JP2009257226A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯｘ選択還元触媒が活性化温度に達する前及び達した直後において高濃度のＮＯｘの排出を抑制する内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】機関排気通路内にＮＯｘ選択還元触媒２４を配置し、ＮＯｘ選択還元触媒の上流の機関排気通路内に上流酸化触媒２２を配置すると共に下流の機関排気通路内に下流酸化触媒２５を配置する。これら酸化触媒は冷間始動時に流入したＮＯｘを吸着し触媒温度の上昇に伴って吸着したＮＯｘを脱離する。冷間始動後に上流酸化触媒が吸着しその後脱離したＮＯｘを含む排気ガス中のＮＯｘを下流酸化触媒が吸着し、下流酸化触媒が活性化温度以上になったとき、排気通路内に燃料を添加し下流酸化触媒に吸着したＮＯｘを還元浄化する。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

機関排気通路内にＮＯｘ選択還元触媒を配置し、ＮＯｘ選択還元触媒上流の機関排気通路内にＮＯｘ吸着触媒を配置した内燃機関において、排気ガスの温度が低いＮＯｘ選択還元触媒活性化前においては排気ガス中に含まれるＮＯｘがＮＯｘ吸着触媒に吸着し、排気ガスの温度が高くなるとＮＯｘ吸着触媒が昇温して吸着したＮＯｘが脱離し、ＮＯｘ選択還元触媒に尿素を供給して尿素から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯｘを選択的に還元する内燃機関が公知である（特許文献１参照）。

特表２００６−５１９３３２号公報

しかしながらこの内燃機関では、ＮＯｘ吸着触媒が昇温して吸着したＮＯｘの脱離開始後であって、ＮＯｘ選択還元触媒がＮＯｘを還元浄化可能な活性化温度に達する前及び達した直後において、排気ガス中のＮＯｘに加えて脱離したＮＯｘが加わった高濃度のＮＯｘが、還元浄化されずに排出されてしまうという問題がある。

そこで本発明は、ＮＯｘ選択還元触媒が活性化温度に達する前及び達した直後において高濃度のＮＯｘの排出を抑制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。

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、排気通路内に燃料を添加する燃料添加手段を具備し、機関排気通路内にＮＯｘ選択還元触媒を配置し、ＮＯｘ選択還元触媒の上流の機関排気通路内に上流ＮＯｘ吸着触媒を配置すると共に下流の機関排気通路内に下流ＮＯｘ吸着触媒を配置し、これらＮＯｘ吸着触媒は冷間始動時に流入したＮＯｘを吸着し触媒温度の上昇に伴って吸着したＮＯｘを脱離し、ＮＯｘ選択還元触媒に尿素を供給して該尿素から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯｘを選択的に還元する内燃機関の排気浄化装置において、冷間始動後に上流ＮＯｘ吸着触媒が吸着しその後脱離したＮＯｘを含む排気ガス中のＮＯｘを下流ＮＯｘ吸着触媒が吸着し、下流ＮＯｘ吸着触媒が活性化温度以上になったとき、排気通路内に燃料を添加し下流ＮＯｘ吸着触媒に吸着したＮＯｘを還元浄化する内燃機関の排気浄化装置が提供される。

即ち、請求項１に記載の発明では、下流ＮＯｘ吸着触媒が活性化温度以上になったとき、排気通路内に燃料を添加することによって、下流ＮＯｘ吸着触媒からのＮＯｘの脱離が開始する前に、吸着したＮＯｘの還元浄化を行うことができる。これによって、高濃度のＮＯｘの排出を抑制することが可能となる。

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、前記燃料の添加が、下流ＮＯｘ吸着触媒が、吸着したＮＯｘの脱離が完了する予め定められた温度に達するまで行われ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、下流ＮＯｘ吸着触媒に吸着したＮＯｘの脱離が完了するまで燃料を添加することによって、下流ＮＯｘ吸着触媒のＮＯｘの吸着能力を回復させることができ、次の冷間始動時のＮＯｘの流入に備えることができる。

また、請求項３に記載の発明によれば請求項２に記載の発明において、ＮＯｘ選択還元触媒が活性化した後において、上流ＮＯｘ吸着触媒の触媒温度及びＮＯｘ選択還元触媒の触媒温度に基づき下流ＮＯｘ吸着触媒から排出されるＮＯｘ量を最小にする燃料添加量を算出する最適燃料量算出手段を具備する内燃機関の排気浄化装置が提供される。即ち、請求項３に記載の発明では、後述するような、燃料添加量の増加に伴う、ＮＯｘ選択還元触媒のＮＯｘ浄化率の低下と下流ＮＯｘ吸着触媒のＮＯｘの還元浄化能力の向上との関係を考慮し、排出されるＮＯｘ量が最小とすることが可能となる。

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、前記燃料添加手段が、燃料添加弁からの燃料添加又は排気行程後半における燃焼室内への燃料噴射である内燃機関の排気浄化装置が提供される。

また、請求項５に記載の発明によれば請求項１から４のいずれか１つに記載の発明において、ＮＯｘ選択還元触媒に付着した燃料量を推定する付着燃料量推定手段及びＮＯｘ選択還元触媒を昇温させるＮＯｘ選択還元触媒昇温手段を更に具備し、付着した燃料量が予め定められた値以上のときＮＯｘ選択還元触媒を昇温させ、付着した燃料を酸化除去する内燃機関の排気浄化装置が提供される。即ち、請求項５に記載の発明では、下流ＮＯｘ吸着触媒に吸着したＮＯｘの還元浄化の目的等で排気通路内に流入した燃料が、ＮＯｘ選択還元触媒に付着することによって低下したＮＯｘ浄化率を、酸化除去することによって回復させることが可能となる。

また、請求項６に記載の発明によれば請求項１から５のいずれか１つに記載の発明において、上流ＮＯｘ吸着触媒の劣化度合を推定する劣化度合推定手段及び触媒暖機制御手段を更に具備し、上流ＮＯｘ吸着触媒の劣化度合に応じて下流ＮＯｘ吸着触媒を触媒を昇温する内燃機関の排気浄化装置が提供される。即ち、請求項６に記載の発明では、長期間に亘る使用によって、上流ＮＯｘ吸着触媒が下流ＮＯｘ吸着触媒よりも劣化するが、後述するように、劣化によって増加する下流ＮＯｘ吸着触媒からのＮＯｘの排出を、抑制することが可能となる。

各請求項に記載の発明によれば、ＮＯｘ選択還元触媒が活性化温度に達する前及び達した直後において高濃度のＮＯｘの排出を抑制するすることができるという共通の効果を奏する。

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に示す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。

一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口は後述する排気後処理装置２０に連結される。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に示す実施例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を用いて燃料タンク１８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。

排気後処理装置２０は上流ＮＯｘ吸着触媒２２とＮＯｘ選択還元触媒２４と下流ＮＯｘ吸着触媒２５とを有する。上流ＮＯｘ吸着触媒２２及び下流ＮＯｘ吸着触媒２５は、排気ガスの温度が低いときに排気ガス中に含まれるＮＯｘを吸着し、排気ガスの空燃比がリーンのもとで排気ガスの温度が高くなると吸着したＮＯｘをそのまま脱離する。ここで排気ガスの空燃比とは、燃焼室５及び排気通路内に供給された空気及び燃料（炭化水素）の比をいう。

上流ＮＯｘ吸着触媒２２は、図１に示す実施例では白金Ｐｔ等の貴金属を担持した酸化触媒からなるが、酸化触媒を担持したパティキュレートフィルタ、又はその他貴金属を担持した触媒であってもよい。一般に貴金属を担持した触媒は所定温度以下である場合にＮＯｘをその表面に吸着し、排気ガスの空燃比がリーンのもとで所定温度以上になると、吸着したＮＯｘをそのまま脱離する性質を有する。脱離は、吸着可能な量である吸着容量が温度上昇と共に低下し、吸着容量を超えた分の吸着していたＮＯｘが放出されることをいう。上流酸化触媒２２は、その下流に配置されたＮＯｘ選択還元触媒２４が、ＮＯｘを還元浄化し易いように、流入したＮＯを酸化してＮＯ₂に変換する役割も果たす。この役割については後述する。

ＮＯｘ選択還元触媒２４は、排気ガスの空燃比がリーンのもとでアンモニアによって排気ガス中のＮＯｘを選択的に還元することができる。ＮＯｘ選択還元触媒２４は、図１に示す実施例では、チタニアを担体とし、この担体上に酸化バナジウムを担持した触媒Ｖ₂Ｏ₅／ＴｉＯ₂、又はゼオライトを担体とし、この担体上に銅を担持した触媒Ｃｕ／ＺＳＭ５が用いられている。

下流ＮＯｘ吸着触媒２５は、図１に示す実施例では上流酸化触媒２２と同様の酸化触媒からなる。従って、流入したＮＯｘをその表面に吸着し脱離する性質を有する。当該下流酸化触媒２５は、その上流に配置されたＮＯｘ選択還元触媒２４と反応せずに流出したアンモニアを酸化する役割も果たす。

排気タービン７ｂの出口が排気通路２１を介して上流酸化触媒２２の入口に連結される。また、上流酸化触媒２２の出口が排気管２３を介してＮＯｘ選択還元触媒２４の入口に連結される。そして、ＮＯｘ選択還元触媒２４の出口が下流酸化触媒２５の入口に連結され、下流酸化触媒２５の出口が排気管２６に連結される。また、排気管２３内には上流酸化触媒２２から流出した排気ガスの温度を検出するための温度センサ２７が配置され、排気管２６内には下流酸化触媒２５から流出した排気ガスの温度を検出するための温度センサ２８が配置される。上流酸化触媒２２から流出した排気ガスの温度は上流酸化触媒２２の温度Ｔａを表し、下流酸化触媒２５から流出した排気ガスの温度はＮＯｘ選択還元触媒２４及び下流酸化触媒２５の温度Ｔｂを表す。

ＮＯｘ選択還元触媒２４上流の排気管２３内には尿素水供給弁２９が配置され、この尿素水供給弁２９は供給管、供給ポンプ３０を介して尿素水タンク３１に連結される。尿素水を供給すべきときには尿素水タンク３１内に貯蔵されている尿素水が供給ポンプ３０によって尿素水供給弁２９から排気管２３内を流れる排気ガス中に噴射され、このとき尿素から発生したアンモニア（（ＮＨ₂）２ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→２ＮＨ₃＋ＣＯ₂）によって排気ガス中に含まれるＮＯｘがＮＯｘ選択還元触媒２４において還元される。

電子制御ユニット（ＥＣＵ）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。エアフローメータ８、及び温度センサ２７，２８の出力信号はそれぞれ対応する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４９にはアクセルペダル４９の踏み込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ５０が接続され、負荷センサ５０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５１が接続される。ＣＰＵ４４ではクランク角センサ５１からの出力パルスに基づいて機関回転数Ｎが算出される。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３、スロットル弁１０駆動装置、ＥＧＲ制御弁１３、燃料ポンプ１７、尿素水供給弁３０及び供給ポンプ３１に接続される。

図２に単位時間当たりに排気通路内を通過するＮＯｘ量と時間の関係を示す。図２において、ＮＯＸａはＮＯｘ選択還元触媒２４上流の排気管２３内を単位時間当たりに通過するＮＯｘ量を示し、ＮＯＸｂは下流酸化触媒２５下流の排気管２６内を単位時間当たりに通過するＮＯｘ量を示す。そして、ＮＯＸ０は排気後処理装置２０に流入するＮＯｘ量、即ち、上流酸化触媒２２上流の排気通路２１内を単位時間当たりに通過するＮＯｘ量を示し、図２に示す期間において一定とする。

上流酸化触媒２２のＮＯｘ量ＮＯＸａは、機関始動直後である吸着区間Ｉａにおいて略ゼロである。これは、ＮＯｘ量ＮＯＸ０で上流酸化触媒２２に流入したＮＯｘの略全量が上流酸化触媒２２に吸着し、その下流の排気管２３内には流出していないことを表している。

その後の脱離区間ＩＩａにおいては、ＮＯｘ量ＮＯＸａが徐々に上昇している。これは、上流酸化触媒２２の温度Ｔａの上昇で吸着容量が低下することにより発生する脱離又は吸着容量の低下によるＮＯｘ吸着の飽和によって、上流酸化触媒２２からＮＯｘが流出しているためである。その後ＮＯｘ量ＮＯＸａはＮＯＸ０を超えて増加する。ＮＯｘ量ＮＯＸａがＮＯＸ０を超えているのは、上流酸化触媒２２から脱離したＮＯｘと、ＮＯＸ０の一定量で上流酸化触媒２２に流入するが吸着されずにそのまま流出したＮＯｘとが合算されている状態を表す。このとき、高濃度のＮＯｘが流出していることとなる。その後ＮＯｘ量ＮＯＸａはＮＯＸ０に収束し、脱離区間ＩＩａが終了する。ＮＯｘ量ＮＯＸａがＮＯＸ０に収束するということは、吸着区間Ｉａで吸着したＮＯｘが全て脱離したことを表している。

ここで、最初に述べたように、ＮＯｘ選択還元触媒２４が活性化する前に上流酸化触媒２２から脱離分を含む高濃度のＮＯｘが流出したとしても、下流酸化触媒２５によって吸着されるので、上流酸化触媒２２からの流出後しばらくの間はＮＯｘの排出が抑制される。

次に下流酸化触媒２５のＮＯｘ量ＮＯＸｂについて説明する。実線は本発明による燃料添加制御を行わない場合を示す。吸着区間Ｉｂにおいては、上流酸化触媒２２の吸着区間Ｉａと同様に、下流酸化触媒２５に流入するＮＯｘの略全量が吸着している。下流酸化触媒２５は上流酸化触媒２２よりも排気通路下流に配置されているため、触媒温度Ｔｂの昇温が遅く、従って、下流酸化触媒２５吸着区間Ｉｂは、上流酸化触媒２２吸着区間Ｉａよりも遅くまで継続する。

その後の脱離区間ＩＩｂにおいては、上流酸化触媒２２の脱離区間ＩＩａと同様に、触媒温度Ｔｂの上昇と共にＮＯｘが流出し、最終的にＮＯｘ量ＮＯＸ０に収束する。従って、このままだと、高濃度のＮＯｘが排出されてしまう。そこで、本発明による燃料添加制御を実行することによって、高濃度のＮＯｘが還元浄化されずに排出されることを抑制する。

次に、本発明による燃料添加制御について説明する。その前に、まず、下流酸化触媒２５の還元反応について説明する。下流酸化触媒２５は、還元剤、例えば燃料ＨＣが添加されるとそれを酸化するが、このときＮＯｘが吸着している場合、ＮＯｘ中の酸素によって燃料ＨＣを酸化する。そのため、ＮＯｘ自体は還元浄化される。従って、本発明による燃料添加制御によれば、この性質を利用して、下流酸化触媒２５に吸着したＮＯｘを還元浄化することができる。

ここで下流酸化触媒２５が活性化し、吸着したＮＯｘを還元浄化可能となる酸化触媒活性化温度Ｔｋは、脱離区間ＩＩｂが開始する温度よりも低い。従って、下流酸化触媒２５が酸化触媒活性化温度Ｔｋに達したとき、即ち、下流酸化触媒２５からＮＯｘが流出する前に、下流酸化触媒２５に燃料の添加を開始すると、吸着したＮＯｘが前述のように還元浄化され、高濃度のＮＯｘが還元浄化されずに排出されることを抑制することができる。即ち、図２の脱離区間ＩＩｂにおいて破線で示されるように、排出されるＮＯｘはＮＯｘ量ＮＯＸ０以下に抑えることができる。更にこの間にＮＯｘ選択還元触媒２４が活性化温度Ｔｎに達した後は、ＮＯｘ選択還元触媒２４を用いて排気ガス中のＮＯｘを還元浄化することもできる。

そして、下流酸化触媒２５に吸着しているＮＯｘの還元浄化が全て完了したとき、即ち、下流酸化触媒２５の脱離区間ＩＩｂが終了する脱離完了温度Ｔｅに達したときには、下流酸化触媒２５に対してこれ以上燃料の添加を継続する必要はないので、燃料添加制御を終了する。図２の一番下に、燃料添加制御を実行している区間をＯＮ、実行していない区間をＯＦＦで表す。

下流酸化触媒２５に燃料を添加するための方法として、本実施例では排気行程後半で燃焼室２内に燃料を噴射することによって、未燃燃料を排気後処理装置２０に添加する。なお、そのときの噴射量については、上流酸化触媒２２上における酸化反応で使用される分を考慮し、噴射量を調整する。即ち、上流酸化触媒２２の温度Ｔａが高いほど、上流酸化触媒２２上で燃料が使用されるため、噴射量によっては下流酸化触媒２５に到達する前に燃料が無くなってしまう。従って、上流酸化触媒２２の温度Ｔａとそこで使用される燃料量との関係を予め実験又は計算によって求め、それに基づいて噴射量を決定する。

図３は、燃料添加制御操作を示すフローチャートである。この操作は電子制御ユニット（ＥＣＵ）４０によって予め定められた所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。

まず、ステップ１０１において、温度センサ２８によって下流酸化触媒２５の温度Ｔｂが検出される。次いで、ステップ１０２では、触媒温度Ｔｂが酸化触媒活性化温度Ｔｋより大きく、且つ、脱離完了温度Ｔｅよりも小さいか否かが判定される。触媒温度Ｔｂが酸化触媒活性化温度Ｔｋよりも小さい場合には、燃料を添加しても還元反応が起きないので、燃料添加を行わず、ルーチンを終了する。同様に、触媒温度Ｔｂが脱離完了温度Ｔｅよりも大きい場合には、前述のように、還元すべきＮＯｘは下流酸化触媒２５には吸着しておらず、燃料を添加する必要がないので、燃料添加を行うことなく、ルーチンを終了する。

一方、ステップ１０２において、触媒温度Ｔｂが酸化触媒活性化温度Ｔｋより大きく、且つ、脱離完了温度Ｔｅよりも小さい場合には、次いでステップ１０３に進み、燃料添加を行って、ルーチンを終了する。

次に、本発明による別の燃料添加制御について説明する。本実施例による燃料添加制御は、前述の燃料添加制御中においてＮＯｘ選択還元触媒２４が活性化温度Ｔｎに達してから脱離完了温度Ｔｅに達するまでの温度域における制御に関し、より効率的にＮＯｘの排出を抑制することができる。

当該温度域では、ＮＯｘ選択還元触媒２４を利用して排気ガス中のＮＯｘを還元浄化することも可能である。しかしながら、ＮＯｘ選択還元触媒２４のＮＯｘ浄化率を高めようとすると、逆に下流酸化触媒２５の吸着したＮＯｘの浄化能力が低下し、下流酸化触媒２５の吸着したＮＯｘの浄化能力を向上しようとすると、逆にＮＯｘ選択還元触媒２４のＮＯｘ浄化率が低下する。これに関して、以下に詳述する。

ＮＯｘ選択還元触媒２４によってＮＯｘを選択的に還元浄化する場合、排気ガス中にＮＯｘに対するＮＯ₂の比率が５０パーセントのときにＮＯｘ浄化率が高く、最も良好にＮＯｘを還元浄化することができる。ところで排気ガス中に含まれるＮＯｘの大部分はＮＯである。従ってこの内燃機関では上流酸化触媒２２によってＮＯをＮＯ₂に変換し、ＮＯとＮＯ₂との比率が１：１に近づけるようにしている。そして、尿素水供給弁２９から排気管２３内に噴射された尿素から発生したアンモニアＮＨ₃によって、排気ガス中に含まれるＮＯｘが次式に示されるように選択的に還元される。
ＮＯ＋ＮＯ₂＋２ＮＨ₃→２Ｎ₂＋３Ｈ₂Ｏ

しかし、ここで前述のように下流酸化触媒２５に吸着したＮＯｘを還元浄化するために燃料ＨＣを添加すると、上流酸化触媒２２において、排気ガス中のＮＯｘが燃料ＨＣの酸化よってＮＯを生成することなく還元され、ＮＯ₂を十分に発生させることができない。その結果、ＮＯとＮＯ₂との比率が１：１に近づけることができず、ＮＯｘ選択還元触媒２４のＮＯｘ浄化率はその分低下してしまう。よって、下流酸化触媒２５のＮＯｘの浄化能力とＮＯｘ選択還元触媒２４のＮＯｘ浄化率とは、いわばトレードオフの関係にある。

下流酸化触媒２５のＮＯｘの浄化能力及びＮＯｘ選択還元触媒２４のＮＯｘ浄化率は、燃料添加量と触媒温度Ｔａ，Ｔｂに応じて変化するので、触媒温度Ｔａ，Ｔｂに応じて燃料添加量を調整することによって、最終的に排出されるＮＯｘ量が最も少なくなるように制御することが可能となる。

次に、最終的に排出されるＮＯｘ量を推定するための方法について説明する。上流酸化触媒２２によって酸化された後のＮＯｘに対するＮＯ₂の比率ＮＲは、上流酸化触媒２２の温度Ｔａ及び燃料添加量ＶＦの関数で表すことができ、図４に示されるようなマップの形で予めＲＯＭ４２内に記憶されている。更に、ＮＯｘ選択還元触媒２４のＮＯｘ浄化率ＮＣが、上流酸化触媒２２によって酸化された後のＮＯｘに対するＮＯ₂の比率ＮＲ及びＮＯｘ選択還元触媒２４の温度Ｔｂの関数で表すことができ、図５に示されるようなマップの形で予めＲＯＭ４２内に記憶されている。これらマップは、予め実験又は計算によって求める。

従って、これらマップをもとに、或る触媒温度Ｔａ，Ｔｂにおいて燃料を添加しない場合、即ち燃料添加量がゼロのときに最終的に排出されるＮＯｘ量ＮＯＸｏｆｆと、最適量の燃料を添加した場合に最終的に排出されるＮＯｘ量ＮＯＸｏｎとをそれぞれ算出し、これらを比較することによって、燃料を添加すべきか否かを判断するようにしている。即ち、ＮＯｘ量ＮＯＸｏｎがＮＯｘ量ＮＯＸｏｆｆよりも小さい場合、この場合には、燃料を添加することによって排出されるＮＯｘ量を減らす。これは、燃料を添加することによって低下するＮＯｘ選択還元触媒２４のＮＯｘ浄化率の影響よりも、それによって向上する下流酸化触媒２５のＮＯｘ浄化能力の影響の方が、排出されるＮＯｘ量の低減に寄与するからである。

一方、ＮＯｘ量ＮＯＸｏｎがＮＯｘ量ＮＯＸｏｆｆよりも大きい場合、この場合には、燃料を添加しないことによって排出されるＮＯｘ量を減らす。これは、燃料を添加しないことによって向上するＮＯｘ選択還元触媒２４のＮＯｘ浄化率の影響の方が、それによって低下する下流酸化触媒２５のＮＯｘ浄化能力の影響よりも、排出されるＮＯｘ量の低減に寄与するからである。

図６は、本実施例による燃料添加制御操作を示すフローチャートである。この操作は電子制御ユニット（ＥＣＵ）４０によって予め定められた所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。

まず、ステップ２０１において、温度センサ２７，２８によって上流酸化触媒２２の温度Ｔａ、ＮＯｘ選択還元触媒２４及び下流酸化触媒２５の温度Ｔｂがそれぞれ検出される。次いで、ステップ２０２では、図３のステップ１０１と同様に、触媒温度Ｔｂが酸化触媒活性化温度Ｔｋより大きく、且つ、脱離完了温度Ｔｅよりも小さいか否かが判定される。触媒温度Ｔｂが酸化触媒活性化温度Ｔｋよりも小さい場合には、燃料を添加しても還元反応が起きないので、燃料添加を行わず、ルーチンを終了する。同様に、触媒温度Ｔｂが脱離完了温度Ｔｅよりも大きい場合には、前述のように、還元すべきＮＯｘは下流酸化触媒２５には吸着しておらず、燃料を添加する必要がないので、燃料添加を行うことなく、ルーチンを終了する。

一方、ステップ２０２において、触媒温度Ｔｂが酸化触媒活性化温度Ｔｋより大きく、且つ、脱離完了温度Ｔｅよりも小さい場合には、次いでステップ２０３へと進む。次いで、ステップ２０３では、触媒温度ＴｂがＮＯｘ選択還元触媒活性化温度Ｔｎより大きいか否かが判定される。触媒温度ＴｂがＮＯｘ選択還元触媒活性化温度Ｔｎより小さい場合には、ＮＯｘ選択還元触媒２４の選択還元機能を利用することができない。従って、図３に示す燃料添加制御と同様に、ステップ２０８へと進み、下流酸化触媒２５に吸着したＮＯｘの還元浄化のために燃料添加を行い、ルーチンを終了する。

一方、ステップ２０３において、触媒温度ＴｂがＮＯｘ選択還元触媒活性化温度Ｔｎより大きい場合には、ステップ２０４へと進む。次いで、ステップ２０４では、触媒温度Ｔａに基づいてマップにより燃料添加量ＶＦに応じた、上流酸化触媒２２によって酸化された後のＮＯｘに対するＮＯ₂の比率ＮＲが算出され、ステップ２０５へと進む。次いで、ステップ２０５では、ステップ２０４で算出したＮＯｘに対するＮＯ₂の比率ＮＲ及び触媒温度Ｔｂに基づいてマップによりＮＯｘ選択還元触媒２４のＮＯｘ浄化率ＮＣが算出され、ステップ２０６へと進む。

次いで、ステップ２０６では、燃料添加量がゼロのときに最終的に排出されるＮＯｘ量ＮＯＸｏｆｆと、燃料を添加した場合に最終的に排出されるＮＯｘ量ＮＯＸｏｎとをそれぞれ算出し、ステップ２０７へと進む。次いで、ステップ２０７では、ステップ２０６で算出したＮＯｘ量ＮＯＸｏｎ及びＮＯｘ量ＮＯＸｏｆｆを比較し、ＮＯｘ量ＮＯＸｏｎがＮＯｘ量ＮＯＸｏｆｆよりも小さいか否かが判定される。ＮＯｘ量ＮＯＸｏｎがＮＯｘ量ＮＯＸｏｆｆよりも小さい場合には、燃料を添加しない方が排出されるＮＯｘ量が少ないため燃料を添加することなくルーチンを終了する。

一方、ステップ２０７において、ＮＯｘ量ＮＯＸｏｎがＮＯｘ量ＮＯＸｏｆｆよりも大きい場合には、燃料を添加した方が排出されるＮＯｘ量が少ないため、ステップ２０８へと進む。次いで、ステップ２０８で最適量の燃料を添加し、ルーチンを終了する。

図７に別の実施例を示す。この実施例は、図１に示す圧縮着火式内燃機関と略同様であるが、排気通路２１内には、排気ガス中に燃料を供給するための燃料添加弁３２が取付けられている点において異なる。燃料添加弁３２は、駆動回路４８を介して出力ポート４６に接続される。なお、燃料添加弁３２は排気マニホルド５に取り付けることもできる。

図１に示す内燃機関は、排気後処理装置２０に燃料を添加するため、排気行程後半で燃焼室２内に燃料を噴射していた。しかし、この方法では、燃料中のＨＣにおいて比較的分子量の小さい組成を有するＨＣは、燃焼室２内で燃焼してしまい、比較的分子量の大きい組成を有するＨＣのみが排気後処理装置２０に流入する。流入した分子量の大きいＨＣは触媒に付着し、特にＮＯｘ選択還元触媒２４に付着するとＮＯｘ浄化率の低下を招くという問題がある（以下、「ＨＣ被毒」という）。

従って、本実施例では、排気通路２１内に燃料添加弁３２を配置することによって、比較的分子量の小さい組成を有するＨＣを含む燃料を添加することが可能となり、ＨＣ被毒が図１に示す内燃機関に比べて軽減される。

なお、本実施例は、図１に示す実施例と燃料の添加方法が異なるだけであるので、図３及び図６に示す燃料添加制御を同様に実行することができる。

次に、図１及び図７に示す内燃機関において、ＮＯｘ選択還元触媒２４がＨＣ被毒してしまった場合の回復処理について説明する。本実施例では、ＨＣ被毒を回復すべきときに、以下に説明するＨＣ被毒回復制御を実行することによって、付着したＨＣを酸化除去する。ここで、ＨＣ被毒を回復すべきときとは、ＮＯｘ選択還元触媒２４に付着した推定ＨＣ量ΣＨＣが予め定められた値ＭＡＸを超えたときをいう。

ここでＮＯｘ選択還元触媒２４に付着したＨＣ量ΣＨＣを推定する方法について説明する。燃料添加はＮＯｘを還元浄化するために行われるので、ＮＯｘ選択還元触媒２４に付着するＨＣ量ΣＨＣは、排気後処理装置２０に流入するＮＯｘ量に比例する。排気後処理装置２０に流入するＮＯｘ量は、要求トルクＴＱ及び機関回転数Ｎの関数で表すことができ、従ってＮＯｘ選択還元触媒２４に付着するＨＣ量も要求トルクＴＱ及び機関回転数Ｎの関数となる。本発明による実施例では、ＮＯｘ選択還元触媒２４に単位時間当りに付着するＨＣ量ＨＣが、要求トルクＴＱ及び機関回転数Ｎの関数として図８に示されるようなマップの形で予めＲＯＭ４２内に記憶されている。従って、ＨＣ量ＨＣを積算することによってＮＯｘ選択還元触媒２４に付着しているＨＣ量ΣＨＣが推定される。

なお、昇温制御については、排気行程後半で燃焼室２内に燃料を噴射することによって排気ガスの温度を上昇させると共に未燃燃料の酸化反応熱によって昇温させる方法や、図７に示す内燃機関においては、上流酸化触媒２２に燃料を添加することによって得られる酸化反応熱によって昇温させる方法等が考えられる。

図９は、ＨＣ被毒回復制御操作を示すフローチャートである。この操作は電子制御ユニット（ＥＣＵ）４０によって予め定められた所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。

まず、ステップ３０１において、図８に示すマップから、それぞれ単位時間当たりに付着するＨＣ量ＨＣが算出される。次いで、ステップ３０２では、ステップ３０１において算出されたＨＣがΣＨＣに加算され、ステップ３０３へと進む。次いで、ステップ３０３では、ＨＣ量ΣＨＣが許容値ＭＡＸを超えたから否かが判定され、ＨＣ量ΣＨＣが許容値ＭＡＸよりも小さい場合、昇温制御を行わずにルーチンを終了する。

一方、ステップ３０３において、ＨＣ量ΣＨＣが許容値ＭＡＸを超えている場合には、ステップ３０４へと進む。次いで、ステップ３０４では、昇温制御が実行され、ＮＯｘ選択還元触媒２４の温度Ｔｂが昇温される。次いで、ステップ３０５では、ステップ３０４において付着したＨＣが酸化除去されたので、ＨＣ量ΣＨＣをリセットし、ルーチンを終了する。

ところで、図１及び図７に示す内燃機関は、長期間に亘って使用することにより、排気後処理装置２０に配置された触媒の劣化が進行する。特に上流酸化触媒２２は、下流酸化触媒２５に比べてより高温の排気ガスに曝されるため、劣化度合が大きくなる。

図１０は、上流酸化触媒２２及び下流酸化触媒２５の劣化について説明するための図である。図１０を参照すると、破線は図２において実線で示す状態と同じであり劣化前の状態を示す。それが時間の経過と共に、上流酸化触媒２２のＮＯＸａのピークを迎える時間がＲａだけ早まり、下流酸化触媒２５のＮＯＸｂのピークを迎える時間がＲｂだけ早まる。これは、触媒が劣化することによって各酸化触媒２２，２５からＮＯｘが流出を開始する時間が早まったことを意味し、これは即ち、脱離が開始するまでの温度が低くなったことを意味する。更に、前述のように上流酸化触媒２２の方が下流酸化触媒２５よりも劣化度合が大きいため、Ｒａの方がＲｂよりも大きくなる。

劣化度合が異なることによって、図１０に示されるように、上流酸化触媒２２からＮＯｘの流出が開始する時間から、下流酸化触媒２５が活性化温度Ｔｋに達するまでの時間がＴＭ１からＴＭ２へと長くなる。即ち、この長くなった時間分、劣化前に比べて下流酸化触媒２５に多くのＮＯｘ流入し、従ってより多量のＮＯｘを吸着しなければならない。そして、下流酸化触媒２５が活性化温度Ｔｋまで昇温しＮＯｘを還元浄化可能になる前に、下流酸化触媒２５の吸着容量が飽和してしまうと、前述のように高濃度のＮＯｘが排出されてしまう。

そこで、本実施例では、劣化度合を推定し、劣化度合に応じた触媒暖機制御を行うことで、時間ＴＭ１及びＴＭ２の差が小さくなるようにしている。即ち、触媒暖機制御を実行することによって、特に下流酸化触媒２５を早期に昇温させれば、早期に下流酸化触媒２５が活性化温度Ｔｋに達し、結果として時間ＴＭ２が短くなることから時間ＴＭ１との差が小さくなる。従って、劣化度合が大きければ大きいほど、それに応じて触媒暖機制御による昇温速度も大きくする。

劣化度合については、本実施例では劣化度合が大きい上流酸化触媒２２を基に判断するが、それと併せて下流酸化触媒２５の劣化度合について考慮してもよい。劣化度合を推定する手段としては、今までの触媒温度Ｔａの履歴から所定温度以上にどれくらいの時間曝されたか、所定量の燃料添加を行ったときの温度上昇の割合、又は実際に排気管２３内にＮＯｘセンサを取り付け、ＮＯｘの流出を検出するまでの時間を測定する等によって行われる。

また触媒暖機制御については、前述のように触媒の酸化反応を利用する方法や、排気通路に配置された排気絞り弁を調整することによって負荷を上げ、それによって排気ガスの温度を上昇させる方法、更に、グロープラグ等の予備加熱装置を用いて排気ガスの温度を上昇させる方法によって行う。

図１１は、本実施例による触媒暖機制御操作を示すフローチャートである。この操作は電子制御ユニット（ＥＣＵ）４０によって予め定められた所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。

まず、ステップ４０１において、上流酸化触媒２２の劣化度合を推定し、ステップ４０２へと進む。次いで、ステップ４０２では、ステップ４０１で推定した劣化度合に基づいて触媒暖機制御を行い、ルーチンを終了する。

なお、前述の実施例では、予め実験等によってＮＯｘ量ＮＯＸａ、ＮＯＸｂと触媒温度Ｔａ、Ｔｂの関係から、酸化触媒活性化温度Ｔｋ及び脱離完了温度Ｔｅ、更に、ＮＯｘ選択還元触媒活性化温度Ｔｎを求めておく。そして、触媒温度に基づいて各種制御操作を行ったが、排気管２３及び排気管２６にそれぞれＮＯｘセンサを取り付け、その出力に基づいて同様の制御を行うようにしてもよい。

圧縮着火式内燃機関の全体図である。 単位時間当たりに排気通路内を通過するＮＯｘ量と時間の関係を示す図である。 燃料添加制御操作を示すフローチャートである。 ＮＯｘに対するＮＯ₂の比率のマップを示す図である。 ＮＯｘ浄化率のマップを示す図である。 別の実施例による燃料添加制御操作を示すフローチャートである。 圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す全体図である。 単位時間当たりに付着する燃料のマップを示す図である。 ＨＣ被毒回復制御操作を示すフローチャートである。 酸化触媒の劣化について説明するための図である。 触媒暖機制御操作を示すフローチャートである。

符号の説明

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
２２ 上流酸化触媒
２４ ＮＯｘ選択還元触媒
２４ 下流酸化触媒
２７，２８ 温度センサ

Claims (6)

1. 排気通路内に燃料を添加する燃料添加手段を具備し、機関排気通路内にＮＯｘ選択還元触媒を配置し、ＮＯｘ選択還元触媒の上流の機関排気通路内に上流ＮＯｘ吸着触媒を配置すると共に下流の機関排気通路内に下流ＮＯｘ吸着触媒を配置し、これらＮＯｘ吸着触媒は冷間始動時に流入したＮＯｘを吸着し触媒温度の上昇に伴って吸着したＮＯｘを脱離し、ＮＯｘ選択還元触媒に尿素を供給して該尿素から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯｘを選択的に還元する内燃機関の排気浄化装置において、冷間始動後に上流ＮＯｘ吸着触媒が吸着しその後脱離したＮＯｘを含む排気ガス中のＮＯｘを下流ＮＯｘ吸着触媒が吸着し、下流ＮＯｘ吸着触媒が活性化温度以上になったとき、排気通路内に燃料を添加し下流ＮＯｘ吸着触媒に吸着したＮＯｘを還元浄化する内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記燃料の添加が、下流ＮＯｘ吸着触媒が、吸着したＮＯｘの脱離が完了する予め定められた温度に達するまで行われる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. ＮＯｘ選択還元触媒が活性化した後において、上流ＮＯｘ吸着触媒の触媒温度及びＮＯｘ選択還元触媒の触媒温度に基づき下流ＮＯｘ吸着触媒から排出されるＮＯｘ量を最小にする燃料添加量を算出する最適燃料量算出手段を具備する請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記燃料添加手段が、燃料添加弁からの燃料添加又は排気行程後半における燃焼室内への燃料噴射である請求項１から３のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. ＮＯｘ選択還元触媒に付着した燃料量を推定する付着燃料量推定手段及びＮＯｘ選択還元触媒を昇温させるＮＯｘ選択還元触媒昇温手段を更に具備し、付着した燃料量が予め定められた値以上のときＮＯｘ選択還元触媒を昇温させ、付着した燃料を酸化除去する請求項１から４のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 上流ＮＯｘ吸着触媒の劣化度合を推定する劣化度合推定手段及び触媒暖機制御手段を更に具備し、上流ＮＯｘ吸着触媒の劣化度合に応じて下流ＮＯｘ吸着触媒を触媒を昇温する請求項１から５のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。

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