(57)【要約】【課題】排気ガス中のＳＯXを確実に捕獲する。【解決手段】機関排気通路内に排気ガスの流れに沿って一対のＳＯXトラップ触媒１３，１４が直列に配置される。上流側のＳＯXトラップ触媒１３からＳＯXを放出すべきときには上流側ＳＯXトラップ触媒１３に流入する排気ガスの空燃比をリッチにし、このとき上流側ＳＯXトラップ１３から流出するリッチ空燃比の排気ガスに、バイパス流路２９ｂ内を流れるリーン空燃比の排気ガスを合流させて下流側ＳＯXトラップ触媒１４に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持する。【選択図】図１１
2009228525.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気通路内に排気ガスの流れに沿って一対のＳＯXトラップ触媒が直列に配置されており、上流側のＳＯXトラップ触媒は、排気ガス中に含まれるＳＯXを一時的に捕獲すると共に捕獲したＳＯXを放出しうる触媒からなり、下流側のＳＯXトラップ触媒は、上流側ＳＯXトラップ触媒から放出されたＳＯXを捕獲して蓄積し続ける触媒からなり、上流側ＳＯXトラップ触媒からＳＯXを放出すべきときには上流側ＳＯXトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにし、このとき上流側ＳＯXトラップ触媒から流出するリッチ空燃比の排気ガスにリーン空燃比の排気ガスを合流させて下流側ＳＯXトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持するようにした内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
並列配置された一対の排気流路を具備すると共にこれら排気流路の下流端は互いに合流せしめられて上記下流側ＳＯXトラップ触媒に連結され、各排気流路内に夫々上流側ＳＯXトラップ触媒が配置され、これら上流側ＳＯXトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比が交互にリッチにされてこれら上流側ＳＯXトラップ触媒から交互にＳＯXが放出される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
機関から排出された排気ガスが上記排気流路内に分流され、各排気流路内に排気ガスの空燃比をリッチにするための還元剤供給弁が配置されている請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
上記上流側ＳＯXトラップ触媒が一つの触媒からなり、一つの触媒の半分が夫々各排気流路内に配置されている請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
気筒が一対の気筒群に分割されており、上記一対の排気流路は夫々各気筒群の排気マニホルドに連結されている請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
並列配置された一対の排気流路を具備すると共にこれら排気流路の下流端は互いに合流せしめられて上記下流側ＳＯXトラップ触媒に連結され、これら排気流路の一方に上流側ＳＯXトラップ触媒と上流側ＳＯXトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするための還元剤供給弁とが配置されると共にこれら排気流路の他方に常時閉鎖型遮断弁が配置され、上流側ＳＯXトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするときには該遮断弁を開弁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７】
下流側ＳＯXトラップ触媒はＳＯXを捕獲しかつ保持する率を示すＳＯX捕獲保持率が最大となる中間温度領域と、触媒温度が低下するにつれてＳＯX捕獲保持率が低下する低温度領域と、触媒温度が上昇するにつれてＳＯX捕獲保持率が低下する高温度領域からなる三つの温度領域を有しており、上流側ＳＯXトラップ触媒は上記低温度領域で下流側ＳＯXトラップ触媒よりも高いＳＯX捕獲保持率を有し、上記中間温度領域では触媒温度が上昇するにつれてＳＯX捕獲保持率が低下する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
上流側ＳＯXトラップ触媒は下流側ＳＯXトラップ触媒に比べて塩基性が弱く、酸化能力が高い請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】
上流側ＳＯXトラップ触媒および下流側ＳＯXトラップ触媒は基体上に形成されたコート層と、コート層上に担持された金属触媒からなり、上流側ＳＯXトラップ触媒のコート層は下流側ＳＯXトラップ触媒のコート層よりも塩基性が弱く、上流側ＳＯXトラップ触媒の金属触媒は下流側ＳＯXトラップ触媒の金属触媒に比べて酸化能力が高い請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１０】
下流側ＳＯXトラップ触媒のコート層はアルカリ金属又はアルカリ土類金属から構成されており、下流側ＳＯXトラップ触媒の金属触媒は鉄又は銀からなるか、或いは上流側ＳＯXトラップ触媒よりも少量の白金からなる請求項９に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１１】
上流側ＳＯXトラップ触媒のコート層はアルミナ、ジルコニア、チタニア、シリカ、酸化タングステンから選ばれた少くとも一つにより構成されており、上流側ＳＯXトラップ触媒の金属触媒は白金からなる請求項９に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１２】
下流側ＳＯXトラップ触媒下流の機関排気通路内に、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吸蔵触媒が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。
【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）。この内燃機関では機関から排出される全てのＳＯXをＳＯXトラップ触媒により捕獲し、捕獲したＳＯXをＳＯXトラップ触媒内に永久的に保持し続けるようにしている。そのためにこのＳＯXトラップ触媒は強い塩基性を有するように形成されている。
【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】
【０００４】
しかしながらＳＯXトラップ触媒に強い塩基性を持たせると特に低温時における酸化能力が弱められるために低温時におけるＳＯXの捕獲能力が低下する。その結果、低温時にＳＯXがＳＯXトラップ触媒をすり抜けてしまうという問題を生ずる。
本発明は、これまでにない新たなＳＯXトラップ方法を用いることによって温度にかかわらずに排気ガス中に含まれるＳＯXを除去し続けることのできる内燃機関の排気浄化装置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、本発明によれば、機関排気通路内に排気ガスの流れに沿って一対のＳＯXトラップ触媒が直列に配置されており、上流側のＳＯXトラップ触媒は、排気ガス中に含まれるＳＯXを一時的に捕獲すると共に捕獲したＳＯXを放出しうる触媒からなり、下流側のＳＯXトラップ触媒は、上流側ＳＯXトラップ触媒から放出されたＳＯXを捕獲して蓄積し続ける触媒からなり、上流側ＳＯXトラップ触媒からＳＯXを放出すべきときには上流側ＳＯXトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにし、このとき上流側ＳＯXトラップ触媒から流出するリッチ空燃比の排気ガスにリーン空燃比の排気ガスを合流させて下流側ＳＯXトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持するようにしている。
【発明の効果】
【０００６】
排気ガス中に含まれるＳＯXを上流側ＳＯXトラップ触媒に一時的に捕獲し、次いで捕獲されたＳＯXを放出させて放出されたＳＯXを下流側ＳＯXトラップ触媒に再度捕獲させることにより、温度にかかわらずに排気ガス中に含まれるＳＯXを除去し続けることができる。
【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。
【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の出口に連結された排気通路１２内には上流側に位置する上流側ＳＯXトラップ触媒１３と下流側に位置する下流側ＳＯXトラップ触媒１４からなる一対のＳＯXトラップ触媒が排気ガスの流れに沿って直列に配置される。下流側ＳＯXトラップ触媒１４の出口は排気管１５を介してＮＯX吸蔵触媒を担持したパティキュレートフィルタ１６に連結され、排気管１５内には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１７が取付けられる。
【０００９】
図２（Ｂ）は図１に示される上流側ＳＯXトラップ触媒１３周りの拡大図を示しており、図２（Ａ）は図２（Ｂ）のＡ−Ａ線に沿って断面図を示している。図２（Ｂ）からわかるように上流側ＳＯXトラップ触媒１３は上流側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。また、下流側ＳＯXトラップ触媒１４も上流側ＳＯXトラップ触媒１４と同様に下流側ＳＯXトラップ触媒１４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。
【００１０】
図１および図２（Ａ），（Ｂ）に示されるように上流側ＳＯXトラップ触媒１３の上流側は平板状の分離壁２５によって一対の排気流路２６ａ，２６ｂに分割されており、各排気流路２６ａ，２６ｂ内を流れる排気ガス中に夫々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２７ａ，２７ｂが配置される。
【００１１】
一方、図１に示されるように排気マニホルド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１８を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１８内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１９が配置される。また、ＥＧＲ通路１８周りにはＥＧＲ通路１８内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２０が配置される。図１の示される実施例では機関冷却水が冷却装置２０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２１を介してコモンレール２２に連結される。このコモンレール２２内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２３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２１を介して燃料噴射弁３に供給される。
【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。ＮＯX吸蔵触媒を担持したパティキュレートフィルタ１６にはパティキュレートフィルタ１６の前後差圧を検出するための差圧センサ２４が取付けられており、この差圧センサ２４およびエアフローメータ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。
【００１３】
アクセルぺダル４０にはアクセルぺダル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、還元剤供給弁１７、２７ａ，２７ｂＥＧＲ制御弁１９および燃料ポンプ２３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。この実施例ではパティキュレートフィルタ１６’がＮＯX吸蔵触媒を担持しておらず、パティキュレートフィルタ１６’の下流にＮＯX吸蔵触媒２８が配置される。
【００１５】
図４（Ａ）および（Ｂ）は図１に示されるＮＯX吸蔵触媒を担持したパティキュレートフィルタ１６の構造を示している。なお、図３に示されるＮＯX吸蔵触媒を担持していないパティキュレートフィルタ１６’も図１に示されるパティキュレートフィルタ１６と同様な構造を有する。また、図４（Ａ）はパティキュレートフィルタ１６，１６’の正面図を示しており、図４（Ｂ）はパティキュレートフィルタ１６，１６’の側面断面図を示している。
【００１６】
図４（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１６，１６’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４（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。
【００１７】
パティキュレートフィルタ１６，１６’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４（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。
【００１８】
次にＮＯX吸蔵触媒について説明する。図１に示されるようにＮＯX吸蔵触媒がパティキュレートフィルタ１６上に担持されている場合にはパティキュレートフィルタ１６の基体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に示されるようにＮＯX吸蔵触媒２８がパティキュレートフィルタ１６’の下流に独立した配置されている場合にはＮＯX吸蔵触媒２８の基体上に例えばアルミナからなる触媒担体が担持されている。図５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５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、およびパティキュレートフィルタ１６又はＮＯX吸蔵触媒２８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５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。
【００２２】
これに対し、還元剤供給弁１７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。
【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還元剤供給弁１７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。
【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がパティキュレートフィルタ１６に担持されたＮＯX吸蔵触媒或いはＮＯX吸蔵触媒２８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。
【００２５】
ところでこの場合、パティキュレートフィルタ１６或いはＮＯX吸蔵触媒２８の温度を６００℃以上のＳＯX放出温度まで上昇させた状態でパティキュレートフィルタ１６或いはＮＯX吸蔵触媒２８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。
【００２６】
そこで本発明ではパティキュレートフィルタ１６或いはＮＯX吸蔵触媒２８の上流に一対のＳＯXトラップ触媒１３，１４を配置してこれら一対のＳＯXトラップ触媒１３，１４により排気ガス中に含まれる大部分のＳＯXを捕獲し、それによってパティキュレートフィルタ１６に担持されたＮＯX吸蔵触媒或いはＮＯX吸蔵触媒２８にほとんどＳＯXが流入しないようにしている。
【００２７】
図６（Ａ）は下流側ＳＯXトラップ触媒１４の基体５０の表面部分の断面を図解的に示しており、図６（Ｂ）は上流側ＳＯXトラップ触媒１３の基体５３の表面部分を図解的に示している。図６（Ａ）に示されるように下流側ＳＯXトラップ触媒１４の基体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の表面上には金属触媒５２が分散して担持されている。一方、図６（Ｂ）に示されるように上流側ＳＯXトラップ触媒１３の基体５３の表面上にもコート層５４が形成されており、このコート層５４の表面上には貴金属触媒５５が分散して担持されている。
【００２８】
排気ガス中に含まれるＳＯXの大部分はＳＯ2であり、残りはＳＯ3である。図６（Ａ），（Ｂ）に示されるように排気ガス中に含まれるＳＯ2は金属触媒５２，５５においてＳＯ3に酸化され、次いでコート層５１，５４内に捕獲される。コート層５１，５４内に捕獲されたＳＯ3は硫酸イオンＳＯ42-の形でコート層５１，５４内に拡散し、硫酸塩を形成する。また、排気ガス中に含まれる一部のＳＯX、即ちＳＯ2およびＳＯ3は図６（Ａ），（Ｂ）に示されるように直接コート層５１，５４内に捕獲される。
【００２９】
ところで上述したようにＳＯXトラップ触媒１３，１４はコート層５１，５４と、コート層５１，５４上に担持された金属触媒５２，５５からなる。この場合、このようなＳＯXトラップ触媒を一つだけ配置しただけでは排気ガス中に含まれるＳＯXを常時捕獲することができず、排気ガス中に含まれるＳＯXを常時捕獲するためには性質の異なる一対のＳＯXトラップ触媒１３，１４を配置する必要がある。次にこのことについて図７を参照しつつ説明する。
【００３０】
図７（Ａ）は、排気ガス中に含まれるＳＯXのうちの何％をＳＯXトラップ触媒に捕獲しうるかを示すＳＯXトラップ率および捕獲したＳＯXのうち何％をＳＯXトラップ触媒内に保持しうるかを示すＳＯX保持率と、ＳＯXトラップ触媒のコート層の塩基性の強さとの関係を示している。
【００３１】
排気ガス中に含まれるＳＯ2はＳＯ3に酸化されてコート層内に捕獲されるのでＳＯ2に対する金属触媒の酸化能力が高いほどＳＯXトラップ率は高くなる。ＳＯXトラップ触媒の温度、即ち金属触媒の温度が比較的高い場合には金属触媒の活性度合が高く、このときにはコート層の塩基性の強さにかかわらずに金属触媒は高い酸化能力を有する。従ってＳＯXトラップ触媒の温度が比較的高い場合には図７（Ａ）において破線ａで示されるようにＳＯXトラップ率はコート層の塩基性の強さにかかわらずに高くなる。
【００３２】
これに対し、ＳＯXトラップ触媒の温度が低くなり、金属触媒の活性度合が低くなるとコート層の塩基性が金属触媒の酸化能力に強い影響を与えるようになる。即ち、コート層の塩基性が強くなると金属触媒の酸化能力が弱められ、従って図７（Ａ）において破線ｂで示されるようにＳＯXトラップ触媒の温度が低いときにはコート層の塩基性が強くなるほどＳＯXトラップ率が低下する。
【００３３】
一方、ＳＯX保持率もコート層の塩基性の強さの影響を受ける。即ち、ＳＯXトラップ触媒の温度が低い場合には図７（Ａ）において実線Ｃで示されるようにコート層の塩基性の強さにかかわらずにＳＯX保持率は高くなる。しかしながらＳＯXトラップ触媒の温度が高い場合にはコート層の塩基性を強くしないと高いＳＯX保持率を得ることができない。即ち、ＳＯXトラップ触媒の温度が高い場合には図７（Ａ）において実線ｄで示されるようにコート層の塩基性の強さが弱くなるほどＳＯX保持率が低下する。
【００３４】
ＳＯXトラップ触媒は温度にかかわらずに捕獲したＳＯXを保持し続けることが要求される。従って温度にかかわらずに高いＳＯX保持率を有することが要求され、斯くして図７（Ａ）からわかるようにコート層の塩基性の強さを高くすることが必要となる。従ってＳＯXトラップ触媒としては図７（Ａ）において領域IIで示される性質の触媒を用いる必要がある。本発明では下流側ＳＯXトラップ触媒１４として領域IIに示される性質の触媒、即ちコート層が強い塩基性を有する触媒が用いられる。
【００３５】
ところが図７（Ａ）からわかるように領域IIに示される性質の触媒は温度が低下するとＳＯXトラップ率が低下し、斯くしてＳＯXトラップ触媒をＳＯXがすり抜けてしまうという問題を発生する。そこで本発明ではこのような問題が生じないようにするために図７（Ａ）において領域Ｉで示される性質を有する上流側ＳＯXトラップ触媒１３を下流側ＳＯXトラップ触媒１４の上流に配置するようにしている。
【００３６】
図７（Ａ）からわかるように領域Ｉに示される性質を有する触媒は温度が低いときにはＳＯXトラップ率およびＳＯX保持率が共に高いのでこのとき排気ガス中に含まれるＳＯXの大部分は上流側ＳＯXトラップ触媒１３に捕獲されて保持される。従ってこのとき下流側ＳＯXトラップ触媒１４にはほとんどＳＯXが流入しないので下流側ＳＯXトラップ触媒１４の温度が低くても下流側ＳＯXトラップ触媒１４からＳＯXがすり抜けるという問題はほとんど生じない。
【００３７】
一方、上流側ＳＯXトラップ触媒１３の温度が上昇すると図７（Ａ）からわかるようにＳＯX保持率が低下する。即ち、上流側ＳＯXトラップ触媒１３に捕獲されていたＳＯXが放出される。一方、このときには下流側ＳＯXトラップ触媒１４の温度も上昇しており、従って図７（Ａ）からわかるように下流側ＳＯXトラップ触媒１４はＳＯXトラップ率およびＳＯX保持率が共に高くなっている。斯くしてこのとき上流側ＳＯXトラップ触媒１３から放出されたＳＯXの大部分は下流側ＳＯXトラップ触媒１４に捕獲されて保持される。
【００３８】
図７（Ａ）からわかるように下流側ＳＯXトラップ触媒１４のＳＯX保持率は下流側ＳＯXトラップ触媒１４の温度にかかわらずに高い保持率に維持される。従ってＳＯXが一旦下流側ＳＯXトラップ触媒１４に捕獲されるとこの捕獲されたＳＯXの大部分は下流側ＳＯXトラップ触媒１４に蓄積され続けることになる。
【００３９】
図７（Ｂ）はＳＯXトラップ率とＳＯX保持率の積、即ちＳＯXを捕獲しかつ保持するＳＯX捕獲保持率と各ＳＯXトラップ触媒１３，１４の温度との関係を示している。図７（Ｂ）を参照すると下流側ＳＯXトラップ触媒１４は破線で示されるようにＳＯX捕獲保持率が最大となる中間温度領域ＴＭと、触媒温度が低下するにつれてＳＯX捕獲保持率が低下する高温度領域ＴＬと、触媒温度が上昇するにつれてＳＯX捕獲保持率が低下する高温度領域ＴＨからなる三つの温度領域を有している。
【００４０】
即ち、中間温度領域ＴＭではＳＯXトラップ率およびＳＯX保持率が共にほぼ１００パーセントであるためにＳＯX捕獲保持率はほぼ１００％となり、低温度領域ＴＬではＳＯXトラップ率が低下するためにＳＯX捕獲保持率が低下し、高温領域ＴＨではＳＯXが放出するためにＳＯX捕獲保持率が低下する。
【００４１】
一方、上流側ＳＯXトラップ触媒１３は図７（Ｂ）において実線で示されるように触媒１４の低温度領域ＴＬでは下流側ＳＯXトラップ触媒１４よりも高いＳＯX捕獲保持率を有し、触媒１４の中間温度領域ＴＭでは触媒温度が上昇するにつれてＳＯX捕獲保持率が低下する。もう少し正確に言うと上流側ＳＯXトラップ触媒１３は触媒１４の中間温度領域において触媒温度がＳＯX放出下限温度ＴＸを越えるとＳＯXの放出が開始されるためにＳＯX保持率が低下し、斯くしてＳＯX捕獲保持率が低下する。このとき放出されたＳＯXは下流側ＳＯXトラップ触媒１４に捕獲される。
【００４２】
図８に上流側ＳＯXトラップ触媒１３の温度ＴＣ１の変化と、下流側ＳＯXトラップ触媒１４の温度ＴＣ２の変化と、各時刻ｔ1，ｔ2，ｔ3，ｔ4における上流側ＳＯXトラップ触媒１３のＳＯX捕獲量Ｑおよび下流側ＳＯXトラップ触媒１４のＳＯX捕獲量Ｒの変化を示している。図８において時刻ｔ1およびｔ2におけるように上流側ＳＯXトラップ触媒１３の温度ＴＣ１がＳＯX放出下限温度ＴＸよりも低く維持されているときには排気ガス中のＳＯXは上流側ＳＯXトラップ触媒１３に捕獲される。従ってこのときには上流側ＳＯXトラップ触媒１３のＳＯX捕獲量Ｑが増大する。
【００４３】
次いで時刻ｔ3におけるように上流側ＳＯXトラップ触媒１３の温度ＴＣ１がＳＯX放出下限温度ＴＸよりも高くなると上流側ＳＯXトラップ触媒１３からＱ’で示されるＳＯXが放出され、このＳＯXが下流側ＳＯXトラップ触媒１４に捕獲される。即ち、下流側ＳＯXトラップ触媒１４のＳＯX捕獲量ＲはＱ’で示されるＳＯX量だけ増大する。次いで時刻ｔ4において上流側ＳＯXトラップ触媒１３の温度ＴＣ１が再びＳＯX放出下限温度ＴＸ以下になると排気ガス中のＳＯXは上流側ＳＯXトラップ触媒１３に捕獲される。
【００４４】
車両運転中には各ＳＯXトラップ触媒１３，１４の温度ＴＣ１，ＴＣ２は上下動し、時刻ｔ3に示されるように上流側ＳＯXトラップ触媒１３の温度ＴＣ１がＳＯX放出下限温度ＴＸを越える毎に上流側ＳＯXトラップ触媒１３から放出されたＳＯXが下流側ＳＯXトラップ触媒１４に捕獲される。即ち、上流側ＳＯXトラップ触媒１３の温度ＴＣ１がＳＯX放出下限温度ＴＸを越える毎に上流側ＳＯXトラップ触媒１３に捕獲されていたＳＯXが下流側ＳＯXトラップ触媒１４内に移動せしめられ、上流側ＳＯXトラップ触媒１３のＳＯX捕獲能力が回復される。
【００４５】
このように本発明ではコート層の塩基性の強さの差異および温度の差異から生ずるＳＯX保持率およびＳＯXトラップ率の変化を巧みに利用して一対のＳＯXトラップ触媒１３，１４により排気ガス中のＳＯXを良好に除去するようにしている。
【００４６】
即ち、本発明では、排気ガス中に含まれるＳＯXを一時的に捕獲すると共に捕獲したＳＯXを放出しうる触媒から上流側ＳＯXトラップ触媒１３を構成し、上流側ＳＯXトラップ触媒１３から放出されたＳＯXを捕獲して蓄積し続ける触媒から下流側ＳＯXトラップ触媒１４を構成することによって排気ガス中のＳＯXを良好に除去するようにしている。
【００４７】
さて、前述したように上流側ＳＯXトラップ触媒１３は図７において領域Ｉで示される性質を有し、下流側ＳＯXトラップ触媒１４は図７において領域IIで示される性質を有する。即ち、上流側ＳＯXトラップ触媒１３のコート層５４は下流側ＳＯXトラップ触媒１４のコート層５１よりも塩基性が弱く形成されている。
【００４８】
具体的に言うと、上流側ＳＯXトラップ触媒１３のコート層５４は、弱塩基性のアルミナＡｌ2Ｏ3、塩基性のジルコニアＺｒＯ2、酸性のチタニアＴｉＯ2、酸性のシリカＳｉＯ2、酸性の酸化タングステンＷＯ3から選ばれた少くとも一つにより構成されている。上流側ＳＯXトラップ触媒１３におけるＳＯX放出下限温度ＴＸとしては３００℃から４００℃にすることが好ましい。
【００４９】
上流側ＳＯXトラップ触媒１３は低温でもＳＯ2を酸化して捕獲しうるように金属触媒５５は貴金属触媒から構成されており、本発明による実施例ではこの貴金属触媒５５は白金Ｐｔからなる。
【００５０】
これに対し、下流側ＳＯXトラップ触媒１４のコート層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、マグネシウムＭｇのようなアルカリ土類金属から選ばれた少なくとも一つが用いられている。即ち、下流側ＳＯXトラップ触媒１４のコート層５１は強塩基性を呈している。
【００５１】
ところで、コート層５１が強塩基性を呈していると排気ガス中に含まれるＳＯX、即ちＳＯ2やＳＯ3は直接コート層５１内に捕獲されやすくなる。従って場合によっては下流側ＳＯXトラップ触媒１４には金属触媒５２を担持させる必要はない。しかしながら本発明による実施例ではＳＯ2を酸化して捕獲速度を早めるために白金Ｐｔほど酸化能力のない鉄Ｆｅ又は銀Ａｇからなる金属触媒５２が使用され、或いは金属触媒５２として上流側ＳＯXトラップ触媒１３よりも少量の白金Ｐｔが使用される。
【００５２】
このように本発明では、上流側ＳＯXトラップ触媒１３の金属触媒５５は下流側ＳＯXトラップ触媒１４の金属触媒５２に比べて酸化能力の高い金属触媒が使用されている。従って上流側ＳＯXトラップ触媒１３は下流側ＳＯXトラップ触媒１４に比べて塩基性が弱く、酸化能力が高いことになる。
【００５３】
図６（Ａ）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６（Ａ）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。
【００５４】
ところが下流側ＳＯXトラップ触媒１４の温度が機関運転中に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の捕獲能力が機関運転中に回復することになる。
【００５５】
さて、上流側ＳＯXトラップ触媒１３の温度が高くなれば上流側ＳＯXトラップ触媒１３からＳＯXが放出されるが上流側ＳＯXトラップ触媒１３の温度が低い状態に維持されると上流側ＳＯXトラップ触媒１３からはＳＯXが放出されない。しかしながら上流側ＳＯXトラップ触媒１３に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすると上流側ＳＯXトラップ触媒１３の温度が低くても上流側ＳＯXトラップ触媒１３からＳＯXが放出される。従って本発明では、上流側ＳＯXトラップ触媒１３からＳＯXを放出すべきときには上流側ＳＯXトラップ触媒１３に流入する排気ガスの空燃比がリッチにされる。
【００５６】
しかしながらこのとき上流側ＳＯXトラップ触媒１３から排出したリッチ空燃比の排気ガスが下流側ＳＯXトラップ触媒１４に流入すると、即ち下流側ＳＯXトラップ触媒１４を流通する排気ガスの空燃比がリッチになっていると上流側ＳＯXトラップ触媒１３から放出されたＳＯXが下流側ＳＯXトラップ触媒１４に捕獲されずらくなり、その結果ＳＯXが下流側ＳＯXトラップ触媒１４をすり抜けてしまうという問題を生ずる。
【００５７】
この場合、上流側ＳＯXトラップ触媒１３から放出されたＳＯXを下流側ＳＯXトラップ触媒１４に捕獲させるには下流側ＳＯXトラップ触媒１４を流通する排気ガスの空燃比をリーンに維持しておく必要がある。そこで本発明では上流側ＳＯXトラップ触媒１３に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしたときには上流側ＳＯXトラップ触媒１３から流出するリッチ空燃比の排気ガスにリーン空燃比の排気ガスを合流させて下流側ＳＯXトラップ触媒１４に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持するようにしている。
【００５８】
具体的に言うと図１および図３に示される実施例では機関から排出された排気ガスが排気流路２６ａ，２６ｂ内に分流され、各排気流路２６ａ，２６ｂ内に排気ガスの空燃比をリッチにするための還元剤供給弁２７ａ，２７ｂが配置されている。通常、還元剤供給弁２７ａ，２７ｂからの還元剤の供給は停止されており、従って通常はリーン空燃比の排気ガスが各排気流路２６ａ，２６ｂ内を流通している。
【００５９】
一方、上流側ＳＯXトラップ触媒１３からＳＯXを放出すべきときには各還元剤供給弁２７ａ，２７ｂから交互に還元剤が供給され、各排気流路２６ａ，２６ｂ内を流れる排気ガスの空燃比がリッチにされる。例えば排気流路２６ａ内を流れる排気ガスの空燃比がリッチにされるとこの排気ガスが流入する上流側ＳＯXトラップ触媒１３の部分からＳＯXが放出される。一方、このとき排気流路２６ｂ内にはリーン空燃比の排気ガスが流通しており、この排気ガスのリーンの度合は排気流路２６ａ内を流れる排気ガスのリッチの度合に比べて大きいので下流側ＳＯXトラップ触媒１４に流入する排気ガスの空燃比はリーンとなる。従って上流側ＳＯXトラップ触媒１３から放出されたＳＯXは下流側ＳＯXトラップ触媒１４により確実に捕獲されることになる。
【００６０】
これに対し、排気流路２６ｂ内を流れる排気ガスの空燃比がリッチにされると今度はこの排気ガスが流入する上流側ＳＯXトラップ触媒１３の部分からＳＯXが放出される。一方、このとき排気流路２６ａ内にはリーン空燃比の排気ガスが流通しており、この排気ガスのリーンの度合は排気流路２６ｂ内を流れる排気ガスのリッチの度合に比べて大きいので下流側ＳＯXトラップ触媒１４に流入する排気ガスの空燃比はリーンとなる。従ってこの場合も上流側ＳＯXトラップ触媒１３から放出されたＳＯXは下流側ＳＯXトラップ触媒１４により確実に捕獲されることになる。
【００６１】
なお、図１および図３に示される実施例では図２（Ｂ）からわかるように上流側ＳＯXトラップ触媒１３は一つの触媒からなり、従って一つの触媒の半分が夫々各排気流路２６ａ，２６ｂ内に配置されていることになる。
【００６２】
図９は上流側ＳＯXトラップ触媒１３に捕獲されたＳＯXを下流側ＳＯXトラップ触媒１４に移動させるためのＳＯX移動制御ルーチンを示している。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９を参照すると、まず初めにステップ７０において単位時間当りのＳＯX排出量ＳＯＸＡが算出される。このＳＯＸＡは機関回転数Ｎおよび要求トルクＴＱの関数として図１０に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。次いでステップ７１ではＳＯＸＡがＳＯX捕獲量ΣＳＯＸに加算される。次いでステップ７２ではＳＯX捕獲量ΣＳＯＸが許容量ＭＡＸ以上になったか否かが判別され、ΣＳＯＸ＞ＭＡＸとなったときにはステップ７３に進む。
【００６３】
ステップ７３では上流側ＳＯXトラップ触媒１３からＳＯXを放出させる制御、即ち還元剤供給弁２７ａ，２７ｂから交互に還元剤を供給する制御が行われる。次いでステップ７４ではΣＳＯＸがクリアされる。
【００６４】
図１１に別の実施例を示す。この実施例では上流側ＳＯXトラップ触媒１３を迂回するバイパス流路２９ｂが設けられており、このパティキュレートフィルタ流路２９ｂ内に常時閉鎖型遮断弁４３が配置される。別の言い方をするとこの実施例では並列配置された一対の排気流路２９ａ，２９ｂが設けられると共にこれら排気流路２９ａ，２９ｂの下流端は互いに合流せしめられて下流側ＳＯXトラップ触媒１４に連結され、これら排気流路２９ａ，２９ｂの一方２９ａに上流側ＳＯXトラップ触媒１３と上流側ＳＯXトラップ触媒１３に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするための還元剤供給弁２７とが配置され、これら排気流路２９ａ，２９ｂの他方２９ｂ、即ちバイパス流路２９ｂ内に常時閉鎖型遮断弁４３が配置されている。
【００６５】
この実施例では通常リーン空燃比の排気ガスが上流側ＳＯXトラップ触媒１３内を流通している。一方、上流側ＳＯXトラップ触媒１３に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするときには還元剤供給弁２７から還元剤が供給され、遮断弁４３が開弁せしめられる。この実施例においてもバイパス流路２９ｂ内を流れる排気ガスのリーンの度合は上流側ＳＯXトラップ触媒１３から流出する排気ガスのリッチの度合に比べて大きいので下流側ＳＯXトラップ触媒１４に流入する排気ガスの空燃比はリーンとなる。従ってこの実施例においても上流側ＳＯXトラップ触媒１３から放出されたＳＯXは下流側ＳＯXトラップ触媒１４により確実に捕獲されることになる。
【００６６】
図１２に更に別の実施例を示す。この実施例では内燃機関１の気筒が一対の気筒群２ａ，２ｂに分割されており、各気筒群２ａ，２ｂには夫々別個の排気マニホルド５５ａ，５５ｂが取付けられている。この実施例では各排気マニホルド５５ａ，５５ｂが夫々対応する排気流路５６ａ，５６ｂを介して下流側ＳＯXトラップ触媒１４に連結されており、各排気流路５６ａ，５６ｂ内に夫々上流側ＳＯXトラップ触媒１３ａ，１３ｂが配置されている。
【００６７】
この実施例では上流側ＳＯXトラップ触媒１３ａ，１３ｂからＳＯXを放出すべきときには例えば排気行程中に燃焼室２内に燃料を噴射することにより各上流側ＳＯXトラップ触媒１３ａ，１３ｂに流入する排気ガスの空燃比が交互にリッチにされる。例えば上流側ＳＯXトラップ触媒１３ａに流入する排気ガスの空燃比がリッチにされると上流側ＳＯXトラップ触媒１３ａからＳＯXが放出される。一方、このとき排気流路５６ｂ内にはリーン空燃比の排気ガスが流通しており、この排気ガスのリーンの度合は排気流路５６ａ内を流れる排気ガスのリッチの度合に比べて大きいので下流側ＳＯXトラップ触媒１４に流入する排気ガスの空燃比はリーンとなる。従って上流側ＳＯXトラップ触媒１３から放出されたＳＯXは下流側ＳＯXトラップ触媒１４により確実に捕獲されることになる。
【００６８】
これに対し、上流側ＳＯXトラップ触媒１３ｂに流入する排気ガスの空燃比がリッチにされると上流側ＳＯXトラップ触媒１３ｂからＳＯXが放出される。一方、このとき排気流路５６ａ内にはリーン空燃比の排気ガスが流通しており、この排気ガスのリーンの度合は排気流路５６ｂ内を流れる排気ガスのリッチの度合に比べて大きいので下流側ＳＯXトラップ触媒１４に流入する排気ガスの空燃比はリーンとなる。従ってこの場合も上流側ＳＯXトラップ触媒１３から放出されたＳＯXは下流側ＳＯXトラップ触媒１４により確実に捕獲されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】圧縮着火式内燃機関の全体図である。
【図２】図１に示す上流側ＳＯXトラップ触媒周りの拡大図である。
【図３】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４】パティキュレートフィルタの構造を示す図である。
【図５】ＮＯX吸蔵触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。
【図６】ＳＯXトラップ触媒の基体の表面部分の断面図である。
【図７】ＳＯXトラップ触媒の性質を説明するための図である。
【図８】ＳＯX捕獲量の変化を示すタイムチャートである。
【図９】ＳＯX移動制御を行うためのフローチャートである。
【図１０】ＳＯX排出量のマップを示す図である。
【図１１】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１２】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。
【符号の説明】
【００７０】
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    上流側ＳＯXトラップ触媒
１４    下流側ＳＯXトラップ触媒
１６，１６’    パティキュレートフィルタ
１７，２７，２７ａ，２７ｂ    還元剤供給弁
【図１】
2009228525.tif 000003
【図２】
2009228525.tif 000004
【図３】
2009228525.tif 000005
【図４】
2009228525.tif 000006
【図５】
2009228525.tif 000007
【図６】
2009228525.tif 000008
【図７】
2009228525.tif 000009
【図８】
2009228525.tif 000010
【図９】
2009228525.tif 000011
【図１０】
2009228525.tif 000012
【図１１】
2009228525.tif 000013
【図１２】
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