JP2008002360A

JP2008002360A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2008002360A
Application number: JP2006172774A
Authority: JP
Inventors: Kohei Yoshida; 耕平吉田; Shinya Hirota; 信也広田; Takamitsu Asanuma; 孝充浅沼
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-06-22
Filing date: 2006-06-22
Publication date: 2008-01-10
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Abstract

【課題】パティキュレートフィルタのような設定温度以上への昇温制御を必要とする第１排気浄化装置の上流側に配置されたＮＯ_X吸蔵還元触媒装置のような第２排気浄化装置が第１排気浄化装置の昇温制御により熱劣化しないようにする。
【解決手段】第１排気浄化装置１において昇温制御を実施する時には、第２排気浄化装置２が設定温度以上へ昇温されないようにする。
【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。

ディーゼルエンジンのように希薄燃焼を実施する内燃機関が公知であり、このような内燃機関の排気通路に、ＮＯ_Xを浄化するためのＮＯ_X吸蔵還元触媒装置と、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の下流側にパティキュレートを浄化するためのパティキュレートフィルタとを直列に配置することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−９０２５６特開２００５−１３３６１０特開平７−２４３３２２特開平１１−２００８５２特開平１０−２５２４５５特開平６−１１７２２１

パティキュレートフィルタにＮＯ_X吸蔵触媒を担持させれば、ＮＯ_Xを吸蔵して還元浄化することができると共に、ＮＯ_X吸蔵触媒が活性酸素放出剤としても機能し、ＮＯ_X吸蔵触媒から放出される活性酸素により捕集パティキュレートを低温度で酸化浄化することができる。しかしながら、機関加速運転時のように、多量のパティキュレートがパティキュレートフィルタに一度に捕集されると、ＮＯ_X吸蔵触媒から放出される活性酸素だけでは捕集パティキュレートを十分に酸化浄化することができないことがある。こうして、パティキュレート堆積量が徐々に増加し、設定量以上のパティキュレートがパティキュレートフィルタに堆積すると、パティキュレートフィルタの排気抵抗が機関出力に悪影響を与えるようになるために、設定量のパティキュレートがパティキュレートフィルタに堆積した時には、堆積パティキュレートを強制的に燃焼させて除去することが必要となり、そのためには、パティキュレートフィルタを約６００℃まで昇温しなければならない。

このようなパティキュレートフィルタの昇温制御は、一般的に、膨張行程又は排気行程において気筒内へ追加燃料を噴射したり、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の上流側において機関排気系に追加燃料を供給したりすることとなる。このような昇温制御の追加燃料は、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置を通過する際に、ＮＯ_X触媒還元触媒装置に担持された酸化触媒によって排気ガス中の酸素を使用して燃焼させられ、この燃焼熱により６００℃以上に昇温した排気ガスをパティキュレートフィルタへ流入させ、パティキュレートフィルタを昇温させる。

こうして、パティキュレートフィルタを昇温制御する毎に、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置も同時に６００℃以上に昇温され、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置が熱劣化してしまう。

従って、本発明の目的は、パティキュレートフィルタのような設定温度（例えば、６００℃）以上への昇温制御を必要とする第１排気浄化装置の上流側に配置されたＮＯ_X吸蔵還元触媒装置のような第２排気浄化装置が第１排気浄化装置の昇温制御により熱劣化しないようにする内燃機関の排気浄化装置を提供することである。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置は、設定温度以上への昇温制御を必要とする第１排気浄化装置と、前記第１排気浄化装置の上流側に配置された第２排気浄化装置とを具備し、前記第１排気浄化装置において前記昇温制御を実施する時には、前記第２排気浄化装置が前記設定温度以上へ昇温されないようにすることを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第１排気浄化装置と前記第２排気浄化装置との間に燃料を供給する燃料供給装置を具備し、前記燃料供給装置により供給された燃料を前記第１排気浄化装置に担持させた酸化触媒又は前記第１排気浄化装置の直上流側に位置する酸化触媒装置に担持させた酸化触媒によって燃焼させることにより、前記第１排気浄化装置において前記昇温制御を実施し、前記昇温制御を実施する時には前記第２排気浄化装置が前記設定温度以上へ昇温されないようにすることを特徴とする。

本発明による請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第１排気浄化装置において前記昇温制御を実施する際に前記酸化触媒が活性温度未満である時には、前記燃料供給装置により供給される燃料量より少量の燃料を、前記第２排気浄化装置の上流側から供給し、前記第２排気浄化装置の酸化機能により前記少量の燃料を燃焼させて排気ガスを昇温させ、昇温させた排気ガスにより前記酸化触媒を活性化温度以上に昇温させた後に、前記燃料供給装置により燃料を供給することを特徴とする。

本発明による請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第２排気浄化装置はＮＯ_X吸蔵還元触媒装置であり、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置において吸蔵ＮＯ_Xを放出して還元浄化するために、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置へ流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチ空燃比とされる時に、前記第１排気浄化装置において前記昇温制御を実施することを特徴とする。

本発明による請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第１排気浄化装置は活性酸素放出剤を担持するパティキュレートフィルタであり、前記昇温制御とは別に、前記パティキュレートフィルタへ流入する単位時間当たりのパティキュレート量が多いほど、前記パティキュレートフィルタの温度が高くなるように、前記燃料供給装置から燃料が供給されることを特徴とする。

本発明による請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第２排気浄化装置はＮＯ_X吸蔵還元触媒装置であり、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の上流側には、排気ガス中のＳＯ_Xを吸蔵するＳトラップ装置が配置されることを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、設定温度以上への昇温制御を必要とする第１排気浄化装置と、第１排気浄化装置の上流側に配置された第２排気浄化装置とを具備し、第１排気浄化装置において昇温制御を実施する時には、第２排気浄化装置が設定温度以上へ昇温されないようになっており、それにより、第２排気浄化装置は、第１排気浄化装置の昇温制御により熱劣化することがない。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、第１排気浄化装置と第２排気浄化装置との間に燃料を供給する燃料供給装置を具備し、前記燃料供給装置により供給された燃料を第１排気浄化装置に担持させた酸化触媒又は第１排気浄化装置の直上流側に位置する酸化触媒装置に担持させた酸化触媒によって燃焼させることにより、第２排気浄化装置の下流側において発生させた燃料の燃焼熱によって第１排気浄化装置が設定温度以上へ昇温されるために、第１排気浄化装置の昇温制御によって第２排気浄化装置が設定温度以上へ昇温されることはない。

本発明による請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、第１排気浄化装置において昇温制御を実施する際に酸化触媒が活性温度未満である時には、燃料供給装置により第１排気浄化装置と第２排気浄化装置との間に供給される燃料量より少量の燃料を、第２排気浄化装置の上流側から供給し、第２排気浄化装置の酸化機能により少量の燃料を燃焼させて排気ガスを昇温させ、昇温させた排気ガスにより酸化触媒を活性化温度以上に昇温させた後に、燃料供給装置が燃料を供給するようになっており、第２排気浄化装置は、少量の燃料の燃焼により温度上昇しても、設定温度以上へ昇温されることはなく、一方、第１排気浄化装置は設定温度以上へ良好に昇温される。

本発明による請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置において、第２排気浄化装置はＮＯ_X吸蔵還元触媒装置であり、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置において吸蔵ＮＯ_Xを放出して還元浄化するために、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置へ流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチ空燃比とされる時には、第２排気浄化装置としてのＮＯ_X吸蔵還元触媒装置において、排気ガス中のＨＣが排気ガス中の酸素及び放出ＮＯ_Xからの還元酸素を使用して燃焼するために、この燃焼熱が第１排気浄化装置の昇温制御に利用可能であり、この時に第１排気浄化装置において昇温制御を実施することにより、昇温制御のためのエネルギを低減することができる。

本発明による請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置において、第１排気浄化装置は活性酸素放出剤を担持するパティキュレートフィルタであり、昇温制御とは別に、パティキュレートフィルタへ流入する単位時間当たりのパティキュレート量が多いほど、パティキュレートフィルタの温度が高くなるように、燃料供給装置によりパティキュレートフィルタと第２排気浄化装置との間へ燃料が供給されるようになっており、それにより、パティキュレートフィルタへ流入する単位時間当たりのパティキュレート量が多いほど、パティキュレートフィルタの温度は高くなり、活性酸素放出剤から放出される単位時間当たりの活性酸素量が多くなるために、パティキュレートフィルタに捕集されるパティキュレートは良好に酸化除去され、設定量のパティキュレートが堆積し難くなって、パティキュレートフィルタの昇温制御の機会を減少させることができる。

本発明による請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置において、第２排気浄化装置はＮＯ_X吸蔵還元触媒装置であり、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の上流側には、排気ガス中のＳＯ_Xを吸蔵するＳトラップ装置が配置されているために、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置にはＳＯ_Xが吸蔵されることはなく、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置において、吸蔵ＳＯ_Xを放出させるための昇温制御が不必要となり、この昇温制御に伴う熱劣化は発生しない。

図１は本発明による内燃機関の排気浄化装置を示す機関排気系の概略図である。内燃機関は、ディーゼルエンジンのような希薄燃焼を実施するものであり、その排気ガス中には、比較的多くのＮＯ_Xと、パティキュレートとが含まれる。それにより、機関排気系には、パティキュレートを浄化するためのパティキュレートフィルタ１が配置され、パティキュレートフィルタ１の上流側には、ＮＯ_X浄化するためのＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２が直列に配置されている。

パティキュレートフィルタ１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たハニカム構造をなすウォールフロー型であり、多数の軸線方向に延在する隔壁によって細分された多数の軸線方向空間を有している。隣接する二つの軸線方向空間において、栓によって、一方は排気下流側で閉鎖され、他方は排気上流側で閉鎖される。こうして、隣接する二つの軸線方向空間の一方は排気ガスの流入通路となり、他方は流出通路となり、排気ガスは、必ず隔壁を通過するようになる。排気ガス中のパティキュレートは、隔壁の細孔の大きさに比較して非常に小さいものであるが、隔壁の排気上流側表面及び隔壁内の細孔表面上に衝突して捕集される。パティキュレートフィルタは、捕集されたパティキュレートを酸化除去することを可能とするものであり、そのために、隔壁の両側表面上、及び、好ましくは隔壁内の細孔表面上にもアルミナ等を使用して以下に説明する活性酸素放出剤と貴金属触媒とが担持されている。

活性酸素放出剤とは、活性酸素を放出することによってパティキュレートの酸化を促進するものであり、好ましくは、周囲に過剰酸素が存在すると酸素を取込んで酸素を保持しかつ周囲の酸素濃度が低下すると保持した酸素を活性酸素の形で放出するものである。

活性酸素放出剤は、例えば、ＮＯ_X吸蔵触媒とすることができる。ＮＯ_X吸蔵触媒は、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金属、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である。このＮＯ_X吸蔵触媒は、流入する既燃ガスの空燃比がリーンの時、すなわち、酸素濃度が高い時にはＮＯ_Xを吸蔵し、空燃比が理論空燃比又はリッチになると、すなわち、酸素濃度が低下すると、吸蔵したＮＯ_Xを放出するＮＯ_Xの吸放出作用を行う。このＮＯ_Xの吸放出に際して、活性酸素が放出され、この活性酸素は輝炎を発生させることなくパティキュレートを酸化除去することができる。酸化触媒として機能する貴金属触媒としては、通常、白金Ｐｔが用いられる。

ところで、活性酸素放出剤としてパティキュレートフィルタ１に担持される場合には、ＮＯ_X吸蔵触媒としては、カルシウムＣａよりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、例えばカリウムＫを用いることが好ましい。それにより、排気ガス中のカルシウムＣａが、酸化除去され難い硫酸カルシウムＣａＳＯ₄を生成して、パティキュレートフィルタ上にアッシュとして残留し難くなる。

ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２は、アルミナ等を使用して前述のＮＯ_X吸蔵触媒と白金Ｐｔのような貴金属触媒とが担持されたモノリス担体又はペレット担体を有するものである。こうして、排気ガス中のＮＯ_Xは、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２によって吸蔵されるが、もし、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２から流出するＮＯ_Xが存在しても、このＮＯ_Xはパティキュレートフィルタ１によって吸蔵されるために、大気中へのＮＯ_X放出量を十分に低減することができる。

ところで、ＮＯ_X吸蔵触媒は、約５５０℃以下に維持されれば、殆ど熱劣化しない。しかしながら、５５０℃より高い温度とされると熱劣化によりＮＯ_X吸蔵能力が低下し、例えば、６３０℃で１０時間維持されれば、特に低温側のＮＯ_X吸蔵能力が約８０％に低下する。

パティキュレートフィルタ１は、前述したように、活性酸素放出剤から放出される活性酸素により、自動的に捕集パティキュレートを酸化除去することができる。しかしながら、加速運転時のようにエンジンから多量のパティキュレートが放出されると、その全てを酸化除去するには活性酸素の量が不十分となって、パティキュレートフィルタにはパティキュレートが堆積することがある。この堆積パティキュレートが設定量となれば、パティキュレートフィルタ１の排気抵抗は機関出力に悪影響を与えるようになるために、設定量のパティキュレートがパティキュレートフィルタ１に堆積した時には、堆積パティキュレートを強制的に燃焼させて除去することが必要となり、そのためには、パティキュレートフィルタ１をパティキュレートの燃焼温度である約６００℃まで昇温しなければならない。

パティキュレートフィルタ１に設定量のパティキュレートが堆積したことを判断するためには、例えば、パティキュレートフィルタ１の上流側と下流側との差圧を検出すれば良い。この差圧が設定値以上となれば、設定量以上のパティキュレートが堆積していると判断することができる。

パティキュレートフィルタ１の昇温制御は、一般的に、膨張行程又は排気行程において気筒内へ追加燃料を噴射したり、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２の上流側において機関排気系に追加燃料を供給したりすることとなる。このような昇温制御の追加燃料は、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２を通過する際に、ＮＯ_X触媒還元触媒装置２に担持された酸化触媒によって排気ガス中の酸素を使用して燃焼させられ、この燃焼熱により６００℃以上に昇温した排気ガスをパティキュレートフィルタ１へ流入させ、パティキュレートフィルタ１を昇温させる。

こうして、パティキュレートフィルタ１の昇温制御を実施する毎に、パティキュレートフィルタ１に担持されているＮＯ_X吸蔵触媒が熱劣化するのはしかたないとしても、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２も同時に６００℃以上に昇温され、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２に担持されているＮＯ_X吸蔵触媒が熱劣化してしまう。

このようなＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２の熱劣化を防止するために、本実施形態においては、パティキュレートフィルタ１の昇温制御を実施する際には、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２とパティキュレートフィルタ１との間に配置された第１燃料供給装置ＲＩによりパティキュレートフィルタ１を約６００℃まで昇温するのに必要な量の追加燃料が機関排気系へ供給される。このように供給された追加燃料は、パティキュレートフィルタ１に担持された酸化触媒によって排気ガス中の酸素を使用して燃焼させられ、パティキュレートフィルタ１を昇温させる。追加燃料が供給された排気ガスの空燃比は、理論空燃比よりリーンとして追加燃料を良好に燃焼させることが好ましく、そのためには、機関高回転高負荷時のように排気ガス量が多い時に昇温制御を実施することが好ましい。このような昇温制御において、パティキュレートフィルタ１の上流側に配置されたＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２は、全く昇温されないために熱劣化することはない。

パティキュレートフィルタ１に活性酸素放出剤が担持されていない場合には、排気ガス中のパティキュレートは、パティキュレートフィルタ１に堆積する一方となり、前述のようにして設定量のパティキュレートがパティキュレートフィルタ１に堆積していると判断された時、又は、車両走行距離又は車両走行時間等に基づき定期的に昇温制御を実施することとなる。この昇温制御に際して、パティキュレートフィルタ１に酸化触媒が担持されていれば、前述同様に、第１燃料供給装置ＲＩから追加燃料を供給すれば良い。パティキュレートフィルタ１に酸化触媒が担持されていない場合には、パティキュレートフィルタ１の直上流側に酸化触媒を担持する酸化触媒装置を配置し、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２とパティキュレートフィルタ１との間に配置された第１燃料供給装置ＲＩから、酸化触媒装置の上流側へ追加燃料を供給するようにする。

ところで、ＮＯ_X吸蔵触媒は、ＮＯ_Xと同様なメカニズムによって排気ガス中のＳＯ_Xも吸蔵してしまう。ＮＯ_X吸蔵触媒を担持するＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２は、無制限にＮＯ_Xを吸蔵することはできず、最大吸蔵可能ＮＯ_X量を有している。ＳＯ_Xが吸蔵されると、その分、この最大吸蔵可能ＮＯ_X量を低減させる。それにより、ＳＯ_X吸蔵量が設定量に達した時には、吸蔵ＳＯ_Xを放出させる回復処理が必要となる。ＳＯ_Xは安定な硫酸塩として吸蔵されているために、回復処理にはＮＯ_X吸蔵還元触媒装置を約６５０℃へ昇温する昇温制御が必要となる。

この昇温制御は、膨張行程又は排気行程において気筒内へ追加燃料を噴射したり、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２の上流側に配置された第２燃料供給装置ＦＩによって機関排気系に追加燃料を供給したりすることとなる。このような昇温制御の追加燃料は、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２において、酸化触媒によって排気ガス中の酸素を使用して燃焼させられ、この燃焼熱によりＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２を約６５０℃に昇温する。次いで、気筒内への追加燃料又は第２燃料供給装置ＦＩによる追加燃料により、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２へ流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比とすることによって、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２に吸蔵されているＮＯ_XだけでなくＳＯ_Xも放出され、こうして放出されたＮＯ_X及びＳＯ_Xは、排気ガス中のＨＣ及びＣＯ等の還元物質により還元浄化される。

このような回復処理における昇温制御によって、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２は熱劣化するが、パティキュレートフィルタ１の昇温制御による熱劣化は防止されるために、これまでに比較してＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２の熱劣化を抑制することができる。しかしながら、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２の回復処理の熱劣化は好ましいものではなく、本実施形態においては、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２の上流側に、排気ガス中のＳＯ_Xを吸蔵するＳトラップ装置３が配置されている。Ｓトラップ装置３は、基本的にはＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２と同じ構成を有し、好ましくは、ＳＯ_Xを吸蔵させるためのＮＯ_X吸蔵触媒を多量に担持している。

こうして、Ｓトラップ装置３がＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２の上流側に配置されていれば、排気ガス中のＳＯ_Xは、殆どＳトラップ装置３に吸蔵されるために、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２に吸蔵されることはなく、ＮＯ_X吸蔵触媒装置２の回復処理は必要なくなる。それにより、回復処理の昇温制御によるＮＯ_X吸蔵触媒装置２の熱劣化は防止される。Ｓトラップ装置３において、ＳＯ_XだけでなくＮＯ_Xも吸蔵されるが、ＳＯ_Xが流入すると、ＮＯ_Xと入れ代わって吸蔵され、ＳＯ_Xを吸蔵する一方となる。Ｓトラップ装置３からＳＯ_Xを放出させるための回復処理は実施されず、最大吸蔵可能ＳＯ_X量までＳＯ_Xが吸蔵されれば、Ｓトラップ装置３は新品と交換される。

こうしてＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２にはＮＯ_Xだけが吸蔵され、ＮＯ_X吸蔵量が最大吸蔵可能ＮＯ_X量に達する以前に、吸蔵ＮＯ_Xを放出させる再生処理が実施される。例えば、機関運転状態毎の単位時間当たりのＮＯ_X排出量を予めマップ化しておき、各機関運転状態においてＮＯ_X排出量を積算すれば、この積算値をＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２のＮＯ_X吸蔵量とすることができる。このＮＯ_X吸蔵量が設定値に達した時にＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２の再生時期と判断することができる。このように再生時期を判断することなく、設定車両走行時間毎又は設定車両走行距離毎に再生時期として再生処理を実施するようにしても良い。

再生処理においては、気筒内への追加燃料又は第２燃料供給装置ＦＩによる追加燃料により、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２へ流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比とする。この時には、Ｓトラップ装置３及びＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２において、酸化触媒によって追加燃料は排気ガス中の酸素を使用して燃焼させられ、排気ガス中の酸素濃度を低下させる。排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比とするのに必要な追加燃料が多量となれば、追加燃料の燃焼によりＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２が熱劣化するほど昇温してしまうために、再生処理を実施する際には、低回転低負荷時のように排気ガス量が少ない時が好ましい。

排気ガス中の酸素濃度が低下すれば、Ｓトラップ装置３及びＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２に吸蔵されているＮＯ_Xが放出され、放出ＮＯ_Xは排気ガス中の還元物質により還元浄化され、再生処理が完了する。再生処理のためにＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２の上流側において機関排気系へ追加燃料を供給するための第２燃料供給装置ＦＩは、Ｓトラップ装置３の上流側に配置したが、Ｓトラップ装置３の再生処理は特に必要ではないために、Ｓトラップ装置３の下流側に配置するようにしても良い。

このようなＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２の再生処理においても、追加燃料の燃焼により排気ガス温度が高まるために、パティキュレートフィルタ１を昇温させる。それにより、パティキュレートフィルタ１の昇温制御に合わせて、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２の再生処理を実施するか、又は、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２の再生処理に合わせてパティキュレートフィルタ１の昇温制御を実施するようにすれば、パティキュレートフィルタ１の昇温制御に必要なエネルギを節約することができる。

図２はパティキュレートフィルタ１の昇温制御のためのフローチャートである。先ず、ステップ１０１において、パティキュレートフィルタ１に設定量のパティキュレートが堆積し、この堆積パティキュレートを燃焼させるための昇温制御が要求されているか否かが判断される。この判断が否定される時にはそのまま終了するが、肯定される時には、ステップ１０２において、パティキュレートフィルタ１に担持された酸化触媒（又は、パティキュレートフィルタ１の直上流側に配置された酸化触媒装置の酸化触媒）の温度Ｔ１が活性温度Ｔ以上であるか否かが判断される。例えば、パティキュレートフィルタ１（又は酸化触媒装置）へ流入する排気ガス温度が推定又は測定され、この排気ガス温度を酸化触媒の温度Ｔ１として使用することができる。

ステップ１０２の判断が肯定される時には、ステップ１０３において、前述したように、パティキュレートフィルタ１とＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２との間に配置された第１燃料供給装置ＲＩにより機関排気系へ追加燃料が供給され、パティキュレートフィルタ１の昇温制御が実施される。しかしながら、パティキュレートフィルタ１の酸化触媒の温度Ｔ１が活性温度以下である時には、追加燃料が供給されても追加燃料を燃焼させることができない。

それにより、ステップ１０２の判断が否定される時には、ステップ１０４において、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２に担持された酸化触媒の温度Ｔ２が活性温度Ｔ以上であるか否かが判断される。ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２は、パティキュレートフィルタ１より機関本体近くに位置するために、パティキュレートフィルタ１よりは高温度となっている。しかしながら、ステップ１０４の判断が否定される時には、パティキュレートフィルタ１の昇温制御を実施することはできず、そのまま終了する。

一方、ステップ１０４の判断が肯定され、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２の酸化触媒の温度Ｔ２が活性温度Ｔ以上である時には、ステップ１０５において、気筒内への追加燃料を実施するか、又は、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２の上流側に配置された第２燃料供給装置ＦＩにより機関排気系へ追加燃料を供給し、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２の酸化触媒により追加燃料を燃焼させる。

この燃料燃焼により昇温させた排気ガスをパティキュレートフィルタ１へ流入させ、パティキュレートフィルタ１の酸化触媒の温度Ｔ１を活性温度Ｔへ昇温させる。ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２において燃焼させる追加燃料は、パティキュレートフィルタ１を酸化触媒の活性温度Ｔまで昇温すれば良いために、パティキュレートフィルタ１の昇温制御において第１燃料供給装置ＲＩにより供給される燃料量より少量とされる。それにより、その燃焼熱によってＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２が熱劣化温度（約５５０℃以上）に昇温されるようなことはない。

こうして、パティキュレートフィルタ１の酸化触媒の温度Ｔ１が活性温度Ｔ以上に昇温されれば、ステップ１０２の判断が肯定され、パティキュレートフィルタ１とＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２との間に配置された第１燃料供給装置ＲＩにより機関排気系へ追加燃料が供給され、パティキュレートフィルタ１の昇温制御が実施される。第１燃料供給装置ＲＩにより供給される追加燃料量は、パティキュレートフィルタ１を設定温度へ昇温させるのに必要な最少量とされ、パティキュレートフィルタ１へ流入する排気ガス温度が高いほど少なくされる。こうして、パティキュレートフィルタ１の昇温制御を確実に実施することができる。

図３は、パティキュレートフィルタ１に活性酸素放出剤を担持させた場合において、パティキュレートフィルタ１の温度ＴＦと、単位時間当たりの酸化除去可能パティキュレート量Ｇとの関係を示すグラフである。

白金及び活性酸素放出剤はパティキュレートフィルタ１の温度が高くなるほど活性化するので単位時間当りに活性酸素放出剤から放出される活性酸素の量はパティキュレートフィルタの温度ＴＦが高くなるほど増大する。また、当然のことながら、パティキュレート自身の温度が高いほど酸化除去され易くなる。従ってパティキュレートフィルタ１上において単位時間当りに輝炎を発することなくパティキュレートを酸化除去可能な酸化除去可パティキュレート量Ｇはパティキュレートフィルタの温度ＴＦが高くなるほど増大する。

図３において単位時間は１秒としたが、１分、１０分等任意の時間を採用することができる。いずれにしても、パティキュレートフィルタ１上において単位時間当たりに輝炎を発することなく酸化除去可能な酸化除去可能パティキュレート量Ｇはパティキュレートフィルタ１の温度が高くなるほど増大する。

本実施形態では、現在の単位時間当たりにエンジンから排出されるパティキュレート量Ｍを単位時間当たりの酸化除去可能パティキュレート量Ｇが上回るように、パティキュレートフィルタ１の温度ＴＦを制御するようにしている。

すなわち、パティキュレートフィルタ１の温度を推定又は測定し、このパティキュレートフィルタ１の温度が低く、現在の単位時間当たりにエンジンから排出されるパティキュレート量Ｍを単位時間当たりの酸化除去可能パティキュレート量Ｇが下回る時には、第１燃料供給装置ＲＩにより追加燃料を供給して、パティキュレートフィルタ１の酸化触媒により追加燃料を燃焼させてパティキュレートフィルタ１を昇温し、現在の単位時間当たりにエンジンから排出されるパティキュレート量Ｍを単位時間当たりの酸化除去可能パティキュレート量Ｇが上回るようにする。この際、第１燃料供給装置ＲＩは必要最少量の燃料を供給するようにして、燃料を節約することが好ましい。

それにより、パティキュレートフィルタ１に捕集されたパティキュレートは短時間（長くても数分）で酸化除去され、パティキュレートフィルタ１にはパティキュレートが殆ど堆積することはない。それにより、パティキュレートフィルタ１の昇温制御の機会を十分に低減することができる。

前述した実施形態では、パティキュレートフィルタ１の上流側にＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２が直列に配置される場合を説明したが、これは本発明を限定するものでなく、パティキュレートフィルタのような設定温度（例えば、６００℃）以上への昇温制御を必要とする第１排気浄化装置の上流側に、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置のような熱劣化する第２排気浄化装置が直列に配置されていれば、第１排気浄化装置及び第２排気浄化装置として任意の排気浄化装置の組み合わせが考えられる。特に、第２排気浄化装置は、自身が熱劣化するほどの昇温制御が不必要であることが好ましい。例えば、第２排気浄化装置は、三元触媒装置としても良い。また、第１排気浄化装置は、回復処理を必要とするＮＯ_X吸蔵還元触媒装置としても良い。

また、第１排気浄化装置及び第２排気浄化装置は、いずれも車両の床下に配置されても良いが、上流側の第２排気浄化装置だけをエンジンルーム内に配置するようにしても良い。

本発明による内燃機関の排気浄化装置を示す機関排気系の概略図である。パティキュレートフィルタの昇温制御のためのフローチャートである。活性酸素放出剤を担持するパティキュレートフィルタにおいて、パティキュレートフィルタの温度と酸化除去可能パティキュレート量との関係を示すグラフである。

符号の説明

１パティキュレートフィルタ
２ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置
３Ｓトラップ装置
ＲＩ第１燃料供給装置
ＦＩ第２燃料供給装置

Claims

設定温度以上への昇温制御を必要とする第１排気浄化装置と、前記第１排気浄化装置の上流側に配置された第２排気浄化装置とを具備し、前記第１排気浄化装置において前記昇温制御を実施する時には、前記第２排気浄化装置が前記設定温度以上へ昇温されないようにすることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記第１排気浄化装置と前記第２排気浄化装置との間に燃料を供給する燃料供給装置を具備し、前記燃料供給装置により供給された燃料を前記第１排気浄化装置に担持させた酸化触媒又は前記第１排気浄化装置の直上流側に位置する酸化触媒装置に担持させた酸化触媒によって燃焼させることにより、前記第１排気浄化装置において前記昇温制御を実施し、前記昇温制御を実施する時には前記第２排気浄化装置が前記設定温度以上へ昇温されないようにすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記第１排気浄化装置において前記昇温制御を実施する際に前記酸化触媒が活性温度未満である時には、前記燃料供給装置により供給される燃料量より少量の燃料を、前記第２排気浄化装置の上流側から供給し、前記第２排気浄化装置の酸化機能により前記少量の燃料を燃焼させて排気ガスを昇温させ、昇温させた排気ガスにより前記酸化触媒を活性化温度以上に昇温させた後に、前記燃料供給装置により燃料を供給することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記第２排気浄化装置はＮＯ_X吸蔵還元触媒装置であり、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置において吸蔵ＮＯ_Xを放出して還元浄化するために、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置へ流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチ空燃比とされる時に、前記第１排気浄化装置において前記昇温制御を実施することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記第１排気浄化装置は活性酸素放出剤を担持するパティキュレートフィルタであり、前記昇温制御とは別に、前記パティキュレートフィルタへ流入する単位時間当たりのパティキュレート量が多いほど、前記パティキュレートフィルタの温度が高くなるように、前記燃料供給装置から燃料が供給されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記第２排気浄化装置はＮＯ_X吸蔵還元触媒装置であり、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の上流側には、排気ガス中のＳＯ_Xを吸蔵するＳトラップ装置が配置されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。