バリウムＢａＣＯ3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。
【００２４】
ところでこの場合、ＮＯX吸蔵触媒１５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１５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或いは還元剤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。
【００２５】
そこで本発明ではＮＯX吸蔵触媒１５の上流にＳＯXトラップ触媒１３を配置してこのＳＯXトラップ触媒１３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１５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１３について説明する。
【００２６】
このＳＯXトラップ触媒１３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１３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。このようにＳＯXトラップ触媒１３をハニカム構造のモノリス触媒から形成した場合には、各排気ガス流通孔の内周壁面上に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５０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の表面上には金属触媒又は貴金属触媒５２が分散して担持されている。
【００２７】
図３に示される実施例では触媒５２として白金のような貴金属触媒が用いられており、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１３のコート層５１は強塩基性を呈している。
【００２８】
さて、排気ガス中に含まれるＳＯX、即ちＳＯ2は図３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３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。
【００２９】
図３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３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。このような状態のときに排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯXトラップ触媒１３の温度が上昇せしめられるとＳＯXトラップ率が回復する。
【００３０】
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１３の温度が上昇せしめられるとコート層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１３のＳＯXトラップ率が回復することになる。
【００３１】
次に図４を参照しつつＮＯX吸蔵触媒１５からＮＯXを放出すべきときに噴射される補助燃料の噴射時期とＮＯX浄化率との関係について説明する。図４（Ａ）は燃料噴射弁３から燃焼室２内への燃料噴射時期を示しており、図４（Ａ）に示される例では機関出力を発生するために圧縮上死点ＴＤＣ前に複数回のパイロット噴射Ｐ１，Ｐ２が行われ、圧縮上死点ＴＤＣ付近で主噴射Ｍが行われる。
【００３２】
一方、本発明においては図４（Ａ）においてＡで示されるように機関出力を発生させるための燃焼室２内への燃料噴射Ｐ１，Ｐ２，Ｍの完了後であって燃焼可能な時期に燃焼室２内に補助燃料が噴射される。図４（Ａ）からわかるようにこの補助燃料Ａの噴射時期は圧縮上死点ＴＤＣ後９０度の範囲内であって機関出力の発生にほとんど寄与しない時期に設定されている。
【００３３】
一方、図４（Ｂ）はＮＯX吸蔵触媒１５の温度ＴＮとＮＯX浄化率との関係を示しており、図４（Ｃ）は低温時におけるＮＯX吸蔵触媒１５に流入する排気ガス中のＮＯX濃度ＱｉｎとＮＯX吸蔵触媒１５から流出する排気ガス中のＮＯX濃度ＱｏｕｔＡ，ＱｏｕｔＢを示している。図４（Ｂ）においてＡ，図４（Ｃ）においてＱｏｕｔＡは図４（Ａ）においてＡで示される時期に補助燃料が噴射された場合を示しており、図４（Ｂ）においてＢ、図４（Ｃ）においてＱｏｕｔＢは図４（Ａ）においてＢで示される時期に、即ち膨張行程の後半か又は排気行程中に補助燃料が噴射された場合を示している。
【００３４】
図４（Ａ）において主噴射Ｍが行われると燃焼室２内の大部分の酸素が消費される。従って補助燃料Ａが噴射されるとこの補助燃料Ａは酸素が不十分な状態で燃焼せしめられ、斯くして多量のＣＯが発生することになる。このＣＯはＮＯX吸蔵触媒１５から放出されるＮＯXに対する還元力が強く、従ってＮＯXは放出されるや否やＣＯによってただちに還元されるのでＮＯX吸蔵触媒１５からは次から次へとＮＯXが放出されることになる。その結果図４（Ｃ）に示されるように低温時でのＮＯX濃度ＱｏｕｔＡは低くなり、斯くして図４（Ｂ）においてＡで示されるように低温時でも高いＮＯX浄化率が得られる。
【００３５】
一方、図４（Ａ）においてＢで示される時期に補助燃料が噴射されるとこの補助燃料Ｂは小さな分子に分解されるがほとんど燃焼はしない。従ってこのときには小さな分子量のＨＣは増大するがＣＯはあまり増大しない。この場合、ＨＣはＣＯに比べて還元力が弱く、従ってこの場合には図４（Ｃ）に示されるように低温時におけるＮＯX濃度ＱｏｕｔＢが高くなるために図４（Ｂ）においてＢで示されるように低温時におけるＮＯX浄化率が低下する。
【００３６】
このように補助燃料を図４（Ａ）においてＢで示される時期に噴射した場合に比べてＡで示される時期に噴射した場合の方が低温時におけるＮＯX浄化率が高くなる。従って本発明では図４（Ａ）においてＡで示されるように機関出力を発生させるための燃焼室２内への燃料噴射完了後であって燃焼可能な時期に燃焼室２内に補助燃料を噴射するようにしている。
【００３７】
さて、補助燃料Ａを噴射すると燃焼室２における燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆが低下し、このとき空燃比Ａ／Ｆが或る限度まで低下するとＳＯXトラップ触媒１３からＳＯXが放出される。図５（Ａ），（Ｂ）において実線Ａは補助燃料Ａを噴射したときにＳＯXトラップ触媒１３からＳＯXが放出することのない最小限界空燃比を示しており、補助燃料Ａを噴射したときに燃焼ガスの空燃比がこの最小限界空燃比Ａ以下になるとＳＯXトラップ触媒１３からＳＯXが放出される。
【００３８】
なお、図５（Ａ），（Ｂ）において横軸ＴＳはＳＯXトラップ触媒１３の温度を示している。また、図５（Ａ）はＳＯXトラップ触媒１３に捕獲されているＳＯX捕獲量がほぼ飽和状態にある場合を示しており、図５（Ｂ）はＳＯXトラップ触媒１３に捕獲されているＳＯX捕獲量が少ない場合を示している。
【００３９】
一方、図５（Ａ），（Ｂ）において破線Ｂは図４（Ａ）においてＢで示される時期に補助燃料を噴射したときの最小限界空燃比を示しており、鎖線ＣはＳＯXトラップ触媒１３上流の排気通路内に燃料を噴射したときの最小限界空燃比を示している。破線Ｂや鎖線Ｃで示される場合には排気ガス中に比較的大きなＨＣ分子が含まれており、この比較的大きなＨＣ分子がＳＯXトラップ触媒１３の表面に付着すると局所的に極めてリッチとなるためにＳＯXトラップ触媒１３からＳＯXが放出されてしまう。即ち、図５（Ａ），（Ｂ）からわかるように破線Ｂや鎖線Ｃで示される場合には実線Ａで示される場合に比べてかなりリーンでもＳＯXトラップ触媒１３からＳＯXが放出されることになる。
【００４０】
このように図４（Ａ）においてＡで示される時期に補助燃料を噴射すると図５（Ａ），（Ｂ）に示されるように最小限界空燃比が低くなり、図５（Ａ）に示される場合にはＳＯXトラップ触媒１３の温度ＴＳが比較的低いときに、図５（Ｂ）に示される場合にはＳＯXトラップ触媒１３の広い温度範囲に亘ってＳＯXトラップ触媒１３からＳＯXを放出させることなく燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆをリッチにすることができる。その結果、低温時であっても良好なＮＯX浄化率を得られることになる。
【００４１】
さて、前述したように図５（Ａ）において実線ＡはＳＯXトラップ触媒１３へのＳＯX捕獲量がほぼ飽和状態にあるときの最小限界空燃比を示しており、この最小限界空燃比Ａが図６にも示されている。燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆを予め定められたリッチ空燃比まで低下させたときに燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆが図６に示される最小限界空燃比Ａ以下にならなければＳＯXトラップ触媒１３へのＳＯX捕獲量の大小にかかわらずにＳＯXトラップ触媒１３からＳＯXが放出されることはない。そこで本発明ではこの最小限界空燃比Ａを上限とする、或いはこの最小限界空燃比Ａよりも若干高い空燃比を上限とする最小許容空燃比を予め定めておき、燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆをこの最小許容空燃比以下まで低下させないようにしている。
【００４２】
この最小許容空燃比の一例が図６において破線Ｍで示されている。図６に示される例では燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆが図６においてハッチングで示される最小許容空燃比Ｍ以下になることが禁止される。具体的に言うと図６に示される例では燃焼ガスの空燃比Ａ／ＦはＳＯXトラップ触媒１３の温度ＴＳが３５０℃以上のときに１５．５以下にならないようにしている。
【００４３】
図６からわかるようにＳＯXトラップ触媒１３の温度ＴＳが３５０℃以下であるときには矢印Ｘ1で示されるように燃焼ガスの空燃比Ａ／ＦがリッチにされてもＳＯXトラップ触媒１３からＳＯXが放出されることはない。従ってこのときには図７（Ａ）に示されるように補助燃料Ａを噴射することによって燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆがリッチにされる。これに対し、ＳＯXトラップ触媒１３の温度ＴＳが３５０℃以上であるときには矢印Ｘ2で示されるように燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆは最小許容空燃比Ｍ以下にならないように低下せしめられる。このときには図７（Ｂ）に示されるようにＮＯX吸蔵触媒１５に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするのに補助燃料Ａでは不足している分の燃料Ｄが燃料噴射弁１６から噴射される。
【００４４】
即ち、本発明では図６の矢印Ｘ1および図７（Ａ）に示されるようにＮＯX吸蔵触媒１５からＮＯXを放出すべくＮＯX吸蔵触媒１５に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするのに必要な量の補助燃料Ａを噴射しても燃料ガスの空燃比Ａ／Ｆが最小許容空燃比Ｍまで低下しないときにはこの必要な量の補助燃料Ａを噴射して燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆがリッチにされ、図６の矢印Ｘ2および図７（Ｂ）に示されるようにＮＯX吸蔵触媒１５からＮＯXを放出すべくＮＯX吸蔵触媒１５に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするのに必要な量の補助燃料を噴射すると燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆが最小許容空燃比Ｍ以下まで低下するときには補助燃料Ａの噴射量を上述の必要な量よりも減少させて燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆが最小許容空燃比Ｍ以下まで低下しないように制御される。
【００４５】
更に本発明ではこのように補助燃料Ａの噴射量が必要な量よりも減少せしめられたときには減少分の燃料が燃料供給弁１６から噴射される。
【００４６】
なお、補助燃料Ａを噴射すると排気温が上昇する。従って例えば排気浄化触媒１５を昇温させるために補助燃料Ａを噴射する場合にも本発明を適用することができる。
【００４７】
従ってこのような場合も含めると本発明では、補助燃料Ａが噴射されたときに低下する燃焼室２内の燃焼ガスの空燃比であってＳＯXトラップ触媒１３に捕獲されているＳＯXが放出されることのない最小許容空燃比Ｍが予め求められており、排気浄化触媒１５の浄化処理のために必要な量の補助燃料を噴射しても燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆが最小許容空燃比Ｍまで低下しないときにはこの必要な量の補助燃料Ａが噴射され、排気浄化触媒１５の浄化処理のために必要な量の補助燃料を噴射すると燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆが最小許容空燃比Ｍ以下まで低下するときには補助燃料Ａの噴射量を上述必要な量よりも減少させて燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆが最小許容空燃比Ｍ以下まで低下しないように制御される。
【００４８】
なお、このように補助燃料の噴射量が必要な量よりも減少せしめられたときには減少分の燃料がＳＯXトラップ触媒１３と排気浄化触媒１５間の排気通路内に供給される。
【００４９】
図８（Ａ），（Ｂ）は最小限界空燃比Ａの上限を最小許容空燃比Ｍとした場合を示している。なお、図８（Ａ）はＳＯXトラップ触媒１３に捕獲されているＳＯX捕獲量が少ない場合を示しており、図８（Ｂ）はＳＯXトラップ触媒１３に捕獲されているＳＯX捕獲量がほぼ飽和状態にある場合を示している。
【００５０】
図８（Ａ），（Ｂ）からわかるように最小許容空燃比ＭはＳＯXトラップ触媒１３のＳＯX捕獲量およびＳＯXトラップ触媒１３の温度ＴＳの関数となり、この最小許容空燃比ＭはＳＯXトラップ触媒１３のＳＯX捕獲量が増大するにつれてリッチ空燃比からリーン空燃比へと大きくなる。また、最小許容空燃比ＭはＳＯXトラップ触媒１３のＳＯX捕獲量が増大するにつれて低温側に寄って行く。
【００５１】
図８（Ａ），（Ｂ）に示される実施例ではＳＯXトラップ触媒１３のＳＯX捕獲量が少ない場合には図８（Ａ）において矢印Ｘで示されるようにＮＯX吸蔵触媒１５からＮＯXを放出すべきときには常に燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆがリッチにされる。また、ＳＯXトラップ触媒１３のＳＯX捕獲量が多くなると図８（Ｂ）において矢印Ｘ1で示されるようにＳＯXトラップ触媒１３の温度ＴＳが低いときにはＮＯX吸蔵触媒１５からＮＯXを放出すべきときに燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆがリッチにされ、図８（Ｂ）において矢印Ｘ2で示されるようにＳＯXトラップ触媒１３の温度ＴＳが高いときには燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆが最小許容空燃比Ｍまで低下せしめられる。このように燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆの低下が最小許容空燃比Ｍで制限されたときにはＮＯX吸蔵触媒１５に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするのに必要な燃料が燃料供給弁１６から噴射される。
【００５２】
ＳＯXトラップ触媒１３のＳＯX捕獲量は時間が経過するにつれて増大する。従って図８（Ａ），（Ｂ）からわかるように本発明ではＮＯX吸蔵触媒１５からＮＯXを放出すべきときに最初はＳＯXトラップ触媒１３の温度ＴＳにかかわらずに燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆがリッチにされるが時間が経過するとＳＯXトラップ触媒１３の一部の温度領域のみで燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆがリッチにされる。
【００５３】
図８（Ａ），（Ｂ）に示される実施例では前述したようにＳＯXトラップ触媒１３のＳＯX捕獲量が多くなると図８（Ｂ）において矢印Ｘ2で示される如くＳＯXトラップ触媒１３の温度ＴＳが高いときには燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆが最小許容空燃比Ｍまで低下せしめられる。即ち、ＮＯX吸蔵触媒１５に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするのに必要な量の補助燃料を噴射すると燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆが最小許容空燃比Ｍ以下まで低下するときには補助燃料Ａの噴射量は燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆが最小許容空燃比Ｍとなるまで減少せしめられる。
【００５４】
前述したようにＮＯX吸蔵触媒１５に吸蔵されているＮＯXは排気ガス中の酸素濃度が低下すると放出される。即ち、ＮＯX吸蔵触媒１５からＮＯXを良好に放出させるには排気ガス中に含まれる酸素全体を供給した燃料により消費してしまうことが必要となる。この場合、燃料を燃焼させた場合に最も排気ガス中に含まれる酸素全体を消費できるのでＮＯX吸蔵触媒１５からＮＯXを放出させるときにはできる限り燃料の燃焼により排気ガス中に含まれる酸素を消費することが好ましい。そこでこの実施例では図８の矢印Ｘ2で示されるように補助燃料の燃焼によって燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆが可能な限り、即ち最小許容空燃比Ｍまで減少せしめられる。
【００５５】
図９（Ａ）は実験により求められた、ＳＯXトラップ触媒１３に捕獲されたＳＯXの代表的なＳＯX捕獲量Ｓ1〜Ｓ5（Ｓ1＜Ｓ2＜Ｓ3＜Ｓ4＜Ｓ5）に対する最小許容空燃比Ｍの変化を示しており、この最小許容空燃比ＭはＳＯXトラップ触媒１３のＳＯX捕獲量ＳおよびＳＯXトラップ触媒１３の温度ＴＳの関数として図９（Ｂ）に示されるマップのような形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００５６】
ここでＳＯX捕獲量Ｓについて説明すると、燃料中には或る割合で硫黄が含まれており、従って排気ガス中に含まれるＳＯX量、即ちＳＯXトラップ触媒１３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１３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１３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９（Ｃ）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、このＳＯX量ＳＯＸＡを積算することによってＳＯX捕獲量Ｓが算出される。
【００５７】
図１０に排気浄化処理ルーチンを示す。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１０を参照するとまず初めにステップ６０においてＮＯX吸蔵触媒１５に単位時間当り吸蔵されるＮＯX量ＮＯＸＡが算出される。このＮＯX量ＮＯＸＡは要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図１１に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。次いでステップ６１ではこのＮＯＸＡがＮＯX吸蔵触媒１５に吸蔵されているＮＯX量ΣＮＯＸに加算される。次いでステップ６２では図９（Ｃ）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６３ではこのＳＯＸＡがＳＯXトラップ触媒１３に捕獲されているＳＯX捕獲量Ｓに加算される。
【００５８】
次いでステップ６４では吸蔵ＮＯX量ΣＮＯＸが許容値ＭＡＸを越えたか否かが判別され、ΣＮＯＸ＞ＭＡＸとなったときにはステップ６５に進んでＮＯX吸蔵触媒１５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る。即ち、ステップ６５では図９（Ｂ）に示されるマップから最小許容空燃比Ｍが算出され、次いでステップ６６ではＮＯX放出のために予め定められている目標リッチ空燃比ＡＦＲが最小許容空燃比Ｍよりも大きいか否かが判別される。
【００５９】
目標リッチ空燃比ＡＦＲが最小許容空燃比Ｍよりも大きいとき、即ち燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆを目標リッチ空燃比ＡＦＲとしてもＳＯXトラップ触媒１３からＳＯXが放出されないときにはステップ６７に進んで燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆを目標リッチ空燃比ＡＦＲとするのに必要な補助燃料Ａの量が算出される。次いでステップ６８では燃料噴射弁３から補助燃料Ａを噴射する処理が行われる。次いでステップ７３ではΣＮＯＸがクリアされる。
【００６０】
これに対し、ステップ６６において目標リッチ空燃比ＡＦＲが最小許容空燃比Ｍよりも小さいと判断されたとき、即ち燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆを目標リッチ空燃比ＡＦＲするとＳＯXトラップ触媒１３からＳＯXが放出されるときにはステップ６９に進んで燃焼ガスの空燃比Ａ／Ｆを最小許容空燃比Ｍとするのに必要な補助燃料Ａの量が算出される。次いでステップ７０では燃料噴射弁３から補助燃料Ａを噴射する処理が行われる。
【００６１】
次いでステップ７１ではＮＯX吸蔵触媒１５に流入する排気ガスの空燃比を目標リッチ空燃比ＡＦＲとするのに必要な燃料供給弁１６からの燃料Ｄの供給量が算出される。次いでステップ７２では燃料供給弁１６から燃料Ｄを供給する処理が行われる。次いでステップ７３に進む。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】圧縮着火式内燃機関の全体図である。
【図２】ＮＯX吸蔵触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。
【図３】ＳＯXトラップ触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。
【図４】補助燃料の噴射時期を説明するための図である。
【図５】燃焼ガスの最小限界空燃比を説明するための図である。
【図６】燃焼ガスの最小限界空燃比および最小許容空燃比を説明するための図である。
【図７】補助燃料Ａおよび燃料供給弁からの供給燃料Ｄ等を示す図である。
【図８】燃焼ガスの最小限界空燃比および最小許容空燃比を説明するための図である。
【図９】燃焼ガスの最小許容空燃比を説明するための図である。
【図１０】排気浄化処理を行うためのフローチャートである。
【図１１】吸蔵ＮＯX量ＮＯＸＡのマップを示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
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
１３    ＳＯXトラップ触媒
１５    排気浄化触媒
１６    燃料供給弁
【図１】
0004438880.tif 000002
【図２】
0004438880.tif 000003
【図３】
0004438880.tif 000004
【図４】
0004438880.tif 000005
【図５】
0004438880.tif 000006
【図６】
0004438880.tif 000007
【図７】
0004438880.tif 000008
【図８】
0004438880.tif 000009
【図９】
0004438880.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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