(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リーン空燃比のもとで継続して燃焼が行われる内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置し、ＮＯＸ触媒を迂回してＮＯＸ触媒上流の排気通路とＮＯＸ触媒下流の排気通路とを互いに接続するバイパス通路を設け、内燃機関から排出されたほぼ全ての排気ガスをＮＯＸ触媒内に導く位置と、内燃機関から排出された排気ガスの一部をＮＯＸ触媒内に導きながら残りの排気ガスをバイパス通路内に導くバイパス位置との間を切替可能な切替弁を具備し、バイパス通路の流入端が開口している排気通路部分とＮＯＸ触媒間の排気通路内に、ＮＯＸ触媒に還元剤を供給するための還元剤供給弁を配置し、ＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウ分を還元し蓄えられているイオウ分の量を減少させるべきときには、切替弁をバイパス位置に一時的に保持しつつ、ＮＯＸ触媒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なるように還元剤供給弁から還元剤を一時的に供給する内燃機関の排気浄化装置において、バイパス通路の流出端が開口する部分よりも下流の排気通路内に酸化能を有する触媒を配置し、切替弁をバイパス位置に保持しつつ還元剤供給弁から還元剤が供給されているときにも該酸化能を有する触媒内に流入する排気ガスの平均空燃比がリーンに維持されており、該酸化能を有する触媒の酸化能をＮＯＸ触媒の酸化能よりも低く定めた内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
排気ガスがＮＯＸ触媒内にその一端面を介し流入しＮＯＸ触媒からその他端面を介し流出するように排気ガスを案内するか、又はＮＯＸ触媒内にその他端面を介し流入しＮＯＸ触媒からその一端面を介し流出するように排気ガスを案内するかを切り替えるための切り替え手段を具備した請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
リーン空燃比のもとで継続して燃焼が行われる内燃機関の排気通路から分岐して環状に延びた後に排気通路に戻る環状通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置し、排気ガスを環状通路の一端に導くと共にこのとき環状通路内を流通した排気ガスが環状通路の他端から環状通路の一端よりも下流の排気通路内に流出する順流位置と、排気ガスを環状通路の他端に導くと共にこのとき環状通路内を流通した排気ガスが環状通路の一端から環状通路の他端よりも下流の排気通路内に流出する逆流位置と、排気ガスの一部を環状通路の一端に導くと共にこのとき環状通路内を流通した排気ガスが環状通路の他端から環状通路の一端よりも下流の排気通路内に流出し、かつ残りの排気ガスが環状通路を迂回して排気通路内を流通する弱順流位置との間を切替可能な切替弁を具備し、前記一端とＮＯＸ触媒間の環状通路内に、ＮＯＸ触媒に還元剤を供給するための還元剤供給弁を配置し、ＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウ分を還元し蓄えられているイオウ分の量を減少させるべきときには、切替弁を弱順流位置に一時的に保持しつつ、ＮＯＸ触媒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なるように還元剤供給弁から還元剤を一時的に供給する内燃機関の排気浄化装置において、環状通路の一端及び他端が開口している部分よりも下流の排気通路内に酸化能を有する触媒を配置し、切替弁を弱順流位置に保持しつつ還元剤供給弁から還元剤が供給されているときにも該酸化能を有する触媒内に流入する排気ガスの平均空燃比がリーンに維持されており、該酸化能を有する触媒の酸化能をＮＯＸ触媒の酸化能よりも低く定めた内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記ＮＯＸ触媒が、流入する排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ上に担持されている請求項１又は３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、リーン空燃比のもとで継続して燃焼が行われる内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置し、ＮＯＸ触媒を迂回してＮＯＸ触媒上流の排気通路とＮＯＸ触媒下流の排気通路とを互いに接続するバイパス通路を設け、内燃機関から排出されたほぼ全ての排気ガスをＮＯＸ触媒内に導く位置と、内燃機関から排出された排気ガスのわずかな一部をＮＯＸ触媒内に導きながら残りの排気ガスをバイパス通路内に導くバイパス位置との間を切替可能な切替弁を具備し、バイパス通路の流入端が開口している排気通路部分とＮＯＸ触媒間の排気通路内に、ＮＯＸ触媒に還元剤を供給するための還元剤供給弁を配置し、ＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウ分例えばＳＯＸを還元し蓄えられているＳＯＸの量を減少させるべきときには、切替弁をバイパス位置に一時的に保持しつつ、ＮＯＸ触媒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なるように還元剤供給弁から還元剤を一時的に供給する内燃機関の排気浄化装置が知られている。切替弁がバイパス位置に保持されると、ＮＯＸ触媒内に流入する排気ガスの量が低減されるのでこの排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチにするために必要な還元剤の量を低減することができる。なお、ＮＯＸ触媒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切り替えられるとＳＯＸはＳＯ２，Ｈ２Ｓの形でＮＯＸ触媒から排出される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、切替弁がバイパス位置に保持されるとこのとき大部分の排気ガスがＮＯＸ触媒を迂回することになり、その結果多量のＨＣ，ＣＯが大気中に排出される恐れがある。
【０００４】
この問題点を解決するために、バイパス通路の流出端が開口する部分よりも下流の排気通路内に酸化能を有する触媒を配置することも可能である。
【０００５】
しかしながら、この酸化能を有する触媒内に流入する排気ガスの平均空燃比がリーンになっていると、このときＮＯＸ触媒から排出されたＳＯ２，Ｈ２Ｓがこの触媒でサルフェートＳＯ３に酸化され、次いでＳＯ３の形で大気中に排出されるという問題点がある。
【０００６】
そこで本発明の目的は、ＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウ分を還元し蓄えられているイオウ分の量を減少させるために必要な還元剤の量を少なく維持しつつ、大気中に排出されるサルフェートの量を低減することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために１番目の発明によれば、リーン空燃比のもとで継続して燃焼が行われる内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置し、ＮＯＸ触媒を迂回してＮＯＸ触媒上流の排気通路とＮＯＸ触媒下流の排気通路とを互いに接続するバイパス通路を設け、内燃機関から排出されたほぼ全ての排気ガスをＮＯＸ触媒内に導く位置と、内燃機関から排出された排気ガスの一部をＮＯＸ触媒内に導きながら残りの排気ガスをバイパス通路内に導くバイパス位置との間を切替可能な切替弁を具備し、バイパス通路の流入端が開口している排気通路部分とＮＯＸ触媒間の排気通路内に、ＮＯＸ触媒に還元剤を供給するための還元剤供給弁を配置し、ＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウ分を還元し蓄えられているイオウ分の量を減少させるべきときには、切替弁をバイパス位置に一時的に保持しつつ、ＮＯＸ触媒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なるように還元剤供給弁から還元剤を一時的に供給する内燃機関の排気浄化装置において、バイパス通路の流出端が開口する部分よりも下流の排気通路内に酸化能を有する触媒を配置し、切替弁をバイパス位置に保持しつつ還元剤供給弁から還元剤が供給されているときにも該酸化能を有する触媒内に流入する排気ガスの平均空燃比がリーンに維持されており、該酸化能を有する触媒の酸化能をＮＯＸ触媒の酸化能よりも低く定めている。
【０００９】
また、２番目の発明によれば１番目の発明において、排気ガスがＮＯＸ触媒内にその一端面を介し流入しＮＯＸ触媒からその他端面を介し流出するように排気ガスを案内するか、又はＮＯＸ触媒内にその他端面を介し流入しＮＯＸ触媒からその一端面を介し流出するように排気ガスを案内するかを切り替えるための切り替え手段を具備している。
【００１０】
また、前記課題を解決するために３番目の発明によれば、リーン空燃比のもとで継続して燃焼が行われる内燃機関の排気通路から分岐して環状に延びた後に排気通路に戻る環状通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量が減少するＮＯＸ触媒を配置し、排気ガスを環状通路の一端に導くと共にこのとき環状通路内を流通した排気ガスが環状通路の他端から環状通路の一端よりも下流の排気通路内に流出する順流位置と、排気ガスを環状通路の他端に導くと共にこのとき環状通路内を流通した排気ガスが環状通路の一端から環状通路の他端よりも下流の排気通路内に流出する逆流位置と、排気ガスの一部を環状通路の一端に導くと共にこのとき環状通路内を流通した排気ガスが環状通路の他端から環状通路の一端よりも下流の排気通路内に流出し、かつ残りの排気ガスが環状通路を迂回して排気通路内を流通する弱順流位置との間を切替可能な切替弁を具備し、前記一端とＮＯＸ触媒間の環状通路内に、ＮＯＸ触媒に還元剤を供給するための還元剤供給弁を配置し、ＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウ分を還元し蓄えられているイオウ分の量を減少させるべきときには、切替弁を弱順流位置に一時的に保持しつつ、ＮＯＸ触媒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なるように還元剤供給弁から還元剤を一時的に供給する内燃機関の排気浄化装置において、環状通路の一端及び他端が開口している部分よりも下流の排気通路内に酸化能を有する触媒を配置し、切替弁を弱順流位置に保持しつつ還元剤供給弁から還元剤が供給されているときにも該酸化能を有する触媒内に流入する排気ガスの平均空燃比がリーンに維持されており、該酸化能を有する触媒の酸化能をＮＯＸ触媒の酸化能よりも低く定めている。
【００１１】
また、４番目の発明によれば１番目又は３番目の発明において、前記ＮＯＸ触媒が、流入する排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ上に担持されている。
【００１２】
なお、本明細書では排気通路の或る位置よりも上流の排気通路、燃焼室、及び吸気通路内に供給された空気と炭化水素ＨＣ及び一酸化炭素ＣＯとの比をその位置における排気ガスの空燃比と称している。
【００１３】
【発明の実施の形態】
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。
【００１４】
図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介して排気ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５に連結される。吸気ダクト１３内にはステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７が配置され、更に吸気ダクト１３周りには吸気ダクト１３内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１８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１８内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
【００１５】
一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９及び排気管２０を介して排気ターボチャージャ１４の排気タービン２１に連結され、排気タービン２１の出口は排気管２０ａを介して触媒コンバータ２２に接続される。
【００１６】
図１と共に図２を参照すると、触媒コンバータ２２はステップモータ６０により駆動される切替弁６１を具備し、この切替弁６１の流入ポート６２に排気管２０ａの出口が接続される。また、流入ポート６２に対向する切替弁６１の流出ポート６３には触媒コンバータ２２の排気ガス排出管６４が接続される。切替弁６１は更に、流入ポート６２及び流出ポート６３を結ぶ直線の両側において互いに対向する一対の流入流出ポート６５，６６を有しており、これら流入流出ポート６５，６６には触媒コンバータ２２の環状排気管６７の両端がそれぞれ接続される。なお、排気ガス排出管６４の出口には排気管２３が接続される。
【００１７】
環状排気管６７は排気ガス排出管６４を貫通して延びており、環状排気管６７の排気ガス排出管６４内に位置する部分にはフィルタ収容室６８が形成される。このフィルタ収容室６８内には排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ６９が収容される。なお、図２において６９ａ及び６９ｂはパティキュレートフィルタ６９の一端面及び他端面をそれぞれ示している。
【００１８】
パティキュレートフィルタ６９の一端面６９ａを含む触媒コンバータ２２の部分縦断面図を示す図２（Ａ）、及び触媒コンバータ２２の部分横断面図を示す図２（Ｂ）に示されるようにパティキュレートフィルタ６９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ガス通路７０，７１を具備する。これら排気ガス通路は一端が開放されかつ他端がシール材７２により閉塞されている排気ガス通路７０と、他端が開放されかつ一端がシール材７３により閉塞されている排気ガス通路７１とにより構成される。なお、図２（Ａ）においてハッチングを付した部分はシール材７３を示している。これら排気ガス通路７０，７１は例えばコージェライトのような多孔質材から形成される薄肉の隔壁７４を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス通路７０，７１は各排気ガス通路７０が４つの排気ガス通路７１によって包囲され、各排気ガス通路７１が４つの排気ガス通路７０によって包囲されるように配置される。
【００１９】
パティキュレートフィルタ６９上には後述するようにＮＯＸ触媒８１が担持されている。一方、切替弁６１の流出ポート６３と環状排気管６７が貫通している部分との間の排気ガス排出管６４内には触媒収容室７５が形成されており、この触媒収容室７５内にはハニカム構造の基材に担持された酸化能を有する触媒７６が収容される。
【００２０】
また、切替弁６１の流入流出ポート６５とパティキュレートフィルタ６９間の環状排気管６７にはパティキュレートフィルタ６９に還元剤を供給するための電気制御式還元剤供給弁７７が取り付けられる。還元剤供給弁７７には電気制御式の還元剤ポンプ７８から還元剤が供給される。本発明による実施例では還元剤として内燃機関の燃料即ち軽油が用いられている。なお、本発明による実施例では流入流出ポート６６とパティキュレートフィルタ６９間の環状排気管６７に還元剤供給弁が配置されていない。
【００２１】
更に図１を参照すると、排気マニホルド１９とサージタンク１２とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２４を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２４内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２５が配置される。また、ＥＧＲ通路２４周りにはＥＧＲ通路２４内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２６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２６内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
【００２２】
一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管６ａを介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２７に連結される。このコモンレール２７内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２８から燃料が供給され、コモンレール２７内に供給された燃料は各燃料供給管６ａを介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２７にはコモンレール２７内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２９が取付けられ、燃料圧センサ２９の出力信号に基づいてコモンレール２７内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２８の吐出量が制御される。
【００２３】
電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５及び出力ポート４６を具備する。燃料圧センサ２９の出力信号は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。パティキュレートフィルタ６９の例えば中心部にはパティキュレートフィルタの温度を検出するための温度センサ４８が取り付けられ、温度センサ４８の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。排気管２０ａには排気管２０ａ内の圧力、即ち機関背圧を検出するための圧力センサ４９が取り付けられ、圧力センサ４９の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また、アクセルペダル５０にはアクセルペダル５０の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ５１が接続され、負荷センサ５１の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。更に入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５２が接続される。
【００２４】
一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して燃料噴射弁６、スロットル弁駆動用ステップモータ１６、ＥＧＲ制御弁２５、燃料ポンプ２８、切替弁駆動用ステップモータ６０、還元剤供給弁７７、及び還元剤剤ポンプ７８にそれぞれ接続される。
【００２５】
切替弁６１は通常、図３（Ｂ）において実線で示される位置と破線で示される位置とのうちいずれか一方に位置せしめられる。切替弁６１が図３（Ｂ）において実線で示される位置に位置せしめられると、流入ポート６２が切替弁６１によって流出ポート６３及び流入流出ポート６６との連通が遮断されながら流入流出ポート６５に連通され、流出ポート６３が切替弁６１によって流入流出ポート６６に連通される。その結果、図３（Ｂ）において実線の矢印で示されるように内燃機関から排出された全ての排気ガスが流入ポート６２及び流入流出ポート６５を順次介して環状排気管６７内に流入し、次いでパティキュレートフィルタ６９を通過した後に流入流出ポート６６及び流出ポート６３を順次介して排気ガス排気出管６４内に流出する。
【００２６】
これに対し、切替弁６１が図３（Ｂ）において破線で示される位置に位置せしめられると、流入ポート６２が切替弁６１によって流出ポート６３及び流入流出ポート６５との連通が遮断されながら流入流出ポート６６に連通され、流出ポート６３が切替弁６１によって流入流出ポート６５に連通される。その結果、図３（Ｂ）において破線の矢印で示されるように内燃機関から排出された全ての排気ガスが流入ポート６２及び流入流出ポート６６を順次介して環状排気管６７内に流入し、次いでパティキュレートフィルタ６９を通過した後に流入流出ポート６５及び流出ポート６３を順次介して排気ガス排出管６４内に流出する。
【００２７】
このように切替弁６１の位置を切り替えることによって環状排気管６７内における排気ガスの流れが反転する。言い換えると、排気ガスがＮＯＸ触媒８１内にその一端面を介し流入しＮＯＸ触媒８１からその他端面を介し流出するように排気ガスを案内するか、又はＮＯＸ触媒８１内にその他端面を介し流入しＮＯＸ触媒８１からその一端面を介し流出するように排気ガスを案内するかを切り替え可能になっている。以下では、図３（Ｂ）において実線で示される排気ガスの流れを順流と称し、破線で示される排気ガスの流れを逆流と称することにする。また、図３（Ｂ）において実線で示される切替弁６１の位置を順流位置と称し、破線で示される切替弁６１の位置を逆流位置と称する。
【００２８】
流出ポート６６を介し排気ガス排出管６４内に流出した排気ガスは図３（Ａ）及び（Ｂ）に示されるように、次いで触媒７６を通過し、環状排気管６７の外周面に沿いつつ進行した後に排気管２３内に流出する。
【００２９】
パティキュレートフィルタ６９における排気ガスの流れを説明すると、順流時には排気ガスは一端面６９ａを介しパティキュレートフィルタ６９内に流入し、他端面６９ｂを介しパティキュレートフィルタ６９から流出する。このとき、排気ガスは一端面６９ａ内に開口している排気ガス通路７０内に流入し、次いで周囲の隔壁７４内を通って隣接する排気ガス通路７１内に流出する。一方、逆流時には排気ガスは他端面６９ｂを介しパティキュレートフィルタ６９内に流入し、一端面６９ａを介しパティキュレートフィルタ６９から流出する。このとき、排気ガスは他端面６９ｂ内に開口している排気ガス通路７１内に流入し、次いで周囲の隔壁７４内を通って隣接する排気ガス通路７０内に流出する。
【００３０】
パティキュレートフィルタ６９の隔壁７４上即ち例えば隔壁７４の両側面及び細孔内壁面上には、図４に示されるようにＮＯＸ触媒８１がそれぞれ担持されている。このＮＯＸ触媒８１は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、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と、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ、イリジウムＩｒのような貴金属とが担持されている。
【００３１】
ＮＯＸ触媒は流入する排気ガスの平均空燃比がリーンのときにはＮＯＸを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯＸを還元して蓄えているＮＯＸの量を減少させる蓄積還元作用を行う。
【００３２】
ＮＯＸ触媒の蓄積還元作用の詳細なメカニズムについては完全には明らかにされていない。しかしながら、現在考えられているメカニズムを、担体上に白金Ｐｔ及びバリウムＢａを担持させた場合を例にとって簡単に説明すると次のようになる。
【００３３】
即ち、ＮＯＸ触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもかなりリーンになると流入する排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大し、酸素Ｏ２がＯ２−又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入する排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ２−又はＯ２−と反応し、ＮＯ２となる（ＮＯ＋Ｏ２→ＮＯ２＋Ｏ＊、ここでＯ＊は活性酸素）。次いで生成されたＮＯ２の一部は白金Ｐｔ上でさらに酸化されつつＮＯＸ触媒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触媒内に拡散する。このようにしてＮＯＸがＮＯＸ触媒内に蓄えられる。
【００３４】
これに対し、ＮＯＸ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ又は理論空燃比になると、排気ガス中の酸素濃度が低下してＮＯ２の生成量が低下し、反応が逆方向（ＮＯ３−→ＮＯ＋２Ｏ＊）に進み、斯くしてＮＯＸ触媒内の硝酸イオンＮＯ３−がＮＯの形でＮＯＸ触媒から放出される。この放出されたＮＯＸは排気ガス中に還元剤即ちＨＣ，ＣＯが含まれているとこれらＨＣ，ＣＯと反応して還元せしめられる。このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯＸが存在しなくなるとＮＯＸ触媒から次から次へとＮＯＸが放出されて還元され、ＮＯＸ触媒内に蓄えられているＮＯＸの量が次第に減少する。
【００３５】
なお、硝酸塩を形成することなくＮＯＸを蓄え、ＮＯＸを放出することなくＮＯＸを還元することも可能である。また、活性酸素Ｏ＊に着目すれば、ＮＯＸ触媒はＮＯＸの蓄積及び放出に伴って活性酸素Ｏ＊を生成する活性酸素生成触媒と見ることもできる。
【００３６】
一方、比較的小容量の触媒７６はアルカリ金属、アルカリ土類、及び希土類を含むことなく貴金属例えば白金Ｐｔを含む貴金属触媒から形成される。しかしながら、触媒７６を上述したＮＯＸ触媒から形成してもよい。
【００３７】
ここで、触媒７６の酸化能がＮＯＸ触媒８１の酸化能よりも低くされている。即ち、例えばＨＣ，ＣＯの浄化率を５０％にするのに必要な触媒７６の温度がＮＯＸ触媒８１におけるよりも高くなっている。これを達成するには、触媒７６における単位容積当たりの白金担持量をＮＯＸ触媒８１におけるよりも少なくしたり、触媒７６のハニカム担体の排気ガス通路の数をＮＯＸ触媒８１におけるよりも少なくしたり、或いは触媒７６の容量をＮＯＸ触媒８１におけるよりも小さくしたりすることができる。
【００３８】
上述したように順流時であろうと逆流時であろうと排気ガスはパティキュレートフィルタ６９を通過する。また、図１に示される内燃機関はリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われており、従ってパティキュレートフィルタ６９内に流入する排気ガスの空燃比はリーンに維持されている。その結果、排気ガス中のＮＯＸはパティキュレートフィルタ６９上のＮＯＸ触媒８１内に蓄えられる。
【００３９】
時間の経過と共にＮＯＸ触媒８１内の蓄積ＮＯＸ量は次第に増大する。そこで本発明による実施例では、例えばＮＯＸ触媒８１内の蓄積ＮＯＸ量が許容量を越えたときにはＮＯＸ触媒８１内に蓄えられているＮＯＸを還元しＮＯＸ触媒８１内の蓄積ＮＯＸ量を減少させるために還元剤供給弁７７からＮＯＸ触媒８１に還元剤即ち還元剤を一時的に供給するようにしている。この場合、ＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスの空燃比が一時的にリッチに切り替えられる。
【００４０】
一方、排気ガス中に含まれる主に炭素の固体からなる微粒子はパティキュレートフィルタ６９上に捕集される。即ち、概略的に説明すると、順流時には排気ガス通路７０側の隔壁７４の側面上及び細孔内に微粒子が捕集され、逆流時には排気ガス通路７１側の隔壁７４の側面上及び細孔内に微粒子が捕集される。図１に示される内燃機関はリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われており、また、ＮＯＸ触媒８１は酸化能を有しているので、パティキュレートフィルタ６９の温度が微粒子を酸化しうる温度、例えば２５０℃以上に維持されていれば、パティキュレートフィルタ６９上で微粒子が酸化せしめられ除去される。
【００４１】
この場合、上述したＮＯＸ触媒８１のＮＯＸの蓄積還元メカニズムによれば、ＮＯＸ触媒８１内にＮＯＸが蓄えられるときにもＮＯＸが放出されるときにも活性酸素が生成される。この活性酸素は酸素Ｏ２よりも活性が高く、従ってパティキュレートフィルタ６９上に堆積している微粒子を速やかに酸化する。即ち、パティキュレートフィルタ６９上にＮＯＸ触媒８１を担持させると、パティキュレートフィルタ６９内に流入する排気ガスの空燃比がリーンであろうとリッチであろうとパティキュレートフィルタ６９上に堆積している微粒子が酸化される。このようにして微粒子が連続的に酸化される。
【００４２】
ところが、パティキュレートフィルタ６９の温度が微粒子を酸化しうる温度に維持されなくなるか又は単位時間当たりにパティキュレートフィルタ６９内に流入する微粒子の量がかなり多くなると、パティキュレートフィルタ６９上に堆積する微粒子の量が次第に増大し、パティキュレートフィルタ６９の圧損が増大する。
【００４３】
そこで本発明による実施例では、例えばパティキュレートフィルタ６９上の堆積微粒子量が許容最大量を越えたときには切替弁６１を順流位置から逆流位置に又はその逆に切り替えると共に、パティキュレートフィルタ６９に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつパティキュレートフィルタ６９の温度を６００℃以上まで上昇し次いで６００℃以上に維持する昇温制御が行われる。この昇温制御が行われるとパティキュレートフィルタ６９上に堆積した微粒子が着火燃焼せしめられ除去される。この場合、排気ガスの流れが反転されているので、微粒子が燃焼することにより形成される灰がパティキュレートフィルタ６９から容易に除去される。なお、図１に示される内燃機関では、切替弁６１が順流位置又は逆流位置に保持されているときに圧力センサ４９により検出される機関背圧が許容値を越えたときにパティキュレートフィルタ６９上の堆積微粒子量が許容最大量を越えたと判断される。
【００４４】
ここで、パティキュレートフィルタ６９は環状排気管６７のほぼ中央部に配置されており、即ち切替弁６１の流入ポート６２からパティキュレートフィルタ６９までの距離と、パティキュレートフィルタ６９から流出ポート６３までの距離とが切替弁６１が順流位置にあるときと逆流位置にあるときとでほとんど変わらない。このことはパティキュレートフィルタ６９の状態例えば温度が切替弁６１が順流位置にあるときと逆流位置にあるときとでほとんど変わらないことを意味しており、従って切替弁６１の位置に応じた特別な制御を必要としない。
【００４５】
ところで、排気ガス中にはイオウ分がＳＯＸの形で含まれており、ＮＯＸ触媒８１内にはＮＯＸばかりでなくＳＯＸも蓄えられる。このＳＯＸのＮＯＸ触媒８１内への蓄積メカニズムはＮＯＸの蓄積メカニズムと同じであると考えられる。即ち、担体上に白金Ｐｔ及びバリウムＢａを担持させた場合を例にとって簡単に説明すると、ＮＯＸ触媒８１に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには上述したように酸素Ｏ２がＯ２−又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着しており、流入する排気ガス中のＳＯ２は白金Ｐｔの表面上でＯ２−又はＯ２−と反応し、ＳＯ３となる。次いで生成されたＳＯ３は白金Ｐｔ上でさらに酸化されつつＮＯＸ触媒８１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触媒８１内に拡散する。この硫酸イオンＳＯ４−は次いでバリウムイオンＢａ＋と結合して硫酸塩ＢａＳＯ４を生成する。
【００４６】
この硫酸塩ＢａＳＯ４は分解しにくく、ＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスの空燃比をただ単にリッチにしてもＮＯＸ触媒８１内の硫酸塩ＢａＳＯ４の量は減少しない。このため、時間が経過するにつれてＮＯＸ触媒８１内の硫酸塩ＢａＳＯ４の量が増大し、その結果ＮＯＸ触媒８１が蓄えうるＮＯＸの量が減少することになる。
【００４７】
そこで本発明による実施例では、例えばＮＯＸ触媒８１内の蓄積ＳＯＸ量が許容量を越えたときにはＮＯＸ触媒８１内のＳＯＸを還元し蓄積ＳＯＸ量を減少させる還元処理を行うようにしている。次にこの還元処理を図５及び図６を参照して説明する。
【００４８】
図５は還元処理を実行するためのルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。
【００４９】
図５を参照すると、まずステップ１００では還元処理を行うべきか否か、例えば例えばＮＯＸ触媒８１内の蓄積ＳＯＸ量が許容量を越えたか否かが判別される。還元処理を行うべきでないときにはステップ１０５にジャンプし、通常処理が継続される。還元処理を行うべきときには次いでステップ１０１に進み、ＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつＮＯＸ触媒８１の温度を５５０℃まで上昇させ次いで５５０℃に維持する昇温制御が行われる。続くステップ１０２では切替弁６１が図６に示される弱順流位置に切り替えられ保持される。続くステップ１０３では、ＮＯＸ触媒８１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なるように還元剤供給弁７７からＮＯＸ触媒８１に還元剤が供給される。
【００５０】
このようにＮＯＸ触媒８１の温度を５５０℃以上に維持しつつＮＯＸ触媒８１に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチにすると、ＮＯＸ触媒８１内の硫酸塩ＢａＳＯ４が分解してＳＯ３の形でＮＯＸ触媒８１から放出される。この放出されたＳＯ３は排気ガス中に還元剤即ちＨＣ，ＣＯが含まれているとこれらＨＣ，ＣＯと反応してＳＯ２，Ｈ２Ｓに還元せしめられる。このようにしてＮＯＸ触媒８１内に蓄えられているＳＯＸの量が次第に減少し、このときＮＯＸ触媒８１からＳＯＸがＳＯ３の形で流出することがない。
【００５１】
ここで、切替弁６１が弱順流位置に保持されると、図６に矢印で示されるように内燃機関から排出された排気ガスの大部分が流入ポート６２から流出ポート６３を介し直接的に排気ガス排出管６４内に流出し即ちＮＯＸ触媒８１を迂回し、残りのわずかな一定量の排気ガスが流入流出ポート６５を介し環状排気管６７内に流入し、次いでＮＯＸ触媒８１内を順流方向に流通する。即ち、切替弁６１を弱順流位置に保持すると、切替弁６１が順流位置又は逆流位置に保持された場合に比べてＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスの量が低減され、ＮＯＸ触媒８１における排気ガスの空間速度が低下する。
【００５２】
その結果、ＮＯＸ触媒８１内に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチにするのに必要な還元剤の量を低減することができる。また、ＮＯＸ触媒８１に供給された還元剤のＮＯＸ触媒８１内における滞留時間が長くなり、従って還元剤がＳＯＸ還元のために有効に利用されうる。
【００５３】
続くステップ１０４では還元剤が供給されてから一定時間が経過したか否かが判別される。一定時間が経過したときには次いでステップ１０５に進み、通常制御が再開される。
【００５４】
このように切替弁６１が弱順流位置に保持されると、触媒７６内には、流入流出ポート６１から直接的に排気ガス排出管６４内に流入した排気ガスと、ＮＯＸ触媒８１から排出された排気ガスとが流入し、このとき触媒７６内に流入する排気ガスの平均空燃比はリーンになっている。この場合、触媒７６内にＮＯＸ触媒８１から排出されたＳＯ２，Ｈ２Ｓが流入する。
【００５５】
しかしながら本発明による実施例では、触媒７６の酸化能が低く設定されており、その結果ＳＯ２，Ｈ２Ｓが触媒７６内でサルフェートＳＯ３に酸化されにくくなっている。このようにして大気中に排出されるサルフェートの量が低減されている。
【００５６】
図７は本発明による別の実施例を示している。
【００５７】
この実施例では、排気管２０ａの出口にケーシング１６８が接続され、このケーシング１６８内にＮＯＸ触媒８１を担持したパティキュレートフィルタ６９が収容されている。ケーシング１６８の出口は排気管１２３を介しケーシング１７５に接続され、このケーシング１７５内に触媒７６が収容されている。
【００５８】
排気管２０ａからバイパス管１８５が分岐されており、このバイパス管１８５の流出端は排気管１２３内に開口している。また、バイパス管１８５の流入端が開口している排気管２０ａの部分には切替弁１６１が配置されている。この切替弁１６１は図７に実線で示されるように、バイパス管１８５を遮断して内燃機関から排出されたほぼ全ての排気ガスをＮＯＸ触媒８１内に導く通常位置と、図７に破線で示されるように内燃機関から排出された排気ガスのわずかな一部をＮＯＸ触媒８１内に導きながら残りの排気ガスをバイパス管１８５内に導くバイパス位置との間を切替可能になっている。
【００５９】
更に、切替弁１６１とＮＯＸ触媒８１との間の排気管２０ａ内には還元剤供給弁７７が配置されている。
【００６０】
切替弁１６１は通常、通常位置に保持されている。ＮＯＸ触媒８１内のＳＯＸを還元し蓄積ＳＯＸ量を減少させるべきときには切替弁１６１がバイパス位置に一時的に切り替えられ、ＮＯＸ触媒８１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なるように還元剤供給弁７７から還元剤が供給される。
【００６１】
このときＮＯＸ触媒８１から排出されたＳＯ２，Ｈ２Ｓは次いで触媒７６内に流入する。一方、触媒７６内にはバイパス管１８５内を流通した排気ガスも流入し、従って触媒７６内に流入する排気ガスの平均空燃比はリーンになっている。しかしながら、触媒７６の酸化能が低く設定されており、この場合にもサルフェートＳＯ３が生成されにくくなっている。
【００６２】
【発明の効果】
ＮＯＸ触媒内に蓄えられているイオウ分を還元し蓄えられているイオウ分の量を減少させるために必要な還元剤の量を少なく維持しつつ、大気中に排出されるサルフェートの量を低減するすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】触媒コンバータの構造を示す図である。
【図３】切替弁が順流位置又は逆流位置にあるときの排気ガスの流れを説明するための図である。
【図４】パティキュレートフィルタの隔壁の部分拡大断面図である。
【図５】還元処理を実行するためのフローチャートである。
【図６】切替弁が弱順流位置にあるときの排気ガスの流れを説明するための図である。
【図７】本発明による別の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１…機関本体
２０ａ…排気管
２２…触媒コンバータ
６１…切替弁
６４…排気ガス排出管
６７…環状排気管
７６…触媒
７７…還元剤供給弁
８１…ＮＯＸ触媒
【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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