内燃機関の排気浄化装置
【課題】新規な方法で効率的にパティキュレートフィルタを昇温させて再生処理をする。
【解決手段】ＳＯxトラップ触媒２０及びＮＯx吸蔵還元触媒２２を有し、これら触媒より排気通路下流にパティキュレートフィルタ２５を配置した内燃機関において、ＳＯxトラップ触媒２０下流排気通路から分岐してＮＯx吸蔵還元触媒２２を迂回してパティキュレートフィルタ２５上流排気通路へ合流するバイパス通路３０と、バイパス通路３０入口に配置され、ＳＯxトラップ触媒２０から流出した排気ガスをＮＯx吸蔵還元触媒２２へ導くバイパス閉位置及びバイパス通路内に導くバイパス開位置間で切替可能な切替弁３１とを更に具備し、ＳＯxトラップ触媒２０がＳＯx放出温度以上となって捕集したＳＯxを放出するとき、切替弁３１がバイパス開位置に切り替えられ、バイパス通路３０を通った排気ガスがパティキュレートフィルタ２５を昇温させて再生処理を行う。
【解決手段】ＳＯxトラップ触媒２０及びＮＯx吸蔵還元触媒２２を有し、これら触媒より排気通路下流にパティキュレートフィルタ２５を配置した内燃機関において、ＳＯxトラップ触媒２０下流排気通路から分岐してＮＯx吸蔵還元触媒２２を迂回してパティキュレートフィルタ２５上流排気通路へ合流するバイパス通路３０と、バイパス通路３０入口に配置され、ＳＯxトラップ触媒２０から流出した排気ガスをＮＯx吸蔵還元触媒２２へ導くバイパス閉位置及びバイパス通路内に導くバイパス開位置間で切替可能な切替弁３１とを更に具備し、ＳＯxトラップ触媒２０がＳＯx放出温度以上となって捕集したＳＯxを放出するとき、切替弁３１がバイパス開位置に切り替えられ、バイパス通路３０を通った排気ガスがパティキュレートフィルタ２５を昇温させて再生処理を行う。
【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を還元浄化するＮＯx吸蔵還元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下で燃焼が行われているときに発生するＮＯxがＮＯx吸蔵還元触媒に吸蔵される。一方、ＮＯx吸蔵還元触媒の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吸蔵還元触媒からＮＯxが還元浄化される。
【０００３】
ところで燃料及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。このＳＯxはＮＯxと共にＮＯx吸蔵還元触媒に吸蔵される。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吸蔵還元触媒から放出されず、従ってＮＯx吸蔵還元触媒に吸蔵されているＳＯxの量が次第に増大していく（以下、イオウ被毒という）。その結果としてＮＯx吸蔵還元触媒に吸蔵しうるＮＯx量が次第に減少してしまう。
【０００４】
そこでＮＯx吸蔵還元触媒にＳＯxが吸蔵されるのを阻止するためにＮＯx吸蔵還元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圧縮着火式内燃機関が公知である（特許文献１参照）。この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を捕集し、捕集された総ＳＯx量が所定値以上となったとき、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共にＳＯxトラップ触媒の温度をＳＯx放出温度以上に昇温させ、捕集したＳＯxを放出させることでＳＯx捕集能力を回復させている。こうして放出されたＳＯxを含む排気ガスは、バイパス通路を経由することでＮＯx吸蔵還元触媒を迂回し、イオウ被毒が防止される。
【０００５】
さらにこの内燃機関においては、排気ガス中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタを、排気ガスによって昇温させやすいようにこれら触媒の上流に配置し、さらに流入する排気ガスの酸素濃度を制御することによって、粒子状物質の酸化除去を行って再生するようにしている。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３０３８７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、パティキュレートフィルタはその熱容量が大きいため排気温度がなかなか排気通路下流まで伝播せず、ＳＯxトラップ触媒及びＮＯx吸蔵還元触媒をそれらの活性温度まで昇温させるのに時間がかかるため、十分な浄化性能が得られないという問題がある。
【０００８】
そこで本発明は、ＳＯxトラップ触媒及びＮＯx吸蔵還元触媒を有し、これら触媒より排気通路下流にパティキュレートフィルタを配置した内燃機関において、新規な方法で効率的にパティキュレートフィルタを昇温させて再生処理を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】
前記課題を解決するために請求項１に記載の発明によれば、機関排気通路内に配置され、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を捕集する第一のＳＯxトラップ触媒であって、該第一のＳＯxトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチの下で当該第一のＳＯxトラップ触媒の温度がＳＯx放出温度以上であれば捕集したＳＯxを放出する性質を有する第一のＳＯxトラップ触媒と、第一のＳＯxトラップ触媒下流排気通路内に配置され、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を還元浄化するＮＯx吸蔵還元触媒と、ＮＯx吸蔵還元触媒下流排気通路内に配置され、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタとを具備する内燃機関において、第一のＳＯxトラップ触媒下流排気通路から分岐してＮＯx吸蔵還元触媒を迂回してパティキュレートフィルタ上流排気通路へ合流する第一のバイパス通路と、第一のバイパス通路入口に配置され、第一のＳＯxトラップ触媒から流出した排気ガスをＮＯx吸蔵還元触媒へ導くバイパス閉位置及び第一のバイパス通路内に導くバイパス開位置間で切替可能な第一の切替弁とを更に具備し、第一のＳＯxトラップ触媒がＳＯx放出温度以上となって捕集したＳＯxを放出するとき、第一の切替弁がバイパス開位置に切り替えられ、第一のバイパス通路を通った排気ガスがパティキュレートフィルタを昇温させて再生処理を行う内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１０】
請求項１に記載の発明では、ＳＯxトラップ触媒をＳＯx放出温度まで昇温させることでＳＯx放出処理を行い、バイパス通路を通ることによって温度低下が抑えられた高温の排気ガスがパティキュレートフィルタに流入し、パティキュレートフィルタを短時間で効率的に再生温度まで昇温させることが可能となる。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明によれば請求項１に記載の発明において、ＮＯx吸蔵還元触媒上流排気通路内であって第一の切替弁下流に配置された第二のＳＯxトラップ触媒を更に具備し、第二のＳＯxトラップ触媒が第一のＳＯxトラップ触媒に比べて捕集したＳＯxを放出し難い性質を有する内燃機関の排気浄化装置が提供される。即ち、請求項２に記載の発明では、ＮＯx吸蔵還元触媒排気通路上流にＳＯxトラップ触媒を更に配置することで、切替弁から漏れたＳＯxがＮＯx吸蔵還元触媒に流入することを確実に防止することが可能となる。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明によれば請求項１又は２に記載の発明において、第一のＳＯxトラップ触媒上流排気通路から分岐して第一のＳＯxトラップ触媒及び第一の切替弁を迂回して第一の切替弁下流排気通路内へ合流する第二のバイパス通路と、第二のバイパス通路入口に配置され、内燃機関の排気ガスのほぼ全てを第一のＳＯxトラップ触媒へ導くバイパス閉位置及び内燃機関の排気ガスの一部のみを第二のバイパス通路内に導くバイパス開位置間で切替可能な第二の切替弁とを更に具備し、第一の切替弁がバイパス開位置に切り替えられるとき第二の切替弁もバイパス開位置に切り替えられ、第一の切替弁がバイパス閉位置に切り替えられるとき第二の切替弁もバイパス閉位置に切り替えられる内燃機関の排気浄化装置が提供される。即ち、第二のバイパス通路からリーン空燃比の排気ガスが供給されることによって、ＳＯxの捕集が促進されるという効果を奏する。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明によれば請求項１から３のいずれか１つに記載の発明において、パティキュレートフィルタ上流排気通路内に配置された酸化触媒を更に具備する内燃機関の排気浄化装置が提供される。即ち、パティキュレートフィルタの床温度が再生温度に満たない場合に、酸化触媒の酸化反応を利用することによって昇温させることが可能となる。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明によれば請求項４に記載の発明において、酸化触媒上流排気通路内に還元剤を供給する還元剤供給手段を更に具備する内燃機関の排気浄化装置が提供される。即ち、還元剤供給手段から供給された還元剤が酸化触媒と酸化反応することによって排気ガスを昇温させ、それによってパティキュレートフィルタを昇温させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
各請求項に記載の発明によれば、新規な方法で効率的にパティキュレートフィルタを昇温させて再生処理を行うことができるという共通の効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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内にそれぞれ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それぞれ示す。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に示される実施形態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。
【００１７】
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１２を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１２内には電気制御式ＥＧＲ制御弁１３が配置される。また、ＥＧＲ通路１２周りにはＥＧＲ通路１２内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１４が配置される。図１に示される実施形態では機関冷却水が冷却装置１４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１５を介してコモンレール１６に連結される。このコモンレール１６内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ１７から燃料が供給され、コモンレール１６内に供給された燃料は各燃料供給管１５を介して燃料噴射弁３に供給される。
【００１８】
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１９内にはＳＯxトラップ触媒２０が配置されている。さらに、ＳＯxトラップ触媒２０の出口は排気管２１を介してＮＯx吸蔵還元触媒２２に連結され、ＮＯx吸蔵還元触媒２２の出口が排気管２３を介して酸化触媒２４及びパティキュレートフィルタ２５に連結され、パティキュレートフィルタ２５の出口が排気管２６に連結されている。ＳＯxトラップ触媒２０の上流排気通路１９内、排気管２１内及び排気管２３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２７，２８，２９がそれぞれ取付けられる。そして、排気管２１からバイパス通路３０が分岐しＮＯx吸蔵還元触媒２２を迂回して排気管２３に合流している。排気管２１に設けられたバイパス通路３０の入口の開口には、切替弁３１が配置されている。切替弁３１は、図１に破線で示されるように、ＳＯxトラップ触媒２０から流出した排気ガスをそのままＮＯx吸蔵還元触媒２２へ導くバイパス閉位置と、図１に実線で示されるように、排気管２１を閉鎖してＳＯxトラップ触媒２０から流出した排気ガスをバイパス通路３０内に導くバイパス開位置との間で図示しないアクチュエータによって切替可能となっている。切替弁３１は通常、バイパス閉位置に保持されている。
【００１９】
電子制御ユニット５０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス５１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）５２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）５３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）５４、入力ポート５５及び出力ポート５６を具備する。ＳＯxトラップ触媒２０、ＮＯx吸蔵還元触媒２２及びパティキュレートフィルタ２５にはそれぞれの床温度を検出するための温度センサ３２，３３，３４が取り付けられる。これらの温度センサ３２，３３，３４及びエアフローメータ８の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器５７を介して入力ポート５５に入力される。また、パティキュレートフィルタ２５にはパティキュレートフィルタ２５の前後差圧を検出するための差圧センサ３５が取付けられており、この差圧センサ３５の出力信号は対応するＡＤ変換器５７を介して入力ポート５５に入力される。
【００２０】
アクセルペダル５９にはアクセルペダル５９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６０が接続され、負荷センサ６０の出力電圧は対応するＡＤ変換器５７を介して入力ポート５５に入力される。更に入力ポート５５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６１が接続される。一方、出力ポート５６は対応する駆動回路５８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０及び切替弁３１駆動用ステップモータ、還元剤供給弁２７，２８，２９、ＥＧＲ制御弁１３及び燃料ポンプ１７に接続される。
【００２１】
次に図２（Ａ）及び（Ｂ）を参照しつつパティキュレートフィルタ２５の構造について説明する。図２（Ａ）はパティキュレートフィルタ２５の正面図を示しており、図２（Ｂ）はパティキュレートフィルタ２５の側面断面図を示している。図２（Ａ）及び（Ｂ）に示されるようにパティキュレートフィルタ２５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６５，６６を具備する。これら排気流通路は下流端が栓６７により閉塞された排気ガス流入通路６５と、上流端が栓６８により閉塞された排気ガス流出通路６６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栓６８を示している。従って排気ガス流入通路６５及び排気ガス流出通路６６は薄肉の隔壁６９を介して交互に配置される。言い換えると排気ガス流入通路６５及び排気ガス流出通路６６は各排気ガス流入通路６５が４つの排気ガス流出通路６６によって包囲され、各排気ガス流出通路６６が４つの排気ガス流入通路６５によって包囲されるように配置される。
【００２２】
パティキュレートフィルタ２５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６５内に流入した排気ガスは図２（Ｂ）において矢印で示されるように周囲の隔壁６９内を通って隣接する排気ガス流出通路６６内に流出する。このとき排気ガス中に含まれる粒子状物質が隔壁６９上に捕集される。捕集された一部の粒子状物質は隔壁６９上で酸化除去され、残りの粒子状物質は隔壁６９上に堆積する。
【００２３】
隔壁６９上に堆積した粒子状物質はパティキュレートフィルタ２５を昇温させることによって時折酸化除去され、それによってパティキュレートフィルタ２５が再生される。本発明による実施例ではパティキュレートフィルタ２５の再生時に堆積した粒子状物質を容易に酸化除去するためにパティキュレートフィルタ２５上流排気通路内に酸化触媒２４が配置されている。昇温方法については後述する。
【００２４】
次にＮＯx吸蔵還元触媒について説明する。ＮＯx吸蔵還元触媒２２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３はこの触媒担体７０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７０の表面上には貴金属触媒７１が分散して担持されており、更に触媒担体７０の表面上にはＮＯx吸収剤７２の層が形成されている。
【００２５】
本発明による実施例では貴金属触媒７１として白金Ｐｔが用いられており、ＮＯx吸収剤７２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。
【００２６】
機関吸気通路、燃焼室２、及びＳＯxトラップ触媒２０上流排気通路１９内及びＮＯx吸蔵還元触媒２２上流排気管２１内に供給された空気及び燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比と称すると、ＮＯx吸収剤７２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を還元放出するＮＯxの吸放出作用を行う。
【００２７】
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７２のＮＯx吸収能力が飽和してしまい、ＮＯx吸収剤７２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７２の吸収能力が飽和する前に還元剤供給弁２８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７２からＮＯxを放出させるようにしている。
【００２８】
ところで排気ガス中にはＳＯx、例えばＳＯ2が含まれており、このＳＯ2がＮＯx吸蔵還元触媒２２に流入するとこのＳＯ2は白金Ｐｔ７１において酸化されてＳＯ3となる。次いでこのＳＯ3はＮＯx吸収剤７２内に吸収されて炭酸化バリウムＢａＣＯ3と結合しながら、硫酸イオンＳＯ42-の形でＮＯx吸収剤７２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７２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７２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、時間が経過するにつれてＮＯx吸収剤７２が吸収しうるＮＯx量が低下することになる。
【００２９】
ところでこの場合、ＮＯx吸蔵還元触媒２２の温度を６００℃以上のＳＯx放出温度まで上昇させた状態でＮＯx吸蔵還元触媒２２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７２からＳＯxが放出される。ただし、この場合ＮＯx吸収剤７２からは少しずつしかＳＯxが放出されない。従ってＮＯx吸収剤７２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、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。
【００３０】
そこで本実施例ではＮＯx吸蔵還元触媒２２の上流にＳＯxトラップ触媒２０を配置してこのＳＯxトラップ触媒２０により排気ガス中に含まれるＳＯxを捕集し、それによってＮＯx吸蔵還元触媒２２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２０について説明する。
【００３１】
このＳＯxトラップ触媒２０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２０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。図４はこの基体７５の表面部分の断面を図解的に示している。図４に示されるように基体７５の表面上にはコート層７６が形成されており、このコート層７６の表面上には貴金属触媒７７が分散して担持されている。
【００３２】
本発明による実施例では貴金属触媒７７として白金が用いられており、コート層７６を構成する成分としては例えば、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から選ばれた少なくとも一つにより構成されている。或いは、強塩基性のカリウム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により構成されていてもよい。
【００３３】
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４に示されるように排気ガス中に含まれるＳＯ2は貴金属触媒７７においてＳＯ3に酸化され、次いでコート層７６内に捕集される。コート層７６内に捕集されたＳＯ3は硫酸イオンＳＯ42-の形でコート層７６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及びＳＯ3は図４に示されるように直接コート層７６内に捕集される。
【００３４】
ＳＯxトラップ触媒２０は、ＳＯxトラップ触媒２０の温度を例えば６００℃以上であるＳＯx放出温度に昇温させた状態で、ＳＯxトラップ触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすると捕集したＳＯxをＳＯ2の形で放出する性質を有する。
【００３５】
さて、上述したように通常運転時には、切替弁３１はバイパス閉位置に保持されていると共にＳＯxトラップ触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーンに維持されている。従って、排気ガスに含まれるＳＯxは全てＳＯxトラップ触媒２０に捕集されるため、下流にあるＮＯx吸蔵還元触媒２２にＳＯxは流入しない。
【００３６】
ところが、排気ガス中に含まれるＳＯxのうちでＳＯxトラップ触媒２０に捕集されるＳＯxの割合をＳＯxトラップ率と称すると、初めは１００パーセントに近いＳＯxトラップ率は、時間の経過と共に急速に低下してしまう。ＳＯxトラップ率が低下すると、ＳＯxトラップ触媒２０によって捕集しきれなかったＳＯxがＮＯx吸蔵還元触媒２２に流入してしまう。
【００３７】
そこで、本実施形態では、ＳＯxトラップ触媒２０に捕集されたＳＯx量ΣＳＯＸを推定し、ＳＯxトラップ触媒２０に捕集されたＳＯx量ΣＳＯＸが予め定められた量を超えたときにＳＯxトラップ率が予め定められた率よりも低下したと判断し、切替弁３１をバイパス開位置に切り替えてＳＯxトラップ触媒２０から流出した排気ガスがＮＯx吸蔵還元触媒２２を迂回するようにしている。
【００３８】
ここで、燃料中には或る割合でイオウが含まれており、従って排気ガス中に含まれるＳＯx量、即ちＳＯxトラップ触媒２０に捕集されるＳＯx量は燃料噴射量に比例する。燃料噴射量は要求トルク及び機関回転数の関数であり、従ってＳＯxトラップ触媒２０に捕集されるＳＯx量も要求トルク及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２０に単位時間当り捕集されるＳＯx量ＳＯＸＡが要求トルクＴＱ及び機関回転数Ｎの関数として図５（Ａ）に示されるようなマップの形で予めＲＯＭ５２内に記憶されている。
【００３９】
また、潤滑油内にも或る割合でイオウが含まれており、燃焼室２内で燃焼する潤滑油量、即ち排気ガス中に含まれていてＳＯxトラップ触媒２０に捕集されるＳＯx量も要求トルク及び機関回転数の関数となる。本発明による実施例では潤滑油に含まれていてＳＯxトラップ触媒２０に単位時間当り捕集されるＳＯx量ＳＯＸＢが要求トルクＴＱ及び機関回転数Ｎの関数として図５（Ｂ）に示されるようなマップの形で予めＲＯＭ５２内に記憶されており、ＳＯx量ＳＯＸＡ及びＳＯx量ＳＯＸＢの和を積算することによってＳＯxトラップ触媒２０に捕集されているＳＯx量ΣＳＯＸが算出される。
【００４０】
切替弁３１をバイパス開位置に切り替えたとき、低下したＳＯxトラップ率を回復させるべくＳＯx放出処理を行う。即ち、ＳＯxトラップ触媒２０の温度をＳＯx放出温度まで昇温させた状態で、還元剤供給弁２７から還元剤を供給することによって、ＳＯxトラップ触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリーンからリッチにして捕集されたＳＯxを放出させる。或いは還元剤供給弁２７を用いない空燃比の制御方法として、排気行程中に燃焼室２内に燃料を噴射することによって、ＳＯxトラップ触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリーンからリッチにすることも可能である。ただし、ＳＯxトラップ触媒２０から流出される排気ガスが深いリッチになると後述するパティキュレートフィルタの再生処理が効率良くできないため、ＳＯxトラップ触媒２０から流出される排気ガスの空燃比が深いリッチにならないようにする必要がある。
【００４１】
図６はＳＯxトラップ触媒２０から流出される排気ガスの空燃比がリッチにならないようにする方法を説明するため、ＳＯxトラップ触媒２０のＳＯx捕集量ΣＳＯＸと、ＳＯxトラップ触媒２０に流入する排気ガスの空燃比ＳＯＸ（Ａ／Ｆ）INと、ＳＯxトラップ触媒２０から流出する排気ガスの空燃比ＳＯＸ（Ａ／Ｆ）OUTとの関係を示している。図６に示されるようにこの実施例ではＳＯx捕集量ΣＳＯＸが予め定められた許容量ＭＡＸになるとＳＯxトラップ触媒２０から流出する排気ガスの空燃比ＳＯＸ（Ａ／Ｆ）OUTを深いリッチにさせることなくＳＯxトラップ触媒２０に流入する排気ガスの空燃比ＳＯＸ（Ａ／Ｆ）INがリーンからリッチに一時的に切り換えられる。
【００４２】
ＳＯxトラップ触媒２０に流入する排気ガスの空燃比ＳＯＸ（Ａ／Ｆ）INがリッチになると、即ち排気ガス中の酸素濃度が低下するとＳＯxトラップ触媒２０からＳＯxが放出され、このとき排気ガス中の還元成分によってＳＯxが還元される。排気ガスの空燃比ＳＯＸ（Ａ／Ｆ）INがリッチにされると供給された還元剤の一部は上述したようにＳＯxの還元のために使用され、また供給された還元剤はＳＯxトラップ触媒２０内を通過する際に通過時間にばらつきを生ずる。その結果、ＳＯxトラップ触媒２０から流出する排気ガスの空燃比ＳＯＸ（Ａ／Ｆ）OUTのピーク値は図６に示されるように低くなり、また空燃比ＳＯＸ（Ａ／Ｆ）OUTは長い時間に亘ってゆっくりと変化するようになる。
【００４３】
従って排気ガスの空燃比ＳＯＸ（Ａ／Ｆ）INがリッチにされたときのリッチの度合を適切に設定するとＳＯxトラップ触媒２０から流出する排気ガスの空燃比ＳＯＸ（Ａ／Ｆ）OUTをリーンに維持することができる。なお、ＳＯxトラップ触媒２０に流入する排気ガスの空燃比ＳＯＸ（Ａ／Ｆ）INをリッチにするに当っては図７に示されるように複数のパルス状に空燃比ＳＯＸ（Ａ／Ｆ）INをリッチにすることができる。
【００４４】
次にパティキュレートフィルタ２５の再生処理について説明する。ＳＯxトラップ触媒２０から放出されたＳＯxを含む排気ガスは、ＳＯxトラップ触媒２０からの流出時は平均化すればリーン空燃比であってＳＯx放出温度である。その後、排気ガスはバイパス通路３０を経由することによって或る程度温度低下するものの、高温のまま酸化触媒２４及びパティキュレートフィルタ２５に流入し、パティキュレートフィルタ２５を昇温させることによって再生処理を行うことができる。
【００４５】
即ち、ＳＯxトラップ触媒２０のＳＯx放出処理を行うと同時に、そのときに流出した高温の排気ガスを利用して、短時間で効率的にパティキュレートフィルタ２５の再生処理も実施できる。仮にバイパス通路３０を経由させない場合、排気ガスはＮＯx吸蔵還元触媒２２を通過し、ＮＯx吸蔵還元触媒２２によって排気ガスの熱が吸収されてしまうためパティキュレートフィルタ２５に到達する頃には低温となってしまい、再生温度まで昇温させることができない。
【００４６】
なお、高温の排気ガスを利用してもパティキュレートフィルタ２５の床温度Ｔを再生温度ＴＳまで昇温できない場合には、還元剤供給弁２９から還元剤を供給することによって酸化触媒２４の酸化反応熱を利用し床温度Ｔを昇温させる。このとき、パティキュレートフィルタ２５に流入する排気ガスの空燃比ＤＰＦ（Ａ／Ｆ）INは、前述のようにリーンに維持される。さらに、図６及び図７に示されるＳＯxトラップ触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリッチにした期間以外の期間で還元剤を供給することで、パティキュレートフィルタ２５に流入する排気ガスを確実にリーンにすることができるのでより好ましい。
【００４７】
図８は、ＳＯxトラップ触媒２０のＳＯx捕集量ΣＳＯＸが許容値ＭＡＸに達したときの、ＳＯxトラップ触媒２０に流入する排気ガスの空燃比ＳＯＸ（Ａ／Ｆ）INと、ＳＯxトラップ触媒２０から流出する排気ガスの空燃比ＳＯＸ（Ａ／Ｆ）OUTと、還元剤供給タイミングと、パティキュレートフィルタ２５の前後差圧ΔＰと、パティキュレートフィルタ２５に流入する排気ガスの空燃比ＤＰＦ（Ａ／Ｆ）INと、パティキュレートフィルタ２５の温度Ｔとの関係を時系列で表している。
【００４８】
次に図９を参照しながら、ＳＯxトラップ触媒２１に捕集されたＳＯxを放出させると同時にパティキュレートフィルタ２５の再生処理を同時に行う、ＳＯx放出処理同時フィルタ再生処理操作のフローチャートについて説明する。この操作は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）５０によって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ルーチンとして行われる。
【００４９】
図９を参照すると、まず初めにステップ１００において図５（Ａ），（Ｂ）からそれぞれ単位時間当り捕集されるＳＯx捕集量ＳＯＸＡ及びＳＯＭＢが読み込まれる。次いでステップ１０１ではこれらＳＯＸＡ及びＳＯＭＢの和がＳＯx捕集量ΣＳＯＸに加算される。次いでステップ１０２ではＳＯx捕集量ΣＳＯＸが許容量ＭＡＸを超えたか否かが判定され、ΣＳＯＸ＞ＭＡＸとなったときにはステップ１０３に進む。一方、ＳＯx捕集量ΣＳＯＸが許容量ＭＡＸ以下の場合には、ＳＯx放出処理及びフィルタ再生処理は行わずにルーチンを終了する。
【００５０】
ステップ１０３ではＳＯx放出処理の準備のため、またＳＯxトラップ率が低下したＳＯｘトラップ触媒２０から捕集しきれなくなったＳＯxがＮＯx吸蔵還元触媒２２に流入しないように、切替弁３１がバイパス開位置に切り替えられる。次いでステップ１０４において、昇温制御を行うと共に排気ガスの空燃比をリーンからリッチにしてＳＯxを放出させるＳＯx放出処理を行う。これによってバイパス通路３０には高温の排気ガスが流入する。
【００５１】
次いでステップ１０５では、バイパス通路３０から流入した高温の排気ガスによってパティキュレートフィルタ２５の床温度Ｔが粒子状物質を酸化除去可能な再生温度ＴＳに達しているか否かが判定され、Ｔ≧ＴＳの場合はステップ１０７に進む。一方、床温度Ｔが再生温度ＴＳに達していない場合にはステップ１０６に進んで、還元剤供給弁２９から酸化触媒２４に対して還元剤が供給され、酸化反応熱によってパティキュレートフィルタ２５を昇温させ、再度ステップ１０５で再生温度ＴＳに達したか判定される。
【００５２】
ステップ１０７では、パティキュレートフィルタ２５の再生処理がなされ、ＳＯx放出処理及びフィルタ再生処理が終わると、次いでステップ１０８では切替弁３１がバイパス閉位置に切り替えられ、最後にＳＯx捕集量ΣＳＯＸが０にクリアされてルーチンを終了する。
【００５３】
本実施例では、図９のフローチャートでステップ１０２に示すように、ＳＯxトラップ触媒２０に捕集されたＳＯx量ΣＳＯＸが予め定められた許容量ＭＡＸを超えたことをトリガーにＳＯxトラップ触媒２０のＳＯx放出処理を行い、それによってパティキュレートフィルタ２５の再生処理も同時に行った。逆に、パティキュレートフィルタ２５に堆積した粒子状物質量が予め定められた量を超えたことをトリガーにしてもよい。
【００５４】
具体的に言うと本実施例では差圧センサ３５によって検出されたパティキュレートフィルタ２５の前後差圧ΔＰが許容値ＰＸを越えたときに堆積粒子状物質の量が許容量を越えたと判断する。そしてこれをトリガーにＳＯxトラップ触媒２０のＳＯx放出処理を行い、それによってパティキュレートフィルタ２５の再生処理も同時に行うようにしてもよい。
【００５５】
図１０を参照しながら、本実施例によるＳＯx放出処理同時フィルタ再生処理操作のフローチャートについて説明する。図９に示すフローチャートではステップ１０２においてＳＯx捕集量ΣＳＯＸの値を判定していたのに対して、それに相当するステップ２０２おいてパティキュレートフィルタ２５の前後差圧ΔＰが許容値ＰＸを超えたか否かを判定している点で、これら二つのフローチャートは異なっている。その他のステップについては図９に示すフローチャートと同様である。
【００５６】
さらに、ＳＯxトラップ触媒２０に捕集されたＳＯx量ΣＳＯＸ及びパティキュレートフィルタ２５の前後差圧ΔＰの両方を監視し、いずれか一方が予め定められた量に達したことをトリガーにしてもよい。
【００５７】
図１１を参照しながら、本実施例によるＳＯx放出処理同時フィルタ再生処理操作のフローチャートについて説明する。図１１に示すフローチャートでは、その他の実施例におけるステップ１０２及びステップ２０２に相当するステップ３０２、３０３の部分においてその他のフローチャートと異なる。即ち、ステップ３０２ではＳＯx捕集量ΣＳＯＸが許容量ＭＡＸを超えたか否かが判定され、ΣＳＯＸ＞ＭＡＸとなったときにはステップ３０４に進んで切替弁３１をバイパス開位置に切り替える。一方、ＳＯx捕集量ΣＳＯＸが許容量ＭＡＸ以下の場合には、ステップ３０３に進んでパティキュレートフィルタ２５の前後差圧ΔＰが許容値ＰＸを超えたか否かが判定され、ΔＰ＞ＰＸとなったときにはステップ３０４に進む。一方、前後差圧ΔＰが許容値ＰＸ以下の場合には、ＳＯx放出処理及びフィルタ再生処理は行わずにルーチンを終了する。
【００５８】
図１２は、本発明による別の実施形態を示す図である。図１に示す実施形態とは、切替弁３１の下流であってＮＯx吸蔵還元触媒２２の上流排気管２１内に、温度センサ３７が取り付けられたＳＯxトラップ触媒３６を配置した点において異なる。以下、より上流側に配置されたＳＯxトラップ触媒２０を上流側ＳＯxトラップ触媒２０と称し、それよりも下流側に配置されたＳＯxトラップ触媒３６を下流側ＳＯxトラップ触媒３６と称す。
【００５９】
切替弁３１は、その弁のタイプにも依るが、バイパス開位置にある状態でも排気ガスすべてをバイパス通路３０に誘導することはできず、１〜１０パーセント程度の割合で排気通路下流に排気ガスが漏れてしまう場合がある。そうすると、図１に示す実施形態においてＳＯxトラップ触媒２０からＳＯx放出させているときに漏れてしまうと、ＮＯx吸蔵還元触媒２２がイオウ被毒し、そのＮＯx吸蔵能力を低下させてしまうという問題がある。
【００６０】
そこで、本実施形態では、ＳＯxを含む排気ガスがバイパス開位置にある切替弁３１をすり抜けてＮＯx吸蔵還元触媒２２がイオウ被毒してしまうのを確実に防止するため、その上流に下流側ＳＯxトラップ触媒３６を配置している。上流側ＳＯxトラップ触媒２０は、一時的に捕集したＳＯxを定期的に放出する役割を果たし、下流側ＳＯxトラップ触媒３６は、流入したＳＯxを捕集して放出しないように保持する役割を果たしている。
【００６１】
そのため、下流側ＳＯxトラップ触媒３６は、先に説明した上流側ＳＯxトラップ触媒２０と同じタイプのものであってもよいが、上流側ＳＯxトラップ触媒２０に比べて下流側ＳＯxトラップ触媒３６は、捕集したＳＯxを放出し難い性質を有することが好ましい。このような性質を有するＳＯxトラップ触媒の例として二つの実施例について説明する。
【００６２】
図１３は、一番目の実施例による下流側ＳＯxトラップ触媒３６の基体８０の表面部分の断面を図解的に示している。図１３に示されるように下流側ＳＯxトラップ触媒３６の基体８０の表面上にはコート層８１が形成されており、このコート層８１の表面上には貴金属触媒８２が分散して担持されている。
【００６３】
下流側ＳＯxトラップ触媒３６のコート層８１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３６のコート層８１は強塩基性を呈している。
【００６４】
ところで、コート層８１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８１内に捕集されやすくなる。従って白金Ｐｔほど酸化能力のない鉄Ｆｅ又は銀Ａｇからなる卑金属触媒が使用されてもよく、或いは貴金属触媒８２として上流側ＳＯxトラップ触媒２０よりも少量の白金Ｐｔが使用される。
【００６５】
このように本実施例では、下流側ＳＯxトラップ触媒３６の貴金属触媒８２は上流側ＳＯxトラップ触媒２０の貴金属触媒７７に比べて酸化能力の低い貴金属触媒又は卑金属触媒が使用されている。従って下流側ＳＯxトラップ触媒３６は上流側ＳＯxトラップ触媒２０に比べて塩基性が強く、酸化能力が低いことになる。
【００６６】
図１３においてコート層８１内における濃淡は捕集されたＳＯxの濃度を示している。図１３からわかるようにコート層８１内におけるＳＯx濃度はコート層８１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８１の表面近傍におけるＳＯx濃度が高くなるとコート層８１の表面の塩基性が弱まり、ＳＯxの捕集能力が弱まる。
【００６７】
ところが下流側ＳＯxトラップ触媒３６の温度が機関運転中に上昇するとコート層８１内の表面近傍に集中的に存在するＳＯxはコート層８１内におけるＳＯx濃度が均一となるようにコート層８１の奥部に向けて拡散していく。即ち、コート層８１内に生成されている硫酸塩はコート層８１の表面近傍に集中している不安定な状態からコート層８１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８１内の表面近傍に存在するＳＯxがコート層８１の奥部に向けて拡散するとコート層８１の表面近傍のＳＯx濃度が低下し、ＳＯxの捕集能力が機関運転中に回復することになる。
【００６８】
図１４（Ａ）は、二番目の実施例による下流側ＳＯxトラップ触媒３６の基体８５の表面部分の断面を図解的に示している。図１４（Ａ）に示されるように下流側ＳＯxトラップ触媒３６の基体８５の表面上にはコート層８６が形成されており、このコート層８６の表面上には貴金属触媒８７が分散して担持されている。
【００６９】
本実施例では貴金属触媒８７として白金が用いられており、コート層８６内には触媒担体上に担持されている触媒が黒い点で示されるように一様に分散されている。コート層８６内において一様に分散されている触媒は主にアルカリ金属からなり、本発明による実施例ではアルカリ金属のうちでも特にリチウムＬｉ、ナトリウムＮａ、カリウムＫから選ばれた少なくとも一つが用いられている。
【００７０】
次にＳＯxのトラップメカニズムについて説明する。なお、以下アルカリ金属としてカリウムＫを用いた場合を例にとってＳＯxのトラップメカニズムについて説明するが他のアルカリ金属を用いた場合でも同様のトラップメカニズムとなる。
【００７１】
図１４（Ａ）は新品のときの下流側ＳＯxトラップ触媒３６を示しており、このときにはコート層８６内にカリウムＫが均一に分散されている。また、このときにはコート層８６内のカリウムＫは大気中のＣＯ2と結びついて炭酸塩Ｋ2ＣＯ3の形をとっている。機関が運転されると排気ガス中に多量に含まれるＮＯが白金Ｐｔ８７において酸化され、次いで塩基性を呈しているコート層８６内に取込まれて硝酸イオンＮＯ3-の形でコート層８６内に拡散する。この硝酸イオンＮＯ3-は炭酸イオンＣＯ3-よりも酸性が強く、従ってカリウムＫに結合している炭酸イオンＣＯ3-が硝酸イオンＮＯ3-に置き換わるためにコート層８６内には硝酸塩ＫＮＯ3が生成される。
【００７２】
一方、機関が運転されると排気ガス中に含まれるＳＯx、即ちＳＯ2は図１４（Ａ）に示されるように白金Ｐｔ８７上において酸化され、次いで塩基性を呈しているコート層８６内に硫酸イオンＳＯ42-の形で取込まれる。ところで排気ガス中に含まれるＳＯxの濃度はＮＯxの濃度に比べてかなり低く、従ってＳＯxが硫酸イオンＳＯ42-の形でコート層８６内に取込まれる頃にはコート層８６内の多くのカリウムＫは硝酸塩ＫＮＯ3となっている。従ってＳＯ2は硝酸塩ＫＮＯ3が生成されているコート層８６内に硫酸イオンＳＯ42-の形で取込まれることになる。
【００７３】
この場合、硫酸イオンＳＯ42-は硝酸イオンＮＯ3-よりも酸性が強く、従ってこのときカリウムＫと結合している硝酸イオンＮＯ3-が硫酸イオンＳＯ42-に置き換わるためにコート層８６の表面付近には硫酸塩Ｋ2ＳＯ4が生成される。このようにしてＳＯxが下流側ＳＯxトラップ触媒３６内に捕集される。
【００７４】
コート層８６の表面付近に生成される硫酸塩Ｋ2ＳＯ4が増大するとコート層８６の表面付近においてＳＯxを取り込みうる硝酸塩ＫＮＯ3が減少し、その結果ＳＯxの捕集能力が弱まる。コート層８６の表面付近に生成される硫酸塩Ｋ2ＳＯ4が増大するとそれに伴ってＳＯxトラップ率が低下することになる。
【００７５】
このような状況下で、機関運転中に下流側ＳＯxトラップ触媒３６の温度をアルカリ金属の硝酸塩、例えばＫＮＯ3が溶融状態になる温度に保持すると、下流側ＳＯxトラップ触媒３６内の硝酸塩ＫＮＯ3が短時間のうちに図１４（Ｂ）に示されるように下流側ＳＯxトラップ触媒３６の表面、即ちコート層８６の表面に移動して凝集し、それによってＳＯxトラップ率が回復する。
【００７６】
即ち、ＳＯxがコート層８６の表面付近に硫酸イオンＳＯ42-の形で取り込まれるとコート層８６の表面付近の酸性が強くなる。従ってアルカリ金属の硝酸塩ＫＮＯ3が溶融状態に保持されていると硝酸塩ＫＮＯ3がコート層８６の表面に向け移動してコート層８６の表面付近に凝集する。このように硝酸塩ＫＮＯ3がコート層８６の表面付近に凝集すると到来したＳＯxはただちに硫酸イオンＳＯ42-の形で取り込まれ、次いで硫酸塩Ｋ2ＳＯ4の形でコート層８６内に捕集される。こうしてアルカリ金属の硝酸塩を溶融状態に保持するとＳＯxトラップ率がほぼ１００パーセントまで回復することになる。
【００７７】
なお、アルカリ金属の硝酸塩ＫＮＯ3は溶融状態にないときでも多少はコート層８６の表面に向けて移動するものと考えられる。従って正確に言うと、本実施例では機関運転中に下流側ＳＯxトラップ触媒３６の温度をアルカリ金属の硝酸塩ＫＮＯ3が溶融状態となる温度に保持することにより、下流側ＳＯxトラップ触媒３６内の硝酸塩ＫＮＯ3がコート層８６の表面に移動して凝集する硝酸塩移動凝集作用が促進され、この硝酸塩移動凝集作用によりＳＯxトラップ率が回復されることになる。
【００７８】
なお、図１３及び図１４を用いて説明した上記二つのタイプのＳＯxトラップ触媒は、上流側ＳＯxトラップ触媒２０として用いてもよい。ただし、上流側ＳＯxトラップ触媒２０は、一時的に捕集したＳＯxを定期的に放出する役割を果たし、下流側ＳＯxトラップ触媒３６は、流入したＳＯxを捕集して放出しないように保持する役割を果たすため、下流側ＳＯxトラップ触媒３６は上流側ＳＯxトラップ触媒２０に比べて塩基性が強く、酸化能力が低いことが望ましい。また、図９から図１１に示すＳＯx放出処理同時フィルタ再生処理操作のフローチャートは、本実施形態にそのまま適用可能である。
【００７９】
図１５は、本発明による別の実施形態を示す図である。図１に示す実施形態とは、排気通路１９から分岐しＳＯxトラップ触媒２０を迂回して、切替弁３１下流の排気管２１に合流するバイパス通路３８を備え、排気通路１９に設けられたバイパス通路３８の入口の開口に切替弁３９が配置されている点において異なる。還元剤供給弁２７は、供給した還元剤がバイパス通路３８内に入らないように、排気通路１９内であって切替弁３９の下流に配置されている。
【００８０】
切替弁３９は、図１５に実線で示されるように排気ガスの一部をバイパス通路３８内に誘導すると共に排気ガスの残りをＳＯxトラップ触媒２０に誘導するバイパス開位置と、図１５に破線で示されるように、排気タービン７ｂから排出された排気ガスをそのままＳＯxトラップ触媒２０へ導くバイパス閉位置との間で図示しないアクチュエータによって切替可能になっている。切替弁３９は通常、バイパス閉位置に保持されている。
【００８１】
前述のように捕集されたＳＯx量ΣＳＯＸを推定し、捕集されたＳＯx量ΣＳＯＸが予め定められた量を超えたとき、切替弁３１及び切替弁３９をバイパス開位置に切り替える。この状態で、ＳＯxトラップ触媒２０から捕集したＳＯxを放出させると、放出されたＳＯxの大部分はバイパス通路３０内に誘導されるが、前述のように放出されたＳＯxの一部は切替弁３１から排気通路下流へ漏れてしまう。
【００８２】
このように漏れたＳＯxを含む排気ガスは、切替弁３９によってバイパス通路３８に誘導された一部の排気ガスと混合する。バイパス通路３８を経由した排気ガスは、ＳＯxトラップ触媒２０から流出した排気ガスよりも空燃比がリーンとなっており酸素をより多く含んでいる。従って、切替弁３１から漏れたＳＯxを含む排気ガスがＮＯx吸蔵還元触媒２２にＳＯxに流入したとしても、多く含まれる酸素によってＳＯxの酸化が促進され、ＮＯx吸蔵還元触媒２２の入口付近においてのみイオウ被毒される。即ち、ＮＯx吸蔵還元触媒２２全体に亘ってイオウ被毒されることが避けられるため、ＮＯx吸蔵能力の低下は最低限度に留められるという効果を奏する。
【００８３】
図１６は、本発明による更に別の実施形態を示す図である。本実施形態は、図１２に示す実施形態と図１５に示す実施形態を組み合わせた構成である。これらの構成を組み合わせると、二つのＳＯxトラップ触媒を直列に配置することによるＮＯx吸蔵還元触媒２２へのＳＯxの流入を確実に防止することができるという効果に加え、バイパス通路３８から下流側ＳＯxトラップ触媒３６に流入する排気ガスがより多くの酸素を含むことによって、ＳＯxの酸化が促進され、下流側ＳＯxトラップ触媒３６のＳＯx捕集能力を向上させるという効果を奏する。
【００８４】
なお、図１５及び図１６に示す実施形態において、図９から図１１に示すＳＯx放出処理同時フィルタ再生処理操作のフローチャートは、切替弁３１がバイパス開位置に切り替えられるとき切替弁３９もバイパス開位置に切り替えられ、切替弁３１がバイパス閉位置に切り替えられるとき切替弁３９もバイパス閉位置に切り替えられるという点以外、これら実施形態にそのまま適用可能である。
【００８５】
さらに、これら実施形態において、排気行程中に燃焼室２内に燃料を噴射することによって上流側ＳＯxトラップ触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることはできない。バイパス通路３８を経由して空燃比リーンの排気ガスをＮＯx吸蔵還元触媒２２又は下流側ＳＯxトラップ触媒３６に流入させることができないからである。従って、切替弁３９の下流排気通路内に配置された還元剤供給弁２７から還元剤を供給することによって、上流側ＳＯxトラップ触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリッチにする。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】圧縮着火式内燃機関の全体図である。
【図２】パティキュレートフィルタの構造を示す図である。
【図３】ＮＯx吸蔵還元触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。
【図４】ＳＯxトラップ触媒の基材の表面部分の断面図である。
【図５】ＳＯx捕集量ＳＯＸＡ、ＳＯＸＢのマップを示す図である。
【図６】リッチ制御を示すタイムチャートである。
【図７】リッチ制御を示すタイムチャートである。
【図８】ＳＯx放出処理とフィルタ再生処理とを示すタイムチャートである。
【図９】ＳＯx放出処理同時フィルタ再生処理操作を示すフローチャートである。
【図１０】ＳＯx放出処理同時フィルタ再生処理操作を示すフローチャートである。
【図１１】ＳＯx放出処理同時フィルタ再生処理操作を示すフローチャートである。
【図１２】圧縮着火式内燃機関の別の実施形態を示す全体図である。
【図１３】ＳＯxトラップ触媒の基材の表面部分の断面図である。
【図１４】ＳＯxトラップ触媒の基材の表面部分の断面図である。
【図１５】圧縮着火式内燃機関の更に別の実施形態を示す全体図である。
【図１６】圧縮着火式内燃機関の更に別の実施形態を示す全体図である。
【符号の説明】
【００８７】
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
２０ ＳＯxトラップ触媒
２２ ＮＯx吸蔵還元触媒
２４ 酸化触媒
２５ パティキュレートフィルタ
２７，２９ 還元剤供給弁
３０ バイパス通路
３１ 切替弁
【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を還元浄化するＮＯx吸蔵還元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下で燃焼が行われているときに発生するＮＯxがＮＯx吸蔵還元触媒に吸蔵される。一方、ＮＯx吸蔵還元触媒の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吸蔵還元触媒からＮＯxが還元浄化される。
【０００３】
ところで燃料及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。このＳＯxはＮＯxと共にＮＯx吸蔵還元触媒に吸蔵される。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吸蔵還元触媒から放出されず、従ってＮＯx吸蔵還元触媒に吸蔵されているＳＯxの量が次第に増大していく（以下、イオウ被毒という）。その結果としてＮＯx吸蔵還元触媒に吸蔵しうるＮＯx量が次第に減少してしまう。
【０００４】
そこでＮＯx吸蔵還元触媒にＳＯxが吸蔵されるのを阻止するためにＮＯx吸蔵還元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圧縮着火式内燃機関が公知である（特許文献１参照）。この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を捕集し、捕集された総ＳＯx量が所定値以上となったとき、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共にＳＯxトラップ触媒の温度をＳＯx放出温度以上に昇温させ、捕集したＳＯxを放出させることでＳＯx捕集能力を回復させている。こうして放出されたＳＯxを含む排気ガスは、バイパス通路を経由することでＮＯx吸蔵還元触媒を迂回し、イオウ被毒が防止される。
【０００５】
さらにこの内燃機関においては、排気ガス中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタを、排気ガスによって昇温させやすいようにこれら触媒の上流に配置し、さらに流入する排気ガスの酸素濃度を制御することによって、粒子状物質の酸化除去を行って再生するようにしている。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３０３８７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、パティキュレートフィルタはその熱容量が大きいため排気温度がなかなか排気通路下流まで伝播せず、ＳＯxトラップ触媒及びＮＯx吸蔵還元触媒をそれらの活性温度まで昇温させるのに時間がかかるため、十分な浄化性能が得られないという問題がある。
【０００８】
そこで本発明は、ＳＯxトラップ触媒及びＮＯx吸蔵還元触媒を有し、これら触媒より排気通路下流にパティキュレートフィルタを配置した内燃機関において、新規な方法で効率的にパティキュレートフィルタを昇温させて再生処理を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】
前記課題を解決するために請求項１に記載の発明によれば、機関排気通路内に配置され、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を捕集する第一のＳＯxトラップ触媒であって、該第一のＳＯxトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチの下で当該第一のＳＯxトラップ触媒の温度がＳＯx放出温度以上であれば捕集したＳＯxを放出する性質を有する第一のＳＯxトラップ触媒と、第一のＳＯxトラップ触媒下流排気通路内に配置され、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を還元浄化するＮＯx吸蔵還元触媒と、ＮＯx吸蔵還元触媒下流排気通路内に配置され、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタとを具備する内燃機関において、第一のＳＯxトラップ触媒下流排気通路から分岐してＮＯx吸蔵還元触媒を迂回してパティキュレートフィルタ上流排気通路へ合流する第一のバイパス通路と、第一のバイパス通路入口に配置され、第一のＳＯxトラップ触媒から流出した排気ガスをＮＯx吸蔵還元触媒へ導くバイパス閉位置及び第一のバイパス通路内に導くバイパス開位置間で切替可能な第一の切替弁とを更に具備し、第一のＳＯxトラップ触媒がＳＯx放出温度以上となって捕集したＳＯxを放出するとき、第一の切替弁がバイパス開位置に切り替えられ、第一のバイパス通路を通った排気ガスがパティキュレートフィルタを昇温させて再生処理を行う内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１０】
請求項１に記載の発明では、ＳＯxトラップ触媒をＳＯx放出温度まで昇温させることでＳＯx放出処理を行い、バイパス通路を通ることによって温度低下が抑えられた高温の排気ガスがパティキュレートフィルタに流入し、パティキュレートフィルタを短時間で効率的に再生温度まで昇温させることが可能となる。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明によれば請求項１に記載の発明において、ＮＯx吸蔵還元触媒上流排気通路内であって第一の切替弁下流に配置された第二のＳＯxトラップ触媒を更に具備し、第二のＳＯxトラップ触媒が第一のＳＯxトラップ触媒に比べて捕集したＳＯxを放出し難い性質を有する内燃機関の排気浄化装置が提供される。即ち、請求項２に記載の発明では、ＮＯx吸蔵還元触媒排気通路上流にＳＯxトラップ触媒を更に配置することで、切替弁から漏れたＳＯxがＮＯx吸蔵還元触媒に流入することを確実に防止することが可能となる。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明によれば請求項１又は２に記載の発明において、第一のＳＯxトラップ触媒上流排気通路から分岐して第一のＳＯxトラップ触媒及び第一の切替弁を迂回して第一の切替弁下流排気通路内へ合流する第二のバイパス通路と、第二のバイパス通路入口に配置され、内燃機関の排気ガスのほぼ全てを第一のＳＯxトラップ触媒へ導くバイパス閉位置及び内燃機関の排気ガスの一部のみを第二のバイパス通路内に導くバイパス開位置間で切替可能な第二の切替弁とを更に具備し、第一の切替弁がバイパス開位置に切り替えられるとき第二の切替弁もバイパス開位置に切り替えられ、第一の切替弁がバイパス閉位置に切り替えられるとき第二の切替弁もバイパス閉位置に切り替えられる内燃機関の排気浄化装置が提供される。即ち、第二のバイパス通路からリーン空燃比の排気ガスが供給されることによって、ＳＯxの捕集が促進されるという効果を奏する。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明によれば請求項１から３のいずれか１つに記載の発明において、パティキュレートフィルタ上流排気通路内に配置された酸化触媒を更に具備する内燃機関の排気浄化装置が提供される。即ち、パティキュレートフィルタの床温度が再生温度に満たない場合に、酸化触媒の酸化反応を利用することによって昇温させることが可能となる。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明によれば請求項４に記載の発明において、酸化触媒上流排気通路内に還元剤を供給する還元剤供給手段を更に具備する内燃機関の排気浄化装置が提供される。即ち、還元剤供給手段から供給された還元剤が酸化触媒と酸化反応することによって排気ガスを昇温させ、それによってパティキュレートフィルタを昇温させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
各請求項に記載の発明によれば、新規な方法で効率的にパティキュレートフィルタを昇温させて再生処理を行うことができるという共通の効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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内にそれぞれ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それぞれ示す。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に示される実施形態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。
【００１７】
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１２を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１２内には電気制御式ＥＧＲ制御弁１３が配置される。また、ＥＧＲ通路１２周りにはＥＧＲ通路１２内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１４が配置される。図１に示される実施形態では機関冷却水が冷却装置１４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１５を介してコモンレール１６に連結される。このコモンレール１６内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ１７から燃料が供給され、コモンレール１６内に供給された燃料は各燃料供給管１５を介して燃料噴射弁３に供給される。
【００１８】
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１９内にはＳＯxトラップ触媒２０が配置されている。さらに、ＳＯxトラップ触媒２０の出口は排気管２１を介してＮＯx吸蔵還元触媒２２に連結され、ＮＯx吸蔵還元触媒２２の出口が排気管２３を介して酸化触媒２４及びパティキュレートフィルタ２５に連結され、パティキュレートフィルタ２５の出口が排気管２６に連結されている。ＳＯxトラップ触媒２０の上流排気通路１９内、排気管２１内及び排気管２３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２７，２８，２９がそれぞれ取付けられる。そして、排気管２１からバイパス通路３０が分岐しＮＯx吸蔵還元触媒２２を迂回して排気管２３に合流している。排気管２１に設けられたバイパス通路３０の入口の開口には、切替弁３１が配置されている。切替弁３１は、図１に破線で示されるように、ＳＯxトラップ触媒２０から流出した排気ガスをそのままＮＯx吸蔵還元触媒２２へ導くバイパス閉位置と、図１に実線で示されるように、排気管２１を閉鎖してＳＯxトラップ触媒２０から流出した排気ガスをバイパス通路３０内に導くバイパス開位置との間で図示しないアクチュエータによって切替可能となっている。切替弁３１は通常、バイパス閉位置に保持されている。
【００１９】
電子制御ユニット５０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス５１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）５２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）５３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）５４、入力ポート５５及び出力ポート５６を具備する。ＳＯxトラップ触媒２０、ＮＯx吸蔵還元触媒２２及びパティキュレートフィルタ２５にはそれぞれの床温度を検出するための温度センサ３２，３３，３４が取り付けられる。これらの温度センサ３２，３３，３４及びエアフローメータ８の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器５７を介して入力ポート５５に入力される。また、パティキュレートフィルタ２５にはパティキュレートフィルタ２５の前後差圧を検出するための差圧センサ３５が取付けられており、この差圧センサ３５の出力信号は対応するＡＤ変換器５７を介して入力ポート５５に入力される。
【００２０】
アクセルペダル５９にはアクセルペダル５９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６０が接続され、負荷センサ６０の出力電圧は対応するＡＤ変換器５７を介して入力ポート５５に入力される。更に入力ポート５５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６１が接続される。一方、出力ポート５６は対応する駆動回路５８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０及び切替弁３１駆動用ステップモータ、還元剤供給弁２７，２８，２９、ＥＧＲ制御弁１３及び燃料ポンプ１７に接続される。
【００２１】
次に図２（Ａ）及び（Ｂ）を参照しつつパティキュレートフィルタ２５の構造について説明する。図２（Ａ）はパティキュレートフィルタ２５の正面図を示しており、図２（Ｂ）はパティキュレートフィルタ２５の側面断面図を示している。図２（Ａ）及び（Ｂ）に示されるようにパティキュレートフィルタ２５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６５，６６を具備する。これら排気流通路は下流端が栓６７により閉塞された排気ガス流入通路６５と、上流端が栓６８により閉塞された排気ガス流出通路６６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栓６８を示している。従って排気ガス流入通路６５及び排気ガス流出通路６６は薄肉の隔壁６９を介して交互に配置される。言い換えると排気ガス流入通路６５及び排気ガス流出通路６６は各排気ガス流入通路６５が４つの排気ガス流出通路６６によって包囲され、各排気ガス流出通路６６が４つの排気ガス流入通路６５によって包囲されるように配置される。
【００２２】
パティキュレートフィルタ２５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６５内に流入した排気ガスは図２（Ｂ）において矢印で示されるように周囲の隔壁６９内を通って隣接する排気ガス流出通路６６内に流出する。このとき排気ガス中に含まれる粒子状物質が隔壁６９上に捕集される。捕集された一部の粒子状物質は隔壁６９上で酸化除去され、残りの粒子状物質は隔壁６９上に堆積する。
【００２３】
隔壁６９上に堆積した粒子状物質はパティキュレートフィルタ２５を昇温させることによって時折酸化除去され、それによってパティキュレートフィルタ２５が再生される。本発明による実施例ではパティキュレートフィルタ２５の再生時に堆積した粒子状物質を容易に酸化除去するためにパティキュレートフィルタ２５上流排気通路内に酸化触媒２４が配置されている。昇温方法については後述する。
【００２４】
次にＮＯx吸蔵還元触媒について説明する。ＮＯx吸蔵還元触媒２２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３はこの触媒担体７０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７０の表面上には貴金属触媒７１が分散して担持されており、更に触媒担体７０の表面上にはＮＯx吸収剤７２の層が形成されている。
【００２５】
本発明による実施例では貴金属触媒７１として白金Ｐｔが用いられており、ＮＯx吸収剤７２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。
【００２６】
機関吸気通路、燃焼室２、及びＳＯxトラップ触媒２０上流排気通路１９内及びＮＯx吸蔵還元触媒２２上流排気管２１内に供給された空気及び燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比と称すると、ＮＯx吸収剤７２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を還元放出するＮＯxの吸放出作用を行う。
【００２７】
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７２のＮＯx吸収能力が飽和してしまい、ＮＯx吸収剤７２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７２の吸収能力が飽和する前に還元剤供給弁２８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７２からＮＯxを放出させるようにしている。
【００２８】
ところで排気ガス中にはＳＯx、例えばＳＯ2が含まれており、このＳＯ2がＮＯx吸蔵還元触媒２２に流入するとこのＳＯ2は白金Ｐｔ７１において酸化されてＳＯ3となる。次いでこのＳＯ3はＮＯx吸収剤７２内に吸収されて炭酸化バリウムＢａＣＯ3と結合しながら、硫酸イオンＳＯ42-の形でＮＯx吸収剤７２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７２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７２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、時間が経過するにつれてＮＯx吸収剤７２が吸収しうるＮＯx量が低下することになる。
【００２９】
ところでこの場合、ＮＯx吸蔵還元触媒２２の温度を６００℃以上のＳＯx放出温度まで上昇させた状態でＮＯx吸蔵還元触媒２２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７２からＳＯxが放出される。ただし、この場合ＮＯx吸収剤７２からは少しずつしかＳＯxが放出されない。従ってＮＯx吸収剤７２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、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。
【００３０】
そこで本実施例ではＮＯx吸蔵還元触媒２２の上流にＳＯxトラップ触媒２０を配置してこのＳＯxトラップ触媒２０により排気ガス中に含まれるＳＯxを捕集し、それによってＮＯx吸蔵還元触媒２２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２０について説明する。
【００３１】
このＳＯxトラップ触媒２０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２０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。図４はこの基体７５の表面部分の断面を図解的に示している。図４に示されるように基体７５の表面上にはコート層７６が形成されており、このコート層７６の表面上には貴金属触媒７７が分散して担持されている。
【００３２】
本発明による実施例では貴金属触媒７７として白金が用いられており、コート層７６を構成する成分としては例えば、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から選ばれた少なくとも一つにより構成されている。或いは、強塩基性のカリウム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により構成されていてもよい。
【００３３】
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４に示されるように排気ガス中に含まれるＳＯ2は貴金属触媒７７においてＳＯ3に酸化され、次いでコート層７６内に捕集される。コート層７６内に捕集されたＳＯ3は硫酸イオンＳＯ42-の形でコート層７６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及びＳＯ3は図４に示されるように直接コート層７６内に捕集される。
【００３４】
ＳＯxトラップ触媒２０は、ＳＯxトラップ触媒２０の温度を例えば６００℃以上であるＳＯx放出温度に昇温させた状態で、ＳＯxトラップ触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすると捕集したＳＯxをＳＯ2の形で放出する性質を有する。
【００３５】
さて、上述したように通常運転時には、切替弁３１はバイパス閉位置に保持されていると共にＳＯxトラップ触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーンに維持されている。従って、排気ガスに含まれるＳＯxは全てＳＯxトラップ触媒２０に捕集されるため、下流にあるＮＯx吸蔵還元触媒２２にＳＯxは流入しない。
【００３６】
ところが、排気ガス中に含まれるＳＯxのうちでＳＯxトラップ触媒２０に捕集されるＳＯxの割合をＳＯxトラップ率と称すると、初めは１００パーセントに近いＳＯxトラップ率は、時間の経過と共に急速に低下してしまう。ＳＯxトラップ率が低下すると、ＳＯxトラップ触媒２０によって捕集しきれなかったＳＯxがＮＯx吸蔵還元触媒２２に流入してしまう。
【００３７】
そこで、本実施形態では、ＳＯxトラップ触媒２０に捕集されたＳＯx量ΣＳＯＸを推定し、ＳＯxトラップ触媒２０に捕集されたＳＯx量ΣＳＯＸが予め定められた量を超えたときにＳＯxトラップ率が予め定められた率よりも低下したと判断し、切替弁３１をバイパス開位置に切り替えてＳＯxトラップ触媒２０から流出した排気ガスがＮＯx吸蔵還元触媒２２を迂回するようにしている。
【００３８】
ここで、燃料中には或る割合でイオウが含まれており、従って排気ガス中に含まれるＳＯx量、即ちＳＯxトラップ触媒２０に捕集されるＳＯx量は燃料噴射量に比例する。燃料噴射量は要求トルク及び機関回転数の関数であり、従ってＳＯxトラップ触媒２０に捕集されるＳＯx量も要求トルク及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２０に単位時間当り捕集されるＳＯx量ＳＯＸＡが要求トルクＴＱ及び機関回転数Ｎの関数として図５（Ａ）に示されるようなマップの形で予めＲＯＭ５２内に記憶されている。
【００３９】
また、潤滑油内にも或る割合でイオウが含まれており、燃焼室２内で燃焼する潤滑油量、即ち排気ガス中に含まれていてＳＯxトラップ触媒２０に捕集されるＳＯx量も要求トルク及び機関回転数の関数となる。本発明による実施例では潤滑油に含まれていてＳＯxトラップ触媒２０に単位時間当り捕集されるＳＯx量ＳＯＸＢが要求トルクＴＱ及び機関回転数Ｎの関数として図５（Ｂ）に示されるようなマップの形で予めＲＯＭ５２内に記憶されており、ＳＯx量ＳＯＸＡ及びＳＯx量ＳＯＸＢの和を積算することによってＳＯxトラップ触媒２０に捕集されているＳＯx量ΣＳＯＸが算出される。
【００４０】
切替弁３１をバイパス開位置に切り替えたとき、低下したＳＯxトラップ率を回復させるべくＳＯx放出処理を行う。即ち、ＳＯxトラップ触媒２０の温度をＳＯx放出温度まで昇温させた状態で、還元剤供給弁２７から還元剤を供給することによって、ＳＯxトラップ触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリーンからリッチにして捕集されたＳＯxを放出させる。或いは還元剤供給弁２７を用いない空燃比の制御方法として、排気行程中に燃焼室２内に燃料を噴射することによって、ＳＯxトラップ触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリーンからリッチにすることも可能である。ただし、ＳＯxトラップ触媒２０から流出される排気ガスが深いリッチになると後述するパティキュレートフィルタの再生処理が効率良くできないため、ＳＯxトラップ触媒２０から流出される排気ガスの空燃比が深いリッチにならないようにする必要がある。
【００４１】
図６はＳＯxトラップ触媒２０から流出される排気ガスの空燃比がリッチにならないようにする方法を説明するため、ＳＯxトラップ触媒２０のＳＯx捕集量ΣＳＯＸと、ＳＯxトラップ触媒２０に流入する排気ガスの空燃比ＳＯＸ（Ａ／Ｆ）INと、ＳＯxトラップ触媒２０から流出する排気ガスの空燃比ＳＯＸ（Ａ／Ｆ）OUTとの関係を示している。図６に示されるようにこの実施例ではＳＯx捕集量ΣＳＯＸが予め定められた許容量ＭＡＸになるとＳＯxトラップ触媒２０から流出する排気ガスの空燃比ＳＯＸ（Ａ／Ｆ）OUTを深いリッチにさせることなくＳＯxトラップ触媒２０に流入する排気ガスの空燃比ＳＯＸ（Ａ／Ｆ）INがリーンからリッチに一時的に切り換えられる。
【００４２】
ＳＯxトラップ触媒２０に流入する排気ガスの空燃比ＳＯＸ（Ａ／Ｆ）INがリッチになると、即ち排気ガス中の酸素濃度が低下するとＳＯxトラップ触媒２０からＳＯxが放出され、このとき排気ガス中の還元成分によってＳＯxが還元される。排気ガスの空燃比ＳＯＸ（Ａ／Ｆ）INがリッチにされると供給された還元剤の一部は上述したようにＳＯxの還元のために使用され、また供給された還元剤はＳＯxトラップ触媒２０内を通過する際に通過時間にばらつきを生ずる。その結果、ＳＯxトラップ触媒２０から流出する排気ガスの空燃比ＳＯＸ（Ａ／Ｆ）OUTのピーク値は図６に示されるように低くなり、また空燃比ＳＯＸ（Ａ／Ｆ）OUTは長い時間に亘ってゆっくりと変化するようになる。
【００４３】
従って排気ガスの空燃比ＳＯＸ（Ａ／Ｆ）INがリッチにされたときのリッチの度合を適切に設定するとＳＯxトラップ触媒２０から流出する排気ガスの空燃比ＳＯＸ（Ａ／Ｆ）OUTをリーンに維持することができる。なお、ＳＯxトラップ触媒２０に流入する排気ガスの空燃比ＳＯＸ（Ａ／Ｆ）INをリッチにするに当っては図７に示されるように複数のパルス状に空燃比ＳＯＸ（Ａ／Ｆ）INをリッチにすることができる。
【００４４】
次にパティキュレートフィルタ２５の再生処理について説明する。ＳＯxトラップ触媒２０から放出されたＳＯxを含む排気ガスは、ＳＯxトラップ触媒２０からの流出時は平均化すればリーン空燃比であってＳＯx放出温度である。その後、排気ガスはバイパス通路３０を経由することによって或る程度温度低下するものの、高温のまま酸化触媒２４及びパティキュレートフィルタ２５に流入し、パティキュレートフィルタ２５を昇温させることによって再生処理を行うことができる。
【００４５】
即ち、ＳＯxトラップ触媒２０のＳＯx放出処理を行うと同時に、そのときに流出した高温の排気ガスを利用して、短時間で効率的にパティキュレートフィルタ２５の再生処理も実施できる。仮にバイパス通路３０を経由させない場合、排気ガスはＮＯx吸蔵還元触媒２２を通過し、ＮＯx吸蔵還元触媒２２によって排気ガスの熱が吸収されてしまうためパティキュレートフィルタ２５に到達する頃には低温となってしまい、再生温度まで昇温させることができない。
【００４６】
なお、高温の排気ガスを利用してもパティキュレートフィルタ２５の床温度Ｔを再生温度ＴＳまで昇温できない場合には、還元剤供給弁２９から還元剤を供給することによって酸化触媒２４の酸化反応熱を利用し床温度Ｔを昇温させる。このとき、パティキュレートフィルタ２５に流入する排気ガスの空燃比ＤＰＦ（Ａ／Ｆ）INは、前述のようにリーンに維持される。さらに、図６及び図７に示されるＳＯxトラップ触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリッチにした期間以外の期間で還元剤を供給することで、パティキュレートフィルタ２５に流入する排気ガスを確実にリーンにすることができるのでより好ましい。
【００４７】
図８は、ＳＯxトラップ触媒２０のＳＯx捕集量ΣＳＯＸが許容値ＭＡＸに達したときの、ＳＯxトラップ触媒２０に流入する排気ガスの空燃比ＳＯＸ（Ａ／Ｆ）INと、ＳＯxトラップ触媒２０から流出する排気ガスの空燃比ＳＯＸ（Ａ／Ｆ）OUTと、還元剤供給タイミングと、パティキュレートフィルタ２５の前後差圧ΔＰと、パティキュレートフィルタ２５に流入する排気ガスの空燃比ＤＰＦ（Ａ／Ｆ）INと、パティキュレートフィルタ２５の温度Ｔとの関係を時系列で表している。
【００４８】
次に図９を参照しながら、ＳＯxトラップ触媒２１に捕集されたＳＯxを放出させると同時にパティキュレートフィルタ２５の再生処理を同時に行う、ＳＯx放出処理同時フィルタ再生処理操作のフローチャートについて説明する。この操作は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）５０によって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ルーチンとして行われる。
【００４９】
図９を参照すると、まず初めにステップ１００において図５（Ａ），（Ｂ）からそれぞれ単位時間当り捕集されるＳＯx捕集量ＳＯＸＡ及びＳＯＭＢが読み込まれる。次いでステップ１０１ではこれらＳＯＸＡ及びＳＯＭＢの和がＳＯx捕集量ΣＳＯＸに加算される。次いでステップ１０２ではＳＯx捕集量ΣＳＯＸが許容量ＭＡＸを超えたか否かが判定され、ΣＳＯＸ＞ＭＡＸとなったときにはステップ１０３に進む。一方、ＳＯx捕集量ΣＳＯＸが許容量ＭＡＸ以下の場合には、ＳＯx放出処理及びフィルタ再生処理は行わずにルーチンを終了する。
【００５０】
ステップ１０３ではＳＯx放出処理の準備のため、またＳＯxトラップ率が低下したＳＯｘトラップ触媒２０から捕集しきれなくなったＳＯxがＮＯx吸蔵還元触媒２２に流入しないように、切替弁３１がバイパス開位置に切り替えられる。次いでステップ１０４において、昇温制御を行うと共に排気ガスの空燃比をリーンからリッチにしてＳＯxを放出させるＳＯx放出処理を行う。これによってバイパス通路３０には高温の排気ガスが流入する。
【００５１】
次いでステップ１０５では、バイパス通路３０から流入した高温の排気ガスによってパティキュレートフィルタ２５の床温度Ｔが粒子状物質を酸化除去可能な再生温度ＴＳに達しているか否かが判定され、Ｔ≧ＴＳの場合はステップ１０７に進む。一方、床温度Ｔが再生温度ＴＳに達していない場合にはステップ１０６に進んで、還元剤供給弁２９から酸化触媒２４に対して還元剤が供給され、酸化反応熱によってパティキュレートフィルタ２５を昇温させ、再度ステップ１０５で再生温度ＴＳに達したか判定される。
【００５２】
ステップ１０７では、パティキュレートフィルタ２５の再生処理がなされ、ＳＯx放出処理及びフィルタ再生処理が終わると、次いでステップ１０８では切替弁３１がバイパス閉位置に切り替えられ、最後にＳＯx捕集量ΣＳＯＸが０にクリアされてルーチンを終了する。
【００５３】
本実施例では、図９のフローチャートでステップ１０２に示すように、ＳＯxトラップ触媒２０に捕集されたＳＯx量ΣＳＯＸが予め定められた許容量ＭＡＸを超えたことをトリガーにＳＯxトラップ触媒２０のＳＯx放出処理を行い、それによってパティキュレートフィルタ２５の再生処理も同時に行った。逆に、パティキュレートフィルタ２５に堆積した粒子状物質量が予め定められた量を超えたことをトリガーにしてもよい。
【００５４】
具体的に言うと本実施例では差圧センサ３５によって検出されたパティキュレートフィルタ２５の前後差圧ΔＰが許容値ＰＸを越えたときに堆積粒子状物質の量が許容量を越えたと判断する。そしてこれをトリガーにＳＯxトラップ触媒２０のＳＯx放出処理を行い、それによってパティキュレートフィルタ２５の再生処理も同時に行うようにしてもよい。
【００５５】
図１０を参照しながら、本実施例によるＳＯx放出処理同時フィルタ再生処理操作のフローチャートについて説明する。図９に示すフローチャートではステップ１０２においてＳＯx捕集量ΣＳＯＸの値を判定していたのに対して、それに相当するステップ２０２おいてパティキュレートフィルタ２５の前後差圧ΔＰが許容値ＰＸを超えたか否かを判定している点で、これら二つのフローチャートは異なっている。その他のステップについては図９に示すフローチャートと同様である。
【００５６】
さらに、ＳＯxトラップ触媒２０に捕集されたＳＯx量ΣＳＯＸ及びパティキュレートフィルタ２５の前後差圧ΔＰの両方を監視し、いずれか一方が予め定められた量に達したことをトリガーにしてもよい。
【００５７】
図１１を参照しながら、本実施例によるＳＯx放出処理同時フィルタ再生処理操作のフローチャートについて説明する。図１１に示すフローチャートでは、その他の実施例におけるステップ１０２及びステップ２０２に相当するステップ３０２、３０３の部分においてその他のフローチャートと異なる。即ち、ステップ３０２ではＳＯx捕集量ΣＳＯＸが許容量ＭＡＸを超えたか否かが判定され、ΣＳＯＸ＞ＭＡＸとなったときにはステップ３０４に進んで切替弁３１をバイパス開位置に切り替える。一方、ＳＯx捕集量ΣＳＯＸが許容量ＭＡＸ以下の場合には、ステップ３０３に進んでパティキュレートフィルタ２５の前後差圧ΔＰが許容値ＰＸを超えたか否かが判定され、ΔＰ＞ＰＸとなったときにはステップ３０４に進む。一方、前後差圧ΔＰが許容値ＰＸ以下の場合には、ＳＯx放出処理及びフィルタ再生処理は行わずにルーチンを終了する。
【００５８】
図１２は、本発明による別の実施形態を示す図である。図１に示す実施形態とは、切替弁３１の下流であってＮＯx吸蔵還元触媒２２の上流排気管２１内に、温度センサ３７が取り付けられたＳＯxトラップ触媒３６を配置した点において異なる。以下、より上流側に配置されたＳＯxトラップ触媒２０を上流側ＳＯxトラップ触媒２０と称し、それよりも下流側に配置されたＳＯxトラップ触媒３６を下流側ＳＯxトラップ触媒３６と称す。
【００５９】
切替弁３１は、その弁のタイプにも依るが、バイパス開位置にある状態でも排気ガスすべてをバイパス通路３０に誘導することはできず、１〜１０パーセント程度の割合で排気通路下流に排気ガスが漏れてしまう場合がある。そうすると、図１に示す実施形態においてＳＯxトラップ触媒２０からＳＯx放出させているときに漏れてしまうと、ＮＯx吸蔵還元触媒２２がイオウ被毒し、そのＮＯx吸蔵能力を低下させてしまうという問題がある。
【００６０】
そこで、本実施形態では、ＳＯxを含む排気ガスがバイパス開位置にある切替弁３１をすり抜けてＮＯx吸蔵還元触媒２２がイオウ被毒してしまうのを確実に防止するため、その上流に下流側ＳＯxトラップ触媒３６を配置している。上流側ＳＯxトラップ触媒２０は、一時的に捕集したＳＯxを定期的に放出する役割を果たし、下流側ＳＯxトラップ触媒３６は、流入したＳＯxを捕集して放出しないように保持する役割を果たしている。
【００６１】
そのため、下流側ＳＯxトラップ触媒３６は、先に説明した上流側ＳＯxトラップ触媒２０と同じタイプのものであってもよいが、上流側ＳＯxトラップ触媒２０に比べて下流側ＳＯxトラップ触媒３６は、捕集したＳＯxを放出し難い性質を有することが好ましい。このような性質を有するＳＯxトラップ触媒の例として二つの実施例について説明する。
【００６２】
図１３は、一番目の実施例による下流側ＳＯxトラップ触媒３６の基体８０の表面部分の断面を図解的に示している。図１３に示されるように下流側ＳＯxトラップ触媒３６の基体８０の表面上にはコート層８１が形成されており、このコート層８１の表面上には貴金属触媒８２が分散して担持されている。
【００６３】
下流側ＳＯxトラップ触媒３６のコート層８１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３６のコート層８１は強塩基性を呈している。
【００６４】
ところで、コート層８１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８１内に捕集されやすくなる。従って白金Ｐｔほど酸化能力のない鉄Ｆｅ又は銀Ａｇからなる卑金属触媒が使用されてもよく、或いは貴金属触媒８２として上流側ＳＯxトラップ触媒２０よりも少量の白金Ｐｔが使用される。
【００６５】
このように本実施例では、下流側ＳＯxトラップ触媒３６の貴金属触媒８２は上流側ＳＯxトラップ触媒２０の貴金属触媒７７に比べて酸化能力の低い貴金属触媒又は卑金属触媒が使用されている。従って下流側ＳＯxトラップ触媒３６は上流側ＳＯxトラップ触媒２０に比べて塩基性が強く、酸化能力が低いことになる。
【００６６】
図１３においてコート層８１内における濃淡は捕集されたＳＯxの濃度を示している。図１３からわかるようにコート層８１内におけるＳＯx濃度はコート層８１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８１の表面近傍におけるＳＯx濃度が高くなるとコート層８１の表面の塩基性が弱まり、ＳＯxの捕集能力が弱まる。
【００６７】
ところが下流側ＳＯxトラップ触媒３６の温度が機関運転中に上昇するとコート層８１内の表面近傍に集中的に存在するＳＯxはコート層８１内におけるＳＯx濃度が均一となるようにコート層８１の奥部に向けて拡散していく。即ち、コート層８１内に生成されている硫酸塩はコート層８１の表面近傍に集中している不安定な状態からコート層８１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８１内の表面近傍に存在するＳＯxがコート層８１の奥部に向けて拡散するとコート層８１の表面近傍のＳＯx濃度が低下し、ＳＯxの捕集能力が機関運転中に回復することになる。
【００６８】
図１４（Ａ）は、二番目の実施例による下流側ＳＯxトラップ触媒３６の基体８５の表面部分の断面を図解的に示している。図１４（Ａ）に示されるように下流側ＳＯxトラップ触媒３６の基体８５の表面上にはコート層８６が形成されており、このコート層８６の表面上には貴金属触媒８７が分散して担持されている。
【００６９】
本実施例では貴金属触媒８７として白金が用いられており、コート層８６内には触媒担体上に担持されている触媒が黒い点で示されるように一様に分散されている。コート層８６内において一様に分散されている触媒は主にアルカリ金属からなり、本発明による実施例ではアルカリ金属のうちでも特にリチウムＬｉ、ナトリウムＮａ、カリウムＫから選ばれた少なくとも一つが用いられている。
【００７０】
次にＳＯxのトラップメカニズムについて説明する。なお、以下アルカリ金属としてカリウムＫを用いた場合を例にとってＳＯxのトラップメカニズムについて説明するが他のアルカリ金属を用いた場合でも同様のトラップメカニズムとなる。
【００７１】
図１４（Ａ）は新品のときの下流側ＳＯxトラップ触媒３６を示しており、このときにはコート層８６内にカリウムＫが均一に分散されている。また、このときにはコート層８６内のカリウムＫは大気中のＣＯ2と結びついて炭酸塩Ｋ2ＣＯ3の形をとっている。機関が運転されると排気ガス中に多量に含まれるＮＯが白金Ｐｔ８７において酸化され、次いで塩基性を呈しているコート層８６内に取込まれて硝酸イオンＮＯ3-の形でコート層８６内に拡散する。この硝酸イオンＮＯ3-は炭酸イオンＣＯ3-よりも酸性が強く、従ってカリウムＫに結合している炭酸イオンＣＯ3-が硝酸イオンＮＯ3-に置き換わるためにコート層８６内には硝酸塩ＫＮＯ3が生成される。
【００７２】
一方、機関が運転されると排気ガス中に含まれるＳＯx、即ちＳＯ2は図１４（Ａ）に示されるように白金Ｐｔ８７上において酸化され、次いで塩基性を呈しているコート層８６内に硫酸イオンＳＯ42-の形で取込まれる。ところで排気ガス中に含まれるＳＯxの濃度はＮＯxの濃度に比べてかなり低く、従ってＳＯxが硫酸イオンＳＯ42-の形でコート層８６内に取込まれる頃にはコート層８６内の多くのカリウムＫは硝酸塩ＫＮＯ3となっている。従ってＳＯ2は硝酸塩ＫＮＯ3が生成されているコート層８６内に硫酸イオンＳＯ42-の形で取込まれることになる。
【００７３】
この場合、硫酸イオンＳＯ42-は硝酸イオンＮＯ3-よりも酸性が強く、従ってこのときカリウムＫと結合している硝酸イオンＮＯ3-が硫酸イオンＳＯ42-に置き換わるためにコート層８６の表面付近には硫酸塩Ｋ2ＳＯ4が生成される。このようにしてＳＯxが下流側ＳＯxトラップ触媒３６内に捕集される。
【００７４】
コート層８６の表面付近に生成される硫酸塩Ｋ2ＳＯ4が増大するとコート層８６の表面付近においてＳＯxを取り込みうる硝酸塩ＫＮＯ3が減少し、その結果ＳＯxの捕集能力が弱まる。コート層８６の表面付近に生成される硫酸塩Ｋ2ＳＯ4が増大するとそれに伴ってＳＯxトラップ率が低下することになる。
【００７５】
このような状況下で、機関運転中に下流側ＳＯxトラップ触媒３６の温度をアルカリ金属の硝酸塩、例えばＫＮＯ3が溶融状態になる温度に保持すると、下流側ＳＯxトラップ触媒３６内の硝酸塩ＫＮＯ3が短時間のうちに図１４（Ｂ）に示されるように下流側ＳＯxトラップ触媒３６の表面、即ちコート層８６の表面に移動して凝集し、それによってＳＯxトラップ率が回復する。
【００７６】
即ち、ＳＯxがコート層８６の表面付近に硫酸イオンＳＯ42-の形で取り込まれるとコート層８６の表面付近の酸性が強くなる。従ってアルカリ金属の硝酸塩ＫＮＯ3が溶融状態に保持されていると硝酸塩ＫＮＯ3がコート層８６の表面に向け移動してコート層８６の表面付近に凝集する。このように硝酸塩ＫＮＯ3がコート層８６の表面付近に凝集すると到来したＳＯxはただちに硫酸イオンＳＯ42-の形で取り込まれ、次いで硫酸塩Ｋ2ＳＯ4の形でコート層８６内に捕集される。こうしてアルカリ金属の硝酸塩を溶融状態に保持するとＳＯxトラップ率がほぼ１００パーセントまで回復することになる。
【００７７】
なお、アルカリ金属の硝酸塩ＫＮＯ3は溶融状態にないときでも多少はコート層８６の表面に向けて移動するものと考えられる。従って正確に言うと、本実施例では機関運転中に下流側ＳＯxトラップ触媒３６の温度をアルカリ金属の硝酸塩ＫＮＯ3が溶融状態となる温度に保持することにより、下流側ＳＯxトラップ触媒３６内の硝酸塩ＫＮＯ3がコート層８６の表面に移動して凝集する硝酸塩移動凝集作用が促進され、この硝酸塩移動凝集作用によりＳＯxトラップ率が回復されることになる。
【００７８】
なお、図１３及び図１４を用いて説明した上記二つのタイプのＳＯxトラップ触媒は、上流側ＳＯxトラップ触媒２０として用いてもよい。ただし、上流側ＳＯxトラップ触媒２０は、一時的に捕集したＳＯxを定期的に放出する役割を果たし、下流側ＳＯxトラップ触媒３６は、流入したＳＯxを捕集して放出しないように保持する役割を果たすため、下流側ＳＯxトラップ触媒３６は上流側ＳＯxトラップ触媒２０に比べて塩基性が強く、酸化能力が低いことが望ましい。また、図９から図１１に示すＳＯx放出処理同時フィルタ再生処理操作のフローチャートは、本実施形態にそのまま適用可能である。
【００７９】
図１５は、本発明による別の実施形態を示す図である。図１に示す実施形態とは、排気通路１９から分岐しＳＯxトラップ触媒２０を迂回して、切替弁３１下流の排気管２１に合流するバイパス通路３８を備え、排気通路１９に設けられたバイパス通路３８の入口の開口に切替弁３９が配置されている点において異なる。還元剤供給弁２７は、供給した還元剤がバイパス通路３８内に入らないように、排気通路１９内であって切替弁３９の下流に配置されている。
【００８０】
切替弁３９は、図１５に実線で示されるように排気ガスの一部をバイパス通路３８内に誘導すると共に排気ガスの残りをＳＯxトラップ触媒２０に誘導するバイパス開位置と、図１５に破線で示されるように、排気タービン７ｂから排出された排気ガスをそのままＳＯxトラップ触媒２０へ導くバイパス閉位置との間で図示しないアクチュエータによって切替可能になっている。切替弁３９は通常、バイパス閉位置に保持されている。
【００８１】
前述のように捕集されたＳＯx量ΣＳＯＸを推定し、捕集されたＳＯx量ΣＳＯＸが予め定められた量を超えたとき、切替弁３１及び切替弁３９をバイパス開位置に切り替える。この状態で、ＳＯxトラップ触媒２０から捕集したＳＯxを放出させると、放出されたＳＯxの大部分はバイパス通路３０内に誘導されるが、前述のように放出されたＳＯxの一部は切替弁３１から排気通路下流へ漏れてしまう。
【００８２】
このように漏れたＳＯxを含む排気ガスは、切替弁３９によってバイパス通路３８に誘導された一部の排気ガスと混合する。バイパス通路３８を経由した排気ガスは、ＳＯxトラップ触媒２０から流出した排気ガスよりも空燃比がリーンとなっており酸素をより多く含んでいる。従って、切替弁３１から漏れたＳＯxを含む排気ガスがＮＯx吸蔵還元触媒２２にＳＯxに流入したとしても、多く含まれる酸素によってＳＯxの酸化が促進され、ＮＯx吸蔵還元触媒２２の入口付近においてのみイオウ被毒される。即ち、ＮＯx吸蔵還元触媒２２全体に亘ってイオウ被毒されることが避けられるため、ＮＯx吸蔵能力の低下は最低限度に留められるという効果を奏する。
【００８３】
図１６は、本発明による更に別の実施形態を示す図である。本実施形態は、図１２に示す実施形態と図１５に示す実施形態を組み合わせた構成である。これらの構成を組み合わせると、二つのＳＯxトラップ触媒を直列に配置することによるＮＯx吸蔵還元触媒２２へのＳＯxの流入を確実に防止することができるという効果に加え、バイパス通路３８から下流側ＳＯxトラップ触媒３６に流入する排気ガスがより多くの酸素を含むことによって、ＳＯxの酸化が促進され、下流側ＳＯxトラップ触媒３６のＳＯx捕集能力を向上させるという効果を奏する。
【００８４】
なお、図１５及び図１６に示す実施形態において、図９から図１１に示すＳＯx放出処理同時フィルタ再生処理操作のフローチャートは、切替弁３１がバイパス開位置に切り替えられるとき切替弁３９もバイパス開位置に切り替えられ、切替弁３１がバイパス閉位置に切り替えられるとき切替弁３９もバイパス閉位置に切り替えられるという点以外、これら実施形態にそのまま適用可能である。
【００８５】
さらに、これら実施形態において、排気行程中に燃焼室２内に燃料を噴射することによって上流側ＳＯxトラップ触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることはできない。バイパス通路３８を経由して空燃比リーンの排気ガスをＮＯx吸蔵還元触媒２２又は下流側ＳＯxトラップ触媒３６に流入させることができないからである。従って、切替弁３９の下流排気通路内に配置された還元剤供給弁２７から還元剤を供給することによって、上流側ＳＯxトラップ触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をリッチにする。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】圧縮着火式内燃機関の全体図である。
【図２】パティキュレートフィルタの構造を示す図である。
【図３】ＮＯx吸蔵還元触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。
【図４】ＳＯxトラップ触媒の基材の表面部分の断面図である。
【図５】ＳＯx捕集量ＳＯＸＡ、ＳＯＸＢのマップを示す図である。
【図６】リッチ制御を示すタイムチャートである。
【図７】リッチ制御を示すタイムチャートである。
【図８】ＳＯx放出処理とフィルタ再生処理とを示すタイムチャートである。
【図９】ＳＯx放出処理同時フィルタ再生処理操作を示すフローチャートである。
【図１０】ＳＯx放出処理同時フィルタ再生処理操作を示すフローチャートである。
【図１１】ＳＯx放出処理同時フィルタ再生処理操作を示すフローチャートである。
【図１２】圧縮着火式内燃機関の別の実施形態を示す全体図である。
【図１３】ＳＯxトラップ触媒の基材の表面部分の断面図である。
【図１４】ＳＯxトラップ触媒の基材の表面部分の断面図である。
【図１５】圧縮着火式内燃機関の更に別の実施形態を示す全体図である。
【図１６】圧縮着火式内燃機関の更に別の実施形態を示す全体図である。
【符号の説明】
【００８７】
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
２０ ＳＯxトラップ触媒
２２ ＮＯx吸蔵還元触媒
２４ 酸化触媒
２５ パティキュレートフィルタ
２７，２９ 還元剤供給弁
３０ バイパス通路
３１ 切替弁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気通路内に配置され、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を捕集する第一のＳＯxトラップ触媒であって、該第一のＳＯxトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチの下で当該第一のＳＯxトラップ触媒の温度がＳＯx放出温度以上であれば捕集したＳＯxを放出する性質を有する第一のＳＯxトラップ触媒と、第一のＳＯxトラップ触媒下流排気通路内に配置され、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を還元浄化するＮＯx吸蔵還元触媒と、ＮＯx吸蔵還元触媒下流排気通路内に配置され、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタとを具備する内燃機関において、第一のＳＯxトラップ触媒下流排気通路から分岐してＮＯx吸蔵還元触媒を迂回してパティキュレートフィルタ上流排気通路へ合流する第一のバイパス通路と、第一のバイパス通路入口に配置され、第一のＳＯxトラップ触媒から流出した排気ガスをＮＯx吸蔵還元触媒へ導くバイパス閉位置及び第一のバイパス通路内に導くバイパス開位置間で切替可能な第一の切替弁とを更に具備し、第一のＳＯxトラップ触媒がＳＯx放出温度以上となって捕集したＳＯxを放出するとき、第一の切替弁がバイパス開位置に切り替えられ、第一のバイパス通路を通った排気ガスがパティキュレートフィルタを昇温させて再生処理を行う内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
ＮＯx吸蔵還元触媒上流排気通路内であって第一の切替弁下流に配置された第二のＳＯxトラップ触媒を更に具備し、第二のＳＯxトラップ触媒が第一のＳＯxトラップ触媒に比べて捕集したＳＯxを放出し難い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３】
第一のＳＯxトラップ触媒上流排気通路から分岐して第一のＳＯxトラップ触媒及び第一の切替弁を迂回して第一の切替弁下流排気通路内へ合流する第二のバイパス通路と、第二のバイパス通路入口に配置され、内燃機関の排気ガスのほぼ全てを第一のＳＯxトラップ触媒へ導くバイパス閉位置及び内燃機関の排気ガスの一部のみを第二のバイパス通路内に導くバイパス開位置間で切替可能な第二の切替弁とを更に具備し、第一の切替弁がバイパス開位置に切り替えられるとき第二の切替弁もバイパス開位置に切り替えられ、第一の切替弁がバイパス閉位置に切り替えられるとき第二の切替弁もバイパス閉位置に切り替えられる請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
パティキュレートフィルタ上流排気通路内に配置された酸化触媒を更に具備する請求項１から３のいずれか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
酸化触媒上流排気通路内に還元剤を供給する還元剤供給手段を更に具備する請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１】
機関排気通路内に配置され、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を捕集する第一のＳＯxトラップ触媒であって、該第一のＳＯxトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチの下で当該第一のＳＯxトラップ触媒の温度がＳＯx放出温度以上であれば捕集したＳＯxを放出する性質を有する第一のＳＯxトラップ触媒と、第一のＳＯxトラップ触媒下流排気通路内に配置され、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を還元浄化するＮＯx吸蔵還元触媒と、ＮＯx吸蔵還元触媒下流排気通路内に配置され、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタとを具備する内燃機関において、第一のＳＯxトラップ触媒下流排気通路から分岐してＮＯx吸蔵還元触媒を迂回してパティキュレートフィルタ上流排気通路へ合流する第一のバイパス通路と、第一のバイパス通路入口に配置され、第一のＳＯxトラップ触媒から流出した排気ガスをＮＯx吸蔵還元触媒へ導くバイパス閉位置及び第一のバイパス通路内に導くバイパス開位置間で切替可能な第一の切替弁とを更に具備し、第一のＳＯxトラップ触媒がＳＯx放出温度以上となって捕集したＳＯxを放出するとき、第一の切替弁がバイパス開位置に切り替えられ、第一のバイパス通路を通った排気ガスがパティキュレートフィルタを昇温させて再生処理を行う内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
ＮＯx吸蔵還元触媒上流排気通路内であって第一の切替弁下流に配置された第二のＳＯxトラップ触媒を更に具備し、第二のＳＯxトラップ触媒が第一のＳＯxトラップ触媒に比べて捕集したＳＯxを放出し難い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３】
第一のＳＯxトラップ触媒上流排気通路から分岐して第一のＳＯxトラップ触媒及び第一の切替弁を迂回して第一の切替弁下流排気通路内へ合流する第二のバイパス通路と、第二のバイパス通路入口に配置され、内燃機関の排気ガスのほぼ全てを第一のＳＯxトラップ触媒へ導くバイパス閉位置及び内燃機関の排気ガスの一部のみを第二のバイパス通路内に導くバイパス開位置間で切替可能な第二の切替弁とを更に具備し、第一の切替弁がバイパス開位置に切り替えられるとき第二の切替弁もバイパス開位置に切り替えられ、第一の切替弁がバイパス閉位置に切り替えられるとき第二の切替弁もバイパス閉位置に切り替えられる請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
パティキュレートフィルタ上流排気通路内に配置された酸化触媒を更に具備する請求項１から３のいずれか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
酸化触媒上流排気通路内に還元剤を供給する還元剤供給手段を更に具備する請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００９−１０８７００（Ｐ２００９−１０８７００Ａ）
【公開日】平成２１年５月２１日（２００９．５．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２７９２０６（Ｐ２００７−２７９２０６）
【出願日】平成１９年１０月２６日（２００７．１０．２６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月２１日（２００９．５．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月２６日（２００７．１０．２６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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