(57)【要約】【課題】ＮＯＸ浄化率を高く維持しながら燃料の消費量を低減する内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】排気浄化装置は、炭化水素供給弁の下流に配置された排気浄化触媒と、炭化水素供給弁に燃料を供給する燃料供給装置とを備え、機関運転時に排気浄化触媒に流入する炭化水素の濃度変化の振幅が所定の範囲内の振幅となり、炭化水素の濃度が所定の範囲内の周期となるように炭化水素供給弁から炭化水素が供給される運転制御を実施するように形成されている。この運転制御を実施する場合に、炭化水素供給弁から噴射される燃料の燃料消費量と、ＮＯＸを浄化するための燃料消費量との合計の燃料消費量に基づいて、炭化水素供給弁に供給する燃料の圧力を設定する。【選択図】図２５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を供給するための炭化水素供給弁を機関排気通路内に配置し、炭化水素供給弁下流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＮＯＸと改質された炭化水素とを反応させるための排気浄化触媒を配置し、該排気浄化触媒の排気ガス流通表面上には貴金属触媒が担持されていると共に該貴金属触媒周りには塩基性の排気ガス流通表面部分が形成されており、
該排気浄化触媒は、排気浄化触媒に流入する炭化水素の濃度を予め定められた範囲内の振幅および予め定められた範囲内の周期でもって振動させると排気ガス中に含まれるＮＯＸを還元する性質を有すると共に、炭化水素濃度の振動周期を該予め定められた範囲よりも長くすると排気ガス中に含まれるＮＯＸの吸蔵量が増大する性質を有しており、
炭化水素供給弁に内燃機関の燃料を供給する燃料供給装置を備え、
燃料供給装置は、炭化水素供給弁に供給する燃料の圧力を調整可能に形成されており、
機関運転時に排気浄化触媒に流入する炭化水素の濃度変化の振幅が該予め定められた範囲内の振幅となるように炭化水素供給弁からの炭化水素の供給量が制御されると共に、排気浄化触媒に流入する炭化水素の濃度が予め定められた範囲内の周期でもって振動するように炭化水素供給弁からの炭化水素の供給間隔が制御される運転制御を実施するように形成されており、
前記運転制御を実施する場合に、燃料供給装置を駆動するための燃料消費量と、前記運転制御により炭化水素供給弁から噴射される燃料の燃料消費量との合計の燃料消費量に基づいて、炭化水素供給弁に供給する燃料の圧力を設定することを特徴とする、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】
ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどの内燃機関の排気には、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃の燃料である炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯＸ）または粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）などの成分が含まれている。ＮＯＸを浄化する装置としては、排気浄化触媒に還元剤を供給することにより排気に含まれるＮＯＸを連続的に還元する還元触媒、または排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯＸを吸蔵し、排気ガスの空燃比をリッチにすることにより吸蔵したＮＯＸを放出すると共に還元するＮＯＸ吸蔵触媒が知られている。
【０００３】
特開２０１２−０６２８６４号公報においては、排気浄化触媒の上流に炭化水素供給弁が配置され、排気浄化触媒に流入する炭化水素の濃度を２００ｐｐｍ以上の振幅になるように、更に、炭化水素の供給間隔が５秒以下になるように炭化水素を供給することにより、排気ガスに含まれるＮＯＸを浄化する内燃機関の排気浄化装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−０６２８６４号公報
【特許文献２】特表２０１１−５０４９７９号公報
【特許文献３】特開２００１−１５２９９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の特開２０１２−０６２８６４号公報に記載のＮＯＸ浄化方法では、ＮＯＸを浄化する炭化水素として内燃機関の燃料を用いることができる。このＮＯＸ浄化方法では、排気浄化触媒の温度が高くなっても優れたＮＯＸ浄化性能を発揮できるという特性を有する。しかしながら、ＮＯＸを浄化するためには燃料が必要であり、ＮＯＸの浄化率を高く維持しながら燃料の消費量を低減するように、圧力を調整して炭化水素供給弁から燃料を噴射することが好ましい。
【０００６】
一方で、内燃機関の排気浄化装置には、粒子状物質を除去するためのパティキュレートフィルタが配置される場合がある。たとえば、上記のＮＯＸ浄化方法を行う排気浄化触媒の下流にパティキュレートフィルタが配置される場合がある。パティキュレートフィルタは、運転を継続すると粒子状物質が蓄積する。パティキュレートフィルタに蓄積する粒子状物質を除去するためには、パティキュレートフィルタを所定の温度以上まで上昇させる。そして、パティキュレートフィルタに空気過剰の排気ガスを供給することにより、粒子状物質を酸化させて除去することができる。
【０００７】
パティキュレートフィルタの再生を行う場合には、比較的低温から上記のＮＯＸ浄化方法を行う場合がある。ところが、高温時に好適な圧力のまま、低温時に炭化水素供給弁から燃料を噴射すると燃料がすり抜けてしまうという問題があった。
【０００８】
本発明は、ＮＯＸ浄化率を高く維持しながら燃料の消費量を低減する内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の内燃機関の排気浄化装置は、炭化水素を供給するための炭化水素供給弁を機関排気通路内に配置し、炭化水素供給弁下流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＮＯＸと改質された炭化水素とを反応させるための排気浄化触媒を配置し、該排気浄化触媒の排気ガス流通表面上には貴金属触媒が担持されていると共に該貴金属触媒周りには塩基性の排気ガス流通表面部分が形成されており、該排気浄化触媒は、排気浄化触媒に流入する炭化水素の濃度を予め定められた範囲内の振幅および予め定められた範囲内の周期でもって振動させると排気ガス中に含まれるＮＯＸを還元する性質を有すると共に、炭化水素濃度の振動周期を該予め定められた範囲よりも長くすると排気ガス中に含まれるＮＯＸの吸蔵量が増大する性質を有しており、炭化水素供給弁に内燃機関の燃料を供給する燃料供給装置を備え、燃料供給装置は、炭化水素供給弁に供給する燃料の圧力を調整可能に形成されており、機関運転時に排気浄化触媒に流入する炭化水素の濃度変化の振幅が該予め定められた範囲内の振幅となるように炭化水素供給弁からの炭化水素の供給量が制御されると共に、排気浄化触媒に流入する炭化水素の濃度が予め定められた範囲内の周期でもって振動するように炭化水素供給弁からの炭化水素の供給間隔が制御される運転制御を実施するように形成されており、上記の運転制御を実施する場合に、燃料供給装置を駆動するための燃料消費量と、上記の運転制御により炭化水素供給弁から噴射される燃料の燃料消費量との合計の燃料消費量に基づいて、炭化水素供給弁に供給する燃料の圧力を設定する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ＮＯＸ浄化率を高く維持しながら燃料の消費量を低減する内燃機関の排気浄化装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態における内燃機関の全体図である。
【図２】排気浄化触媒の触媒担体の表面部分を図解的に示す図である。
【図３】排気浄化触媒における炭化水素の酸化反応を説明する図である。
【図４】第１のＮＯＸ浄化方法における排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比の変化を示す図である。
【図５】第１のＮＯＸ浄化方法におけるＮＯＸ浄化率を示す図である。
【図６Ａ】第１のＮＯＸ浄化方法における排気浄化触媒の酸化還元反応を説明する拡大図である。
【図６Ｂ】第１のＮＯＸ浄化方法における還元性中間体の生成を説明する拡大図である。
【図７Ａ】第２のＮＯＸ浄化方法における排気浄化触媒のＮＯＸの吸蔵を説明する拡大図である。
【図７Ｂ】第２のＮＯＸ浄化方法における排気浄化触媒のＮＯＸの放出および還元を説明する拡大図である。
【図８】第２のＮＯＸ浄化方法における排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比の変化を示す図である。
【図９】第２のＮＯＸ浄化方法におけるＮＯＸ浄化率を示す図である。
【図１０】第１のＮＯＸ浄化方法における排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比の変化を示すタイムチャートである。
【図１１】第１のＮＯＸ浄化方法における排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比の変化を示す他のタイムチャートである。
【図１２】第１のＮＯＸ浄化方法における排気浄化触媒の酸化力と要求最小空燃比Ｘとの関係を示す図である。
【図１３】第１のＮＯＸ浄化方法において、同一のＮＯＸ浄化率の得られる排気ガス中の酸素濃度と炭化水素濃度の振幅ΔＨとの関係を示す図である。
【図１４】第１のＮＯＸ浄化方法における炭化水素濃度の振幅ΔＨとＮＯＸ浄化率との関係を示す図である。
【図１５】第１のＮＯＸ浄化方法における炭化水素濃度の振動周期ΔＴとＮＯＸ浄化率との関係を示す図である。
【図１６】第２のＮＯＸ浄化方法における排気浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比の変化等を示す図である。
【図１７】機関本体から機関排気通路に排出されるＮＯＸ量ＮＯＸＡのマップを示す図である。
【図１８】燃焼室において補助噴射を行うときの燃料噴射時期を示す図である。
【図１９】補助噴射を行うときの炭化水素供給量ＷＲのマップを示す図である。
【図２０】内燃機関の運転状態に基づいたＮＯＸ浄化方法の領域を説明するグラフである。
【図２１】炭化水素供給弁から燃料を噴射したときの排気ガス中の炭化水素の濃度のグラフである。
【図２２】パティキュレートフィルタの再生を行う時のＮＯＸ浄化方法の領域を説明するグラフである。
【図２３】実施の形態における燃料供給装置のブロック図である。
【図２４】燃料ポンプに供給する電流と吐出圧力との関係を示すグラフである。
【図２５】炭化水素供給弁から噴射する燃料の圧力を設定する制御のフローチャートである。
【図２６】第１のＮＯＸ浄化方法にてＮＯＸを浄化するための燃料消費量と燃料ポンプにて燃料を昇圧するための燃料消費量とを説明するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１から図２６を参照して、実施の形態における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態においては、車両に取り付けられている圧縮着火式の内燃機関を例に取り上げて説明する。
【００１３】
図１は、本実施の形態における内燃機関の全体図である。内燃機関は、機関本体１を備える。また、内燃機関は、排気を浄化する排気浄化装置を備える。機関本体１は、各気筒としての燃焼室２と、それぞれの燃焼室２に燃料を噴射するための電子制御式の燃料噴射弁３と、吸気マニホールド４と、排気マニホールド５とを含む。
【００１４】
吸気マニホールド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の出口に連結されている。コンプレッサ７ａの入口は、吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結されている。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が配置されている。更に、吸気ダクト６の途中には、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が配置されている。図１に示される実施例では、機関冷却水が冷却装置１１に導かれている。機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
【００１５】
本実施の形態の排気浄化装置は、ＮＯＸを浄化するための排気浄化触媒１３を備える。また、排気浄化装置は、排気浄化触媒１３の下流に配置されているパティキュレートフィルタ１４を備える。排気マニホールド５は、排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結されている。排気タービン７ｂの出口は排気管１２を介して排気浄化触媒１３の入口に連結されている。排気浄化触媒１３の出口は、パティキュレートフィルタ１４に連結されている。
【００１６】
排気浄化触媒１３上流には圧縮着火式内燃機関の燃料として用いられる軽油、又は、その他の燃料からなる炭化水素を供給するための炭化水素供給弁１５が配置されている。本実施の形態においては、炭化水素供給弁１５から供給される炭化水素として軽油が用いられている。なお、本発明は、燃焼時の空燃比がリーンに制御される火花点火式の内燃機関にも適用することができる。この場合、炭化水素供給弁からは火花点火式の内燃機関の燃料として用いられるガソリン又は、その他の燃料からなる炭化水素が供給される。
【００１７】
炭化水素供給弁１５は、燃料室６２に接続されている。燃料室６２は、燃料ポンプ６１を介して燃料タンク２２に接続されている。燃料ポンプ６１が駆動することにより、燃料タンク２２の燃料が燃料室６２に供給される。燃料室６２には、加圧された燃料が貯留される。燃料室６２には、燃料の圧力を検出する圧力検出器として燃料圧センサ６３が配置されている。燃料圧センサ６３の出力により、炭化水素供給弁１５の噴射圧力を検出することができる。
【００１８】
排気マニホールド５と吸気マニホールド４との間には、排気再循環（ＥＧＲ）を行うためにＥＧＲ通路１６が配置されている。ＥＧＲ通路１６には電子制御式のＥＧＲ制御弁１７が配置されている。また、ＥＧＲ通路１６の途中には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が配置されている。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１８内に導かれている。機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
【００１９】
それぞれの燃料噴射弁３は、燃料供給管１９を介してコモンレール２０に連結されている。燃料タンク２２に貯蔵される燃料は、電子制御式の燃料ポンプ６１および燃料ポンプ２１により昇圧されてコモンレール２０に供給される。燃料ポンプ６１は低圧ポンプであり、燃料を予め定められた圧力まで上昇する。燃料ポンプ２１は高圧ポンプであり、燃料ポンプ６１により昇圧された燃料の圧力を更に上昇させる。コモンレール２０には、高圧になった燃料が供給される。コモンレール２０内に供給された燃料は、燃料噴射弁３から燃焼室２内に噴射される。
【００２０】
電子制御ユニット３０は、デジタルコンピュータを含む。本実施の形態における電子制御ユニット３０は、排気浄化装置の制御装置として機能する。電子制御ユニット３０は、双方性バス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を含む。
【００２１】
排気浄化触媒１３の下流には排気浄化触媒１３の温度を検出するための温度センサ２３が配置されている。パティキュレートフィルタ１４には、パティキュレートフィルタ１４の前後の差圧を検出するための差圧センサ２４が取付けられている。また、パティキュレートフィルタ１４の下流には、パティキュレートフィルタ１４の温度を検出するための温度検出器としての温度センサ２５が配置されている。これらの温度センサ２３，２５、差圧センサ２４および吸入空気量検出器８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。
【００２２】
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が接続されている。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。クランク角センサ４２の出力により、クランク角度や機関回転数を検出することができる。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の駆動用ステップモータ、炭化水素供給弁１５、ＥＧＲ制御弁１７および燃料ポンプ６１，２１に接続されている。これらの燃料噴射弁３、スロットル弁１０、炭化水素供給弁１５、ＥＧＲ制御弁１７および燃料ポンプ６１，２１等は、電子制御ユニット３０により制御されている。
【００２３】
燃料圧センサ６３の出力信号は、電子制御ユニット３０に入力される。また、燃料ポンプ６１は、電子制御ユニット３０に制御されている。燃料ポンプ６１は、燃料室６２の内部の圧力が、要求される炭化水素供給弁１５の噴射圧力になるように制御される。
【００２４】
パティキュレートフィルタ１４は、排気中に含まれる炭素微粒子、サルフェート等の粒子状物質（パティキュレート）を除去するフィルタである。パティキュレートフィルタ１４は、例えば、ハニカム構造を有し、ガスの流れ方向に伸びる複数の流路を有する。複数の流路において、下流端が封止された流路と上流端が封止された流路とが交互に形成されている。流路の隔壁は、コージライトのような多孔質材料で形成されている。この隔壁を排気が通過するときにパティキュレートが捕捉される。粒子状物質は、パティキュレートフィルタ１４に捕集される。パティキュレートフィルタ１４に次第に堆積する粒子状物質は、空気過剰の雰囲気中で温度を例えば６５０℃程度まで上昇することにより酸化されて除去される。
【００２５】
パティキュレートフィルタ１４に堆積する粒子状物質の量は、例えば差圧センサ２４の出力により推定することができる。パティキュレートフィルタ１４の前後差圧が予め定められた判定値を超えたときに、パティキュレートフィルタ１４に堆積する粒子状物質の量が判定値を超えたと判別することができる。
【００２６】
図２は、排気浄化触媒の基体上に担持された触媒担体の表面部分を図解的に示している。この排気浄化触媒１３では図２に示されるように例えばアルミナからなる触媒担体５０上には触媒粒子である貴金属触媒５１，５２が担持されており、更にこの触媒担体５０上にはカリウム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金属、ランタノイドのような希土類および銀Ａｇ、銅Ｃｕ、鉄Ｆｅ、イリジウムＩｒのようなＮＯＸに電子を供与しうる金属から選ばれた少なくとも一つを含む塩基性層５３が形成されている。排気ガスは触媒担体５０上に沿って流れるので貴金属触媒５１，５２は排気浄化触媒１３の排気ガス流通表面上に担持されていると言える。また、塩基性層５３の表面は塩基性を呈するので塩基性層５３の表面は塩基性の排気ガス流通表面部分５４と称される。
【００２７】
一方、図２において貴金属触媒５１は白金Ｐｔからなり、貴金属触媒５２はロジウムＲｈからなる。なおこの場合、いずれの貴金属触媒５１，５２も白金Ｐｔから構成することができる。また、排気浄化触媒１３の触媒担体５０上には白金ＰｔおよびロジウムＲｈに加えて更にパラジウムＰｄを担持させることができるし、或いはロジウムＲｈに代えてパラジウムＰｄを担持させることができる。即ち、触媒担体５０に担持されている貴金属触媒５１，５２は白金Ｐｔ、ロジウムＲｈおよびパラジウムＰｄの少なくとも一つにより構成される。
【００２８】
炭化水素供給弁１５から排気ガス中に炭化水素が噴射されると、この炭化水素は排気浄化触媒１３において改質される。本発明ではこのとき改質された炭化水素を用いて排気浄化触媒１３においてＮＯＸを浄化するようにしている。図３はこのとき排気浄化触媒１３において行われる改質作用を図解的に示している。図３に示されるように炭化水素供給弁１５から噴射された炭化水素ＨＣは触媒５１によって炭素数の少ないラジカル状の炭化水素ＨＣとなる。
【００２９】
図４は、炭化水素供給弁１５からの炭化水素の供給タイミングと排気浄化触媒１３に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inの変化とを示している。なお、この空燃比（Ａ／Ｆ）inの変化は排気浄化触媒１３に流入する排気ガス中の炭化水素の濃度変化に依存しているので図４に示される空燃比（Ａ／Ｆ）inの変化は炭化水素の濃度変化を表しているとも言える。ただし、炭化水素濃度が高くなると空燃比（Ａ／Ｆ）inは小さくなるので図４においては空燃比（Ａ／Ｆ）inがリッチ側となるほど炭化水素濃度が高くなっている。
【００３０】
図５は、排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度を周期的に変化させることによって図４に示されるように排気浄化触媒１３に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inを変化させたときの排気浄化触媒１３によるＮＯＸ浄化率を排気浄化触媒１３の各触媒温度ＴＣに対して示している。排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度を予め定められた範囲内の振幅および予め定められた範囲内の周期でもって振動させると、図５に示されるように４００℃以上の高温領域においても極めて高いＮＯＸ浄化率を得ることができる。
【００３１】
更に、このときには窒素および炭化水素を含む多量の還元性中間体が塩基性層５３の表面上に、即ち排気浄化触媒１３の塩基性の排気ガス流通表面部分５４上に保持又は吸着され続けており、この還元性中間体が高ＮＯＸ浄化率を得る上で中心的役割を果していることが判明したのである。次にこのことについて図６Ａおよび図６Ｂを参照しつつ説明する。なお、これら図６Ａおよび図６Ｂは排気浄化触媒１３の触媒担体５０の表面部分を図解的に示しており、これら図６Ａおよび図６Ｂには排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度が予め定められた範囲内の振幅および予め定められた範囲内の周期でもって振動させたときに生ずると推測される反応が示されている。
【００３２】
図６Ａは排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度が低いときを示しており、図６Ｂは炭化水素供給弁１５から炭化水素が供給されて排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度が高くなっているときを示している。
【００３３】
さて、図４からわかるように排気浄化触媒１３に流入する排気ガスの空燃比は一瞬を除いてリーンに維持されているので排気浄化触媒１３に流入する排気ガスは通常酸素過剰の状態にある。このとき排気ガス中に含まれるＮＯの一部は排気浄化触媒１３上に付着し、排気ガス中に含まれるＮＯの一部は図６Ａに示されるように白金の貴金属触媒５１上において酸化されてＮＯ2となり、次いでこのＮＯ2は更に酸化されてＮＯ3となる。また、ＮＯ2の一部はＮＯ2-となる。従って白金Ｐｔの貴金属触媒５１上にはＮＯ2- とＮＯ3とが生成されることになる。排気浄化触媒１３上に付着しているＮＯおよび白金Ｐｔ５１上において生成されたＮＯ2-とＮＯ3は活性が強く、従って以下これらＮＯ、ＮＯ2-およびＮＯ3を活性ＮＯＸと称する。
【００３４】
一方、炭化水素供給弁１５から炭化水素が供給されるとこの炭化水素は排気浄化触媒１３の全体に亘って吸着する。これら吸着した炭化水素の大部分は順次酸素と反応して燃焼せしめられ、吸着した炭化水素の一部は順次、図３に示されるように排気浄化触媒１３内において改質されてラジカルになる。従って、図６Ｂに示されるように活性ＮＯＸ周りの炭化水素濃度が高くなる。ところで活性ＮＯＸが生成された後、活性ＮＯＸ周りの酸素濃度が高い状態が一定時間以上継続すると活性ＮＯＸは酸化され、硝酸イオンＮＯ3-の形で塩基性層５３内に吸収される。しかしながらこの一定時間が経過する前に活性ＮＯＸ周りの炭化水素濃度が高くされると図６Ｂに示されるように活性ＮＯＸは白金の貴金属触媒５１上においてラジカル状の炭化水素ＨＣと反応し、それにより還元性中間体が生成される。この還元性中間体は塩基性層５３の表面上に保持又は吸着される。
【００３５】
なお、このとき最初に生成される還元性中間体はニトロ化合物Ｒ−ＮＯ2であると考えられる。このニトロ化合物Ｒ−ＮＯ2は生成されるとニトリル化合物Ｒ−ＣＮとなるがこのニトリル化合物Ｒ−ＣＮはその状態では瞬時しか存続し得ないのでただちにイソシアネート化合物Ｒ−ＮＣＯとなる。このイソシアネート化合物Ｒ−ＮＣＯは加水分解するとアミン化合物Ｒ−ＮＨ2となる。ただしこの場合、加水分解されるのはイソシアネート化合物Ｒ−ＮＣＯの一部であると考えられる。従って図６Ｂに示されるように塩基性層５３の表面上に保持又は吸着されている還元性中間体の大部分はイソシアネート化合物Ｒ−ＮＣＯおよびアミン化合物Ｒ−ＮＨ2であると考えられる。
【００３６】
一方、図６Ｂに示されるように生成された還元性中間体の周りに炭化水素ＨＣが吸着しているときには還元性中間体は炭化水素ＨＣに阻まれてそれ以上反応が進まない。この場合、排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度が低下し、次いで還元性中間体の周りに吸着している炭化水素が酸化せしめられて消滅し、それにより還元性中間体周りの酸素濃度が高くなると、還元性中間体は図６Ａに示されるように活性ＮＯＸと反応するか、周囲の酸素と反応するか、或いは自己分解する。それによって還元性中間体Ｒ−ＮＣＯやＲ−ＮＨ2はＮ2，ＣＯ2，Ｈ2Ｏに変換せしめられ、斯くしてＮＯＸが浄化されることになる。
【００３７】
このように排気浄化触媒１３では、排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度を高くすることにより還元性中間体が生成され、排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度を低下させた後、酸素濃度が高くなったときに還元性中間体が活性ＮＯＸや酸素と反応し、或いは自己分解し、それによりＮＯＸが浄化される。即ち、排気浄化触媒１３によりＮＯＸを浄化するには排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度を周期的に変化させる必要がある。
【００３８】
無論、この場合、還元性中間体を生成するのに十分高い濃度まで炭化水素の濃度を高める必要があり、生成された還元性中間体を活性ＮＯＸや酸素と反応させ、或いは自己分解させるのに十分低い濃度まで炭化水素の濃度を低下させる必要がある。即ち、排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度を予め定められた範囲内の振幅で振動させる必要がある。なお、この場合、生成された還元性中間体Ｒ−ＮＣＯやＲ−ＮＨ2が活性ＮＯＸや酸素と反応するまで、或いは自己分解するまでこれら還元性中間体を塩基性層５３上に、即ち塩基性の排気ガス流通表面部分５４上に保持しておかなければならず、そのために塩基性の排気ガス流通表面部分５４が設けられている。
【００３９】
一方、炭化水素の供給間隔を長くすると炭化水素が供給された後、次に炭化水素が供給されるまでの間において酸素濃度が高くなる期間が長くなり、従って活性ＮＯＸは還元性中間体を生成することなく硝酸塩の形で塩基性層５３内に吸収されることになる。これを回避するためには排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度を予め定められた範囲内の周期でもって振動させることが必要となる。
【００４０】
そこで本発明による実施例では、排気ガス中に含まれるＮＯＸと改質された炭化水素とを反応させて窒素および炭化水素を含む還元性中間体Ｒ−ＮＣＯやＲ−ＮＨ2を生成するために排気浄化触媒１３の排気ガス流通表面上には貴金属触媒５１，５２が担持されており、生成された還元性中間体Ｒ−ＮＣＯやＲ−ＮＨ2を排気浄化触媒１３内に保持しておくために貴金属触媒５１，５２周りには塩基性の排気ガス流通表面部分５４が形成されており、塩基性の排気ガス流通表面部分５４上に保持された還元性中間体Ｒ−ＮＣＯやＲ−ＮＨ2はＮ2，ＣＯ2，Ｈ2Ｏに変換せしめられ、炭化水素濃度の振動周期は還元性中間体Ｒ−ＮＣＯやＲ−ＮＨ2を生成し続けるのに必要な振動周期とされる。因みに図４に示される例では供給間隔が３秒とされている。
【００４１】
炭化水素濃度の振動周期、即ち炭化水素ＨＣの供給間隔を上述の予め定められた範囲内の周期よりも長くすると塩基性層５３の表面上から還元性中間体Ｒ−ＮＣＯやＲ−ＮＨ2が消滅し、このとき白金Ｐｔの貴金属触媒５１上において生成された活性ＮＯＸは図７Ａに示されるように硝酸イオンＮＯ3-の形で塩基性層５３内に拡散し、硝酸塩となる。即ち、このときには排気ガス中のＮＯＸは硝酸塩の形で塩基性層５３内に吸収されることになる。
【００４２】
一方、図７ＢはこのようにＮＯＸが硝酸塩の形で塩基性層５３内に吸収されているときに排気浄化触媒１３内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された場合を示している。この場合には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、斯くして塩基性層５３内に吸収されている硝酸塩は順次硝酸イオンＮＯ3-となって図７Ｂに示されるようにＮＯ2の形で塩基性層５３から放出される。次いで放出されたＮＯ2は排気ガス中に含まれる炭化水素ＨＣおよびＣＯによって還元される。
【００４３】
図８は塩基性層５３のＮＯＸ吸収能力が飽和する少し前に排気浄化触媒１３に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inを一時的にリッチにするようにした場合を示している。なお、図８に示す例ではこのリッチ制御の時間間隔は１分以上である。この場合には排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inがリーンのときに塩基性層５３内に吸収されたＮＯＸは、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inが一時的にリッチにされたときに塩基性層５３から一気に放出されて還元される。従ってこの場合には塩基性層５３はＮＯＸを一時的に吸収するための吸収剤の役目を果している。
【００４４】
なお、このとき塩基性層５３がＮＯＸを一時的に吸着する場合もあり、従って吸収および吸着の双方を含む用語として吸蔵という用語を用いるとこのとき塩基性層５３はＮＯＸを一時的に吸蔵するためのＮＯＸ吸蔵剤の役目を果していることになる。即ち、この場合には、機関吸気通路、燃焼室２および排気浄化触媒１３上流の排気通路内に供給された排気ガスの空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）と称すると、排気浄化触媒１３は、排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯＸを吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸蔵したＮＯＸを放出するＮＯＸ吸蔵触媒として機能している。
【００４５】
図９は、排気浄化触媒１３をこのようにＮＯＸ吸蔵触媒として機能させたときのＮＯＸ浄化率を示している。なお、図９の横軸は排気浄化触媒１３の触媒温度ＴＣを示している。排気浄化触媒１３をＮＯＸ吸蔵触媒として機能させた場合には図９に示されるように触媒温度ＴＣが３００℃から４００℃のときには極めて高いＮＯＸ浄化率が得られるが触媒温度ＴＣが４００℃以上の高温になるとＮＯＸ浄化率が低下する。
【００４６】
このように触媒温度ＴＣが４００℃以上になるとＮＯＸ浄化率が低下するのは、触媒温度ＴＣが４００℃以上になると硝酸塩が熱分解してＮＯ2の形で排気浄化触媒１３から放出されるからである。即ち、ＮＯＸを硝酸塩の形で吸蔵している限り、触媒温度ＴＣが高いときに高いＮＯＸ浄化率を得るのは困難である。しかしながら図４から図６Ａ、図６Ｂに示される新たなＮＯＸ浄化方法では図６Ａ、図６Ｂからわかるように硝酸塩は生成されず或いは生成されても極く微量であり、斯くして図５に示されるように触媒温度ＴＣが高いときでも高いＮＯＸ浄化率が得られることになる。
【００４７】
そこで本発明では、炭化水素を供給するための炭化水素供給弁１５を機関排気通路内に配置し、炭化水素供給弁１５下流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＮＯＸと改質された炭化水素とを反応させるための排気浄化触媒１３を配置し、排気浄化触媒１３の排気ガス流通表面上には貴金属触媒５１，５２が担持されていると共に貴金属触媒５１，５２周りには塩基性の排気ガス流通表面部分５４が形成されており、排気浄化触媒１３は、排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度を予め定められた範囲内の振幅および予め定められた範囲内の周期でもって振動させると排気ガス中に含まれるＮＯＸを還元する性質を有すると共に、炭化水素濃度の振動周期をこの予め定められた範囲よりも長くすると排気ガス中に含まれるＮＯＸの吸蔵量が増大する性質を有しており、機関運転時に排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度を予め定められた範囲内の振幅および予め定められた範囲内の周期でもって振動させ、それにより排気ガス中に含まれるＮＯＸを排気浄化触媒１３において還元するようにしている。
【００４８】
即ち、図４から図６Ａ、図６Ｂに示されるＮＯＸ浄化方法は、貴金属触媒を担持しかつＮＯＸを吸収しうる塩基性層を形成した排気浄化触媒を用いた場合において、ほとんど硝酸塩を形成することなくＮＯＸを浄化するようにした新たなＮＯＸ浄化方法であると言うことができる。実際、この新たなＮＯＸ浄化方法を用いた場合には排気浄化触媒１３をＮＯＸ吸蔵触媒として機能させた場合に比べて、塩基性層５３から検出される硝酸塩は極く微量である。なお、この新たなＮＯＸ浄化方法を以下、第１のＮＯＸ浄化方法と称する。
【００４９】
次に、図１０から図１５を参照しつつこの第１のＮＯＸ浄化方法についてもう少し詳細に説明する。
【００５０】
図１０は、図４に示される空燃比（Ａ／Ｆ）inの変化を拡大して示している。なお、前述したように、この排気浄化触媒１３に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inの変化は同時に排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度変化を示している。なお、図１０においてΔＨは排気浄化触媒１３に流入する炭化水素ＨＣの濃度変化の振幅を示しており、ΔＴは排気浄化触媒１３に流入する炭化水素濃度の振動周期を示している。
【００５１】
更に図１０において（Ａ／Ｆ）ｂは機関出力を発生するための燃焼ガスの空燃比を示すベース空燃比を表している。言い換えるとこのベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂは炭化水素の供給を停止したときに排気浄化触媒１３に流入する排気ガスの空燃比を表している。一方、図１０においてＸは、生成された活性ＮＯＸが硝酸塩の形で塩基性層５３内に吸蔵されることなく還元性中間体の生成のために使用される空燃比（Ａ／Ｆ）inの上限を表しており、活性ＮＯＸと改質された炭化水素とを反応させて還元性中間体を生成させるには空燃比（Ａ／Ｆ）inをこの空燃比の上限Ｘよりも低くすることが必要となる。
【００５２】
別の言い方をすると図１０のＸは活性ＮＯＸと改質された炭化水素とを反応させて還元性中間体を生成させるのに必要な炭化水素の濃度の下限を表しており、還元性中間体を生成するためには炭化水素の濃度をこの下限Ｘよりも高くする必要がある。この場合、還元性中間体が生成されるか否かは活性ＮＯＸ周りの酸素濃度と炭化水素濃度との比率、即ち空燃比（Ａ／Ｆ）inで決まり、還元性中間体を生成するのに必要な上述の空燃比の上限Ｘを以下、要求最小空燃比と称する。
【００５３】
図１０に示される例では要求最小空燃比Ｘがリッチとなっており、従ってこの場合には還元性中間体を生成するために空燃比（Ａ／Ｆ）inが瞬時的に要求最小空燃比Ｘ以下に、即ちリッチにされる。これに対し、図１１に示される例では要求最小空燃比Ｘがリーンとなっている。この場合には空燃比（Ａ／Ｆ）inをリーンに維持しつつ空燃比（Ａ／Ｆ）inを周期的に低下させることによって還元性中間体が生成される。
【００５４】
この場合、要求最小空燃比Ｘがリッチになるかリーンになるかは排気浄化触媒１３の酸化力による。この場合、排気浄化触媒１３は例えば貴金属触媒５１の担持量を増大させれば酸化力が強まり、酸性を強めれば酸化力が強まる。従って排気浄化触媒１３の酸化力は貴金属触媒５１の担持量や酸性の強さによって変化することになる。
【００５５】
さて、酸化力が強い排気浄化触媒１３を用いた場合に図１１に示されるように空燃比（Ａ／Ｆ）inをリーンに維持しつつ空燃比（Ａ／Ｆ）inを周期的に低下させると、空燃比（Ａ／Ｆ）inが低下せしめられたときに炭化水素が完全に酸化されてしまい、その結果還元性中間体を生成することができなくなる。これに対し、酸化力が強い排気浄化触媒１３を用いた場合に図１０に示されるように空燃比（Ａ／Ｆ）inを周期的にリッチにさせると空燃比（Ａ／Ｆ）inがリッチにされたときに一部の炭化水素は完全に酸化されることなく部分酸化され、即ち炭化水素が改質され、斯くして還元性中間体が生成されることになる。従って酸化力が強い排気浄化触媒１３を用いた場合には要求最小空燃比Ｘはリッチにする必要がある。
【００５６】
一方、酸化力が弱い排気浄化触媒１３を用いた場合には図１１に示されるように空燃比（Ａ／Ｆ）inをリーンに維持しつつ空燃比（Ａ／Ｆ）inを周期的に低下させると、一部の炭化水素は完全に酸化されずに部分酸化され、即ち炭化水素が改質され、斯くして還元性中間体が生成される。これに対し、酸化力が弱い排気浄化触媒１３を用いた場合に図１０に示されるように空燃比（Ａ／Ｆ）inを周期的にリッチにさせると多量の炭化水素は酸化されることなく単に排気浄化触媒１３から排出されることになり、斯くして無駄に消費される炭化水素量が増大することになる。従って酸化力が弱い排気浄化触媒１３を用いた場合には要求最小空燃比Ｘはリーンにする必要がある。
【００５７】
即ち、要求最小空燃比Ｘは図１２に示されるように排気浄化触媒１３の酸化力が強くなるほど低下させる必要があることがわかる。このように要求最小空燃比Ｘは排気浄化触媒１３の酸化力によってリーンになったり、或いはリッチになったりするが、以下要求最小空燃比Ｘがリッチである場合を例にとって、排気浄化触媒１３に流入する炭化水素の濃度変化の振幅や排気浄化触媒１３に流入する炭化水素濃度の振動周期について説明する。
【００５８】
さて、ベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂが大きくなると、即ち炭化水素が供給される前の排気ガス中の酸素濃度が高くなると空燃比（Ａ／Ｆ）inを要求最小空燃比Ｘ以下とするのに必要な炭化水素の供給量が増大し、それに伴って還元性中間体の生成に寄与しなかった余剰の炭化水素量も増大する。この場合、ＮＯＸを良好に浄化するためには前述したようにこの余剰の炭化水素を酸化させる必要があり、従ってＮＯＸを良好に浄化するためには余剰の炭化水素量が多いほど多量の酸素が必要となる。
【００５９】
この場合、排気ガス中の酸素濃度を高めれば酸素量を増大することができる。従ってＮＯＸを良好に浄化するためには、炭化水素が供給される前の排気ガス中の酸素濃度が高いときには炭化水素供給後の排気ガス中の酸素濃度を高める必要がある。即ち、炭化水素が供給される前の排気ガス中の酸素濃度が高いほど炭化水素濃度の振幅を大きくする必要がある。
【００６０】
図１３は同一のＮＯＸ浄化率が得られるときの、炭化水素が供給される前の排気ガス中の酸素濃度と炭化水素濃度の振幅ΔＨとの関係を示している。図１３から同一のＮＯＸ浄化率を得るためには炭化水素が供給される前の排気ガス中の酸素濃度が高いほど炭化水素濃度の振幅ΔＨを増大させる必要があることがわかる。即ち、同一のＮＯＸ浄化率を得るにはベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂが高くなるほど炭化水素濃度の振幅ΔＨを増大させることが必要となる。別の言い方をすると、ＮＯＸを良好に浄化するためにはベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂが低くなるほど炭化水素濃度の振幅ΔＨを減少させることができる。
【００６１】
ところでベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂが最も低くなるのは加速運転時であり、このとき炭化水素濃度の振幅ΔＨが２００ｐｐｍ程度あればＮＯＸを良好に浄化することができる。ベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂは通常、加速運転時よりも大きく、従って図１４に示されるように炭化水素濃度の振幅ΔＨが２００ｐｐｍ以上であれば良好なＮＯＸ浄化率を得ることができることになる。
【００６２】
一方、ベース空燃比（Ａ／Ｆ）ｂが最も高いときには炭化水素濃度の振幅ΔＨを１００００ｐｐｍ程度にすれば良好なＮＯＸ浄化率が得られることがわかっている。従って本発明では炭化水素濃度の振幅の予め定められた範囲が２００ｐｐｍから１００００ｐｐｍとされている。
【００６３】
また、炭化水素濃度の振動周期ΔＴが長くなると炭化水素が供給された後、次に炭化水素が供給される間において、活性ＮＯＸ周りの酸素濃度が高くなる期間が長くなる。この場合、炭化水素濃度の振動周期ΔＴが５秒程度よりも長くなると活性ＮＯＸが硝酸塩の形で塩基性層５３内に吸収され始め、従って図１５に示されるように炭化水素濃度の振動周期ΔＴが５秒程度よりも長くなるとＮＯＸ浄化率が低下することになる。従って炭化水素濃度の振動周期ΔＴは５秒以下とする必要がある。
【００６４】
一方、炭化水素濃度の振動周期ΔＴがほぼ０．３秒以下になると供給された炭化水素が排気浄化触媒１３の排気ガス流通表面上に堆積し始め、従って図１５に示されるように炭化水素濃度の振動周期ΔＴがほぼ０．３秒以下になるとＮＯＸ浄化率が低下する。そこで本発明では炭化水素濃度の振動周期が０．３秒から５秒の間とされている。
【００６５】
さて、本発明による実施例では、炭化水素供給弁１５からの１回の炭化水素の供給量および供給間隔を変化させることによって炭化水素濃度の振幅ΔＨおよび振動周期ΔＴが機関の運転状態に応じた最適値となるように制御することができる。炭化水素濃度の振幅ΔＨを得ることのできる炭化水素の供給量は、燃料噴射弁３の燃料噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予め電子制御ユニット３０のＲＯＭ３２内に記憶されている。また、炭化水素濃度の振動周期ΔＴ、即ち炭化水素の供給間隔も燃料噴射弁３の燃料噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎを関数にするマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶させることができる。
【００６６】
次に、図１６から図１９を参照しつつ排気浄化触媒１３をＮＯＸ吸蔵触媒として機能させた場合のＮＯＸ浄化方法について具体的に説明する。このように排気浄化触媒１３をＮＯＸ吸蔵触媒として機能させた場合のＮＯＸ浄化方法を以下、第２のＮＯＸ浄化方法と称する。
【００６７】
この第２のＮＯＸ浄化方法では図１６に示されるように塩基性層５３に吸蔵された吸蔵ＮＯＸ量ΣＮＯＸが予め定められた許容量ＭＡＸを越えたときに排気浄化触媒１３に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inが一時的にリッチにされる。排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inがリッチにされると排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inがリーンのときに塩基性層５３内に吸蔵されたＮＯＸが塩基性層５３から一気に放出されて還元される。それによってＮＯＸが浄化される。
【００６８】
吸蔵ＮＯＸ量ΣＮＯＸは例えば機関から排出されるＮＯＸ量から算出される。本発明による実施例では機関から単位時間当り排出される排出ＮＯＸ量ＮＯＸＡが燃料噴射弁３からの噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎの関数として、図１７に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、この排出ＮＯＸ量ＮＯＸＡから吸蔵ＮＯＸ量ΣＮＯＸが算出される。この場合、前述したように排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inがリッチにされる周期は通常１分以上である。
【００６９】
この第２のＮＯＸ浄化方法では図１８に示されるように燃焼室２内に燃料噴射弁３から燃焼用燃料としての主噴射の噴射量Ｑに加え、補助噴射としての追加の燃料を噴射量ＷＲにて噴射することによって排気浄化触媒１３に流入する排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inがリッチにされる。なお、図１８の横軸はクランク角を示している。この追加の燃料ＷＲは燃焼はするが機関出力となって現われない時期に、即ち圧縮上死点後ＡＴＤＣ９０°の少し手前で噴射される。補助噴射の噴射量ＷＲは、燃料噴射弁３からの噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎの関数として図１９に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。無論、この場合に炭化水素供給弁１５からの炭化水素の供給量を増大させることによって排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）inをリッチにすることもできる。
【００７０】
図２０に、通常運転時の排気浄化装置のＮＯＸの浄化方法を説明するグラフを示す。横軸は機関回転数であり、縦軸は燃料噴射弁３からの筒内噴射量である。本実施の形態の排気浄化装置では、機関回転数および筒内噴射量に基づいて、第１のＮＯＸ浄化方法を実施する領域および第２のＮＯＸ浄化方法を実施する領域が定められている。第１のＮＯＸ浄化方法にて高い浄化率にてＮＯＸの浄化を行なうためには、排気浄化触媒１３が活性化していることが好ましい。即ち、排気浄化触媒１３に流入するＮＯＸから活性ＮＯＸの生成、炭化水素の部分酸化、および還元性中間体の生成等を十分に行なうためには、排気浄化触媒が活性化していることが好ましい。また、排気浄化触媒の温度が高くなると触媒が活性化することが知られている。このために、機関回転数の非常に低い領域および筒内噴射量が非常に低い領域では、第２のＮＯＸ浄化方法にてＮＯＸを浄化している。そして、機関回転数が比較的低く、更に筒内噴射量も比較的低い領域においても、第２のＮＯＸ浄化方法にてＮＯＸを浄化している。一方で、その他の領域では、第１のＮＯＸ浄化方法にてＮＯＸを浄化している。
【００７１】
次に、本実施の形態における第１のＮＯX浄化方法において、炭化水素供給弁から供給する燃料の圧力と、ＮＯXの浄化に必要な燃料の量について説明する。図２１に、炭化水素供給弁から供給される燃料の圧力と排気ガスに含まれる炭化水素の濃度との関係を説明するグラフを示す。横軸は時間であり、縦軸は排気ガスに含まれる炭化水素の濃度である。図２１には、炭化水素供給弁１５から低圧で噴射したときの炭化水素の濃度の変化と、高圧で燃料を噴射したときの炭化水素の濃度の変化とが示されている。
【００７２】
本実施の形態における内燃機関は、圧縮自着火式である。通常運転時には、燃焼室２において理論空燃比よりもリーンの状態にて燃焼が行われる。このために、排気ガスは空気過剰の状態になる。
【００７３】
排気ガスに炭化水素が供給されると、炭化水素は過剰な空気により酸化される。排気ガスの炭化水素の濃度のうち、矢印９１に示す濃度ＷＨＣ以下の領域の炭化水素は、完全に酸化されてしまうためにＮＯXの還元には用いられない。一方で、濃度ＷＨＣよりも上側の部分の炭化水素は、ＮＯXを浄化する為の還元剤として機能する。
【００７４】
ここで、炭化水素供給弁１５から高圧にて燃料を供給した場合と、低圧にて燃料を供給した場合とを比較する。同じ還元剤の量を得るためには、低圧で噴射した方が燃料を噴射する時間が長くなることが分かる。このために、低圧で噴射した場合には、濃度ＷＨＣ以下の領域に含まれる燃料の量が多くなることが分かる。一方で、高圧になると、燃料を噴射している時間が短くなり、濃度ＷＨＣ以下の領域に含まれる燃料の量が少なくなることが分かる。すなわち、完全に酸化されてＮＯXの還元に用いられない炭化水素の量が少なくなる。還元剤が不十分の領域では、ＮＯXの浄化率は還元剤の量が多くなるほど高くなる。このために、第１のＮＯX浄化方法では、炭化水素供給弁１５から噴射する燃料の圧力を高くすることが好ましい。
【００７５】
ところで、前述のように、パティキュレートフィルタ１４における粒子状物質の堆積量が、予め定められた判定値を超えた場合には、空気過剰の状態でパティキュレートフィルタを高温にする再生を実施する。パティキュレートフィルタ１４の再生を実施することにより、粒子状物質を酸化させて除去することができる。図２２に、パティキュレートフィルタの再生を行うときのＮＯX浄化方法を説明するグラフを示す。パティキュレートフィルタフィルタの再生を行う場合には、筒内噴射量に関わらず、機関回転数が低い領域から第１のＮＯXの浄化方法にてＮＯXを浄化する。すなわち、排気浄化触媒１３が比較的低温の領域から第１のＮＯX浄化方法を実施する。
【００７６】
排気浄化触媒１３が比較的低温の領域では、炭化水素を部分酸化したり還元性中間体を生成したりする能力が低くなる。このような状態で、炭化水素供給弁１５から高圧にて燃料を供給すると、一部の炭化水素が排気浄化触媒１３をすり抜けてしまう場合が生じる。本実施の形態の排気浄化装置は、炭化水素が排気浄化触媒１３をすり抜ける虞がある運転状態では、炭化水素供給弁１５から供給する燃料の圧力を低くする制御を実施する。
【００７７】
図２３に、本実施の形態における内燃機関の燃料供給装置の概略図を示す。低圧の燃料ポンプ６１から吐出される燃料は低圧燃料であり、高圧の燃料ポンプ２１から吐出される燃料は高圧燃料になる。そして、燃料ポンプ２１，６１やコモンレール２０等から漏れ出る非常に圧力の低い燃料は燃料タンク２２に戻される。
【００７８】
燃料噴射弁３に供給される燃料は高圧燃料である。一方で、低圧の燃料ポンプ６１から吐出される低圧燃料の一部は、炭化水素供給弁１５に供給される。そして、低圧の燃料ポンプ６１から吐出される低圧燃料のうち、過剰な燃料はオリフィス等の絞り部材７５により圧力が低減された後に、燃料タンク２２に戻される。本実施の形態の燃料供給装置は、低圧の燃料ポンプ６１から吐出する燃料の圧力を調整可能に形成されている。
【００７９】
図２４に、燃料ポンプに供給する電流と燃料ポンプが吐出する燃料の圧力との関係を示すグラフを示す。燃料ポンプ６１に供給する電流を増加させると、燃料ポンプ６１から吐出される燃料の圧力が上昇することが分かる。本実施の形態では、燃料ポンプ６１に供給する電流を調整することにより、燃料ポンプ６１から炭化水素供給弁１５に供給する燃料の圧力を調整する。燃料ポンプ６１に供給される電流は、電子制御ユニット３０により制御される。図２１を参照して、本実施の形態では、炭化水素が排気浄化触媒１３をすり抜ける虞がある運転状態では、炭化水素供給弁１５から供給する燃料の圧力を低くする。この制御により、排気ガスの炭化水素の濃度の最大値は低くなり、排気浄化触媒１３のすり抜けを抑制することができる。
【００８０】
このように、本実施の形態における排気浄化装置は、炭化水素供給弁１５から噴射する炭化水素の圧力を調整可能に形成されている。ところが、前述の通り圧力を低くすると、完全に酸化されてしまう炭化水素が増大し、燃料消費量が多くなってしまう。そこで、本実施の形態の排気浄化装置は、第１のＮＯX浄化方法を行う場合に消費される燃料の量を少なくする制御を実施する。
【００８１】
図２５に、本実施の形態における第１のＮＯX浄化方法を実施するときに、低圧の燃料ポンプから吐出する燃料の圧力を設定する制御のフローチャートを示す。図２５のフローチャートは、換言すると、炭化水素供給弁１５から噴射する燃料の圧力を設定する制御のフローチャートである。
【００８２】
ステップ１０１においては、炭化水素供給弁１５から燃料を供給する要求があるか否かを判別する。燃料を供給する要求がある場合には、例えば、前述のパティキュレートフィルタの再生を実施する場合、第１のＮＯX浄化方法を実施する場合、および、炭化水素供給弁１５が詰まることを防止するために、定期的に炭化水素供給弁１５から炭化水素を噴射する場合等が含まれる。更に、排気浄化触媒１３に吸蔵される硫黄酸化物（ＳＯX）を放出させる制御を実施する場合が含まれる。
【００８３】
ステップ１０１において、炭化水素供給弁１５から燃料を供給する要求がない場合には、この制御を繰り返す。ステップ１０１において、炭化水素供給弁１５から燃料を供給する要求がある場合には、ステップ１０２に移行する。
【００８４】
ステップ１０２においては、第１のＮＯX浄化方法の要求があるか否かを判別する。すなわち、第１のＮＯX浄化方法を実施するか否かを判別する。第１のＮＯＸ浄化方法を実施する要求がある場合には、前述の通常運転時において内燃機関が所定の運転領域である場合や、パティキュレートフィルタの再生の要求がある場合等が含まれる。ここで、排気浄化触媒１３の温度を検出し、所定の温度未満では第１のＮＯＸ浄化方法を禁止する制御を実施することができる。この他に、排気浄化触媒に流入するＮＯＸ量が所定値以上の場合に第１のＮＯＸ浄化方法を実施する制御を行うことができる。または、排気浄化触媒１３におけるＮＯＸ吸蔵量が多いと、第１のＮＯＸ浄化方法を実施した場合に、吸蔵されていたＮＯＸが一度に放出されて浄化しきれない虞がある。このために、排気浄化触媒１３におけるＮＯＸ吸蔵量が予め定められた判定値よりも多い場合には、第１のＮＯＸ浄化方法を禁止する制御を実施することができる。このように、任意の条件を設定して、第１のＮＯX浄化方法を実施するか否かを判別することができる。
【００８５】
ステップ１０２において、第１のＮＯＸ浄化方法の要求がない場合には、ステップ１０３に移行する。この場合には、第２のＮＯＸ浄化方法にてＮＯＸを浄化する。ステップ１０３においては、炭化水素供給弁１５から供給する燃料の圧力を予め定められた圧力に設定する。例えば、予め定められた低い圧力に設定される。そして、ステップ１０６において、設定された燃料の圧力に基づいて、低圧の燃料ポンプ６１に供給する電流を算出する。低圧の燃料ポンプ６１は、算出した電流にて駆動される。
【００８６】
一方で、ステップ１０２において、第１のＮＯＸ浄化方法が要求されている場合には、ステップ１０４に移行する。ステップ１０４においては、ＮＯＸを浄化するための還元剤の要求量を算出する。図２１を参照して、ここでの還元剤の要求量は、濃度ＷＨＣよりも上側の領域の炭化水素の量に相当する。ここで、炭化水素の供給間隔は、内燃機関の運転状態に応じて設定することができる。たとえば、炭化水素の供給間隔は、還元性中間体が塩基性層５３の表面上に保持又は吸着が可能な時間に基づいて設定することができる。または、内燃機関の運転状態に基づいて炭化水素の供給間隔を設定しても構わない。
【００８７】
排気浄化触媒１３のＮＯXの浄化率は予め定められている。要求されるＮＯXの浄化率に、機関本体１から排気浄化触媒１３に流入するＮＯXの量を乗じることにより、要求されるＮＯXの浄化量が算出される。機関本体１から排気浄化触媒１３に流入するＮＯXの量は、例えば機関回転数および負荷を関数にするマップから単位時間あたりの量を推定することができる。そして、炭化水素の供給間隔に基づいて、炭化水素供給弁１５の１回の燃料噴射に対して、機関本体１から排気浄化触媒１３に流入するＮＯXの量、すなわち要求されるＮＯＸの浄化量を算出することができる。そして、要求されるＮＯXの浄化量に基づいて、還元剤の要求量を算出することができる。なお、還元剤の要求量は、例えば、機関回転数と負荷とを関数にするマップを予め作成し、電子制御ユニット３０に記憶させておいても構わない。機関回転数および負荷を検出し、機関回転数および負荷に基づいて、還元剤の要求量を設定しても構わない。
【００８８】
次に、ステップ１０５においては、設定された還元剤の要求量に基づいて、炭化水素供給弁１５から噴射する燃料の圧力を設定する。
【００８９】
図２６に、第１のＮＯX浄化方法を行うときに消費される燃料消費量のグラフを示す。横軸は、炭化水素供給弁１５から噴射される燃料の圧力である。第１のＮＯX浄化方法を行う時に、炭化水素供給弁１５から供給される燃料の量は、圧力が高くなるほど小さくすることができる。このために、炭化水素供給弁１５から噴射される燃料の圧力が高くなるほど、炭化水素供給弁１５の燃料噴射による燃料消費量は小さくなる。
【００９０】
一方で、本実施の形態の低圧の燃料ポンプ６１は電気にて駆動されている。低圧の燃料ポンプ６１から吐出される燃料の圧力を上昇させると消費電力が大きくなる。燃料ポンプ６１を駆動する電力は、機関本体１から出力される回転力を用いて発電することにより生成されている。このために、燃料ポンプ６１の消費電力が大きくなると燃焼室２における燃料消費量が多くなる。このように、炭化水素供給弁１５から噴射される燃料の圧力が高くなるほど、燃料ポンプ６１を駆動する為の燃料消費量は大きくなる。
【００９１】
図２６には、炭化水素供給弁１５からの燃料噴射による燃料消費量と、燃料ポンプ６１の駆動による燃料消費量とを加算した合計の燃料消費量が示されている。そして、合計の燃料消費量は、炭化水素供給弁１５から噴射される燃料の圧力Ｐａにおいて最小になることが分かる。このために、図２５を参照して、ステップ１０５では、炭化水素供給弁１５から噴射される燃料の圧力を圧力Ｐａに設定する。
【００９２】
次に、ステップ１０６において、炭化水素供給弁１５から噴射される燃料の圧力が、圧力Ｐａになるように低圧の燃料ポンプ６１を駆動する。すなわち、低圧の燃料ポンプ６１の吐出圧力が圧力Ｐａになる電流を設定し、設定した電流にて燃料ポンプ６１を駆動する。
【００９３】
このように、本実施の形態の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気通路に炭化水素を供給する燃料供給装置を駆動するための燃料消費量と、炭化水素供給弁１５から噴射される燃料の燃料消費量との合計の燃料消費量に基づいて、炭化水素供給弁１５に供給する燃料の圧力を設定する。この制御により、ＮＯX浄化率を高く維持しながら燃料の消費量を低くすることができる。
【００９４】
本実施の形態の炭化水素供給弁１５から噴射する燃料の圧力を設定する制御は、パティキュレートの再生を行う場合に限られず、第１のＮＯX浄化方法にてＮＯXを浄化する任意の場合に適用することができる。
【００９５】
なお、排気浄化触媒１３における炭化水素のすり抜けに関しては、排気浄化触媒１３の温度に基づいて排気ガスに含まれる炭化水素の濃度の上限を設定しておいても構わない。たとえば、機関回転数と負荷とを関数にして、炭化水素の濃度の上限または炭化水素供給弁１５から噴射される燃料の圧力の上限を予め定めておくことができる。そして、前述の制御により設定された低圧の燃料ポンプ６１の圧力が、炭化水素のすり抜けに基づいた圧力の上限を超える場合には、炭化水素のすり抜けに基づいた圧力の上限にて炭化水素を供給しても構わない。
【００９６】
また、パティキュレートフィルタ１４の再生を行う場合には、排気ガスの温度を上昇させて、パティキュレートフィルタ１４を高温にする必要がある。このために、排気浄化触媒１３に供給する炭化水素を増加させる場合がある。排気浄化触媒１３の内部にて炭化水素の酸化反応を生じさせることにより、排気ガスの温度が上昇する。このような排気ガスの温度を上昇させるために供給する炭化水素の量は、上記のＮＯXを浄化する方法において、完全に酸化される炭化水素の量を考慮して算出することができる。
【００９７】
本実施の形態における燃料供給装置は、燃料ポンプの吐出圧力を変化させることにより、炭化水素供給弁から噴射する燃料の圧力を可変に形成されているが、この形態に限られず、炭化水素供給弁から噴射する燃料の圧力を可変にする任意の燃料供給装置を採用することができる。例えば、燃料供給装置は、炭化水素供給弁に燃料を供給する流路に可変流量ノズル等が配置されることにより、炭化水素供給弁に供給する燃料の圧力を調整可能に形成されていても構わない。
【００９８】
なお、上述の制御は、それぞれの作用および機能を有する範囲内において適宜ステップの順序を変更することができる。上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に示される実施の変更が含まれている。
【符号の説明】
【００９９】
１    機関本体
２    燃焼室
３    燃料噴射弁
１３    排気浄化触媒
１４    パティキュレートフィルタ
１５    炭化水素供給弁
２１，６１    燃料ポンプ
３０    電子制御ユニット
５０    触媒担体
５１，５２    貴金属触媒
５３    塩基性層
５４    排気ガス流通表面部分
６２    燃料室
６３    燃料圧センサ
【図１】
2016145543.tif 000003
【図２】
2016145543.tif 000004
【図３】
2016145543.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
2016145543.tif 000008
【図６Ｂ】
2016145543.tif 000009
【図７Ａ】
2016145543.tif 000010
【図７Ｂ】
2016145543.tif 000011
【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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【図２６】
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