JP2006266213A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 硫黄被毒処理終了後、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比をリーン空燃比に復帰させる際における排出ガス特性の改善を図ることが可能な、内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】 ＮＯｘ吸蔵還元触媒と、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度を検出する温度検出手段と、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比をリッチ空燃比にしつつＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を上昇させる硫黄被毒回復処理を実行し、ＮＯｘ吸蔵還元触媒がＮＯｘとともに吸蔵した硫黄酸化物をＮＯｘ吸蔵還元触媒から放出させる硫黄被毒回復制御手段とを、備えた内燃機関の排気浄化装置であって、硫黄被毒回復制御手段は、硫黄被毒回復処理終了後、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度が予め定めた温度まで低下するまでＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比を理論空燃比に保持し、その後排気空燃比をリーン空燃比に復帰させる、ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置、特に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を備えた排気浄化装置に関する。

近年、燃費率向上および排出ガス規制に対応すべく、内燃機関をリーン空燃比で運転する希薄燃焼内燃機関（以下、リーンバーンエンジンと称す）の実用化が図られている。リーンバーンエンジンにおいては、リーン空燃比運転時における三元触媒のＮＯｘに対する浄化能力の制限から、三元触媒を使用するだけでは、リーン空燃比運転時における排気中のＮＯｘを十分に浄化できないという問題があり、この問題を解決すべく、排気系にＮＯｘ吸蔵還元触媒を備えた排気浄化装置の開発が展開されている。

ＮＯｘ吸蔵還元触媒は、流入する排気空燃比がリーン空燃比のときに排気中のＮＯｘを吸収、吸着もしくはその両方により吸蔵し、流入する排気空燃比がリッチ空燃比あるいは理論空燃比（以下、ストイキとも称す）であるときに、吸蔵したＮＯｘを放出する役割を果たすものである。放出されたＮＯｘは、排気中の還元成分（ＨＣ、ＣＯ、Ｈ２）により還元浄化せしめられる。

このようなＮＯｘ吸蔵還元触媒を備えた排気浄化装置によれば、排気空燃比がリーン空燃比で運転されているときに、排気中のＮＯｘをＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵させることにより排気中からＮＯｘを除去し、排気空燃比がリッチ空燃比あるいはストイキで運転されているときにＮＯｘ吸蔵還元触媒からＮＯｘを放出し、排気中の還元成分を用いて放出されたＮＯｘを還元浄化することにより、排気中のＮＯｘが大気に放出されることを防止できる。

しかしながら、このようなＮＯｘ吸蔵還元触媒を用いた排気浄化装置においては、燃料中の硫黄成分に起因するＮＯｘ吸蔵還元触媒のＮＯｘ吸蔵能力の低下、いわゆる硫黄被毒が問題となる。

内燃機関の燃料、例えばガソリンや軽油などの燃料には、硫黄成分が含有している場合が多く、この場合、燃焼後の排気中には、ＳＯ₂やＳＯ₃などの硫黄酸化物（ＳＯｘ）が含まれることになる。排気中にＳＯｘが存在すると、ＮＯｘ吸蔵還元触媒は、ＮＯｘの吸蔵を行う一方で排気中のＳＯｘの吸蔵も行うことが知られている。

ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＳＯｘは安定していて分解しづらく、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が排気中のＮＯｘを吸蔵し且つ還元浄化することができる温度領域では、ＮＯｘ吸蔵還元触媒から脱離しないことが明らかにされている。

このため、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が、排気中のＮＯｘを吸蔵し且つ還元浄化することができる温度領域、例えば、３００℃〜４５０℃の温度領域で、ＳＯｘを含有する排気に対して使用される場合、ＮＯｘの吸蔵および還元浄化が行われる一方で、ＮＯｘ吸蔵還元触媒にはＳＯｘが分解されず残存する。従って、時間が経過するにつれてＮＯｘ吸蔵還元触媒内のＳＯｘ量が増大することになり、かくして、時間が経過するにつれてＮＯｘ吸蔵還元触媒が吸蔵することができるＮＯｘ量が低下することになり、いわゆる硫黄被毒（またはＳ被毒）の問題が生じる。

一方で、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を上昇させることで、例えば、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を６００℃以上に上昇させることで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＳＯｘを熱分解させ放出させることができることが明らかにされている。

そこで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を備える排気浄化装置においては、硫黄被毒を解消する一つの方法として、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比をリッチ空燃比にしつつＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を上昇させる、硫黄被毒回復処理が適用されている。該硫黄被毒回復処理により、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＳＯｘを熱分解し、この熱分解されたＳＯｘのＮＯｘ吸蔵還元触媒への再吸蔵を防止しつつＮＯｘ吸蔵還元触媒からＳＯｘを放出することが可能となる。

例えば、特開２００２−２５６８５８号明細書においては、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を備え且つ硫黄被毒回復処理が適用されている内燃機関の排気浄化装置が示されており、ＮＯｘ吸蔵還元触媒からＳＯｘを放出させるべくＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を上昇させる方法として、点火時期を制御することが示されている。具体的には、点火時期を遅角させることで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの温度を上昇させ、硫黄被毒回復処理に適した温度領域になるまで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を上昇させることが記載されている。

特開２００２−２５６８５８号明細書

上述したような硫黄被毒回復処理が適用されているＮＯｘ吸蔵還元触媒を備えるリーンバーンエンジンにおける課題の一つとして、ＮＯｘ吸蔵還元触媒のＮＯｘ吸蔵能力に起因する、硫黄被毒回復処理終了後、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比をリーン空燃比に復帰させる際における排出ガス特性の悪化、が考えられる。

硫黄被毒回復処理状態においては、ＮＯｘ吸蔵還元触媒からの熱分解によるＳＯｘの放出をもたらすべく、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が排気中のＮＯｘを吸蔵し且つ還元浄化することができる温度領域（例えば、３００℃〜４５０℃）よりも、相当に高く設定される（、例えば６００℃〜７００℃に設定される）ことになる。そのため、硫黄被毒回復処理終了後すぐに、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比がリーン空燃比へと切り替えられる場合、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が排気中のＮＯｘを吸蔵することができる温度領域にＮＯｘ吸蔵還元触媒温度が低下するまでの間、ＮＯｘ吸蔵還元触媒により排気中のＮＯｘを吸蔵することができず、排出ガス特性の悪化をもたらす可能性がある。

特許文献１においては、上述した課題、すなわち、ＮＯｘ吸蔵還元触媒のＮＯｘ吸蔵能力に起因する、硫黄被毒回復処理終了後、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比をリーン空燃比に復帰させる際における排出ガス特性の悪化、に対する改善方策については記載されていない。
特許文献１においても同様であるが、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を備えた排気浄化装置に関する他の文献においては、リーン空燃比運転状態から硫黄被毒回復処理状態への切り替えの際における、燃費の向上やトルク低下分の補充方策などについての提案の記載は見られるが、硫黄被毒回復処理後、リーン空燃比運転状態へと復帰させる際の、排出ガス特性の改善についての提案は十分に示されていないと考える。

本発明は、上記の課題に鑑み、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を備えた排気浄化装置であって、硫黄被毒処理終了後、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比をリーン空燃比に復帰させる際の、排出ガス特性の改善を図ることが可能な、排気浄化装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明によれば、内燃機関の排気通路に配置した、流入する排気空燃比がリーン空燃比のときに排気中のＮＯｘを吸収、吸着もしくはその両方により吸蔵し、流入する排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比のときに吸蔵したＮＯｘを排気中の還元成分を用いて還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒と、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度を検出する温度検出手段と、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比をリッチ空燃比にしつつ前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を上昇させる硫黄被毒回復処理を実行し、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒がＮＯｘとともに吸蔵した硫黄酸化物をＮＯｘ吸蔵還元触媒から放出させる硫黄被毒回復制御手段とを、備えた内燃機関の排気浄化装置であって、前記硫黄被毒回復制御手段は、前記硫黄被毒回復処理終了後、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度が予め定めた温度まで低下するまで前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比を理論空燃比に保持し、その後排気空燃比をリーン空燃比に復帰させる、ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。

すなわち、請求項１の発明では、硫黄被毒回復制御手段により、硫黄被毒回復処理終了後、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度が予め定めた温度まで低下するまで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比を理論空燃比に保持し、その後、排気空燃比をリーン空燃比に復帰する制御を行う。

ＮＯｘ吸蔵還元触媒が硫黄被毒回復処理直後の高温状態にあるときに、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比をリーン空燃比に制御しても、ＮＯｘ吸蔵還元触媒は、排気中のＮＯｘを吸蔵することはできない。ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比がリーン空燃比であるとき、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度が排気中のＮＯｘを吸蔵することができる温度領域まで低下してからでないと、ＮＯｘ吸蔵還元触媒は、排気中のＮＯｘを吸蔵することはできない。

しかしながら、ＮＯｘ吸蔵還元触媒は、ストイキで排気中のＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣの三成分を同時に浄化する三元触媒としての機能を有する。よって、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比をストイキにすることで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を三元触媒として機能させることができ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が硫黄被毒回復処理終了直後の高温状態にあるときにおいても、ＮＯｘ吸蔵還元触媒により排気中のＮＯｘを浄化させることが可能となる。

従って、当該硫黄被毒回復制御手段により、硫黄被毒回復処理後、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比をリーン空燃比に復帰する際に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度が予め定めた温度まで低下するまでの間、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比を理論空燃比に保持する本発明の内燃機関の浄化装置によれば、硫黄被毒回復処理終了後、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比をリーン空燃比に復帰させる際の排出ガス特性の改善を図ることが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、前記予め定めた温度は、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比がリーン空燃比のときに前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒がＮＯｘを吸蔵することができる温度である、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が提供される。

請求項３に記載の発明によれば、前記硫黄被毒回復制御手段は、前記硫黄被毒回復処理終了後、点火時期を進角させることにより、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を予め定めた温度まで低下させる、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の浄化装置が提供される。

すなわち、請求項３の発明では、硫黄被毒回復制御手段により、硫黄被毒回復処理後、点火時期が進角される。点火時期を進角させることで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気の温度を低下させることができ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比がリーン空燃比であるときにＮＯｘ吸蔵還元触媒が排気中のＮＯｘを吸蔵することができる温度領域にまで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を迅速に低下させることが可能となる。

これにより、硫黄被毒回復処理終了後の排出ガス特性を改善すべくＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比を理論空燃比とする期間の短縮化を図ることができる。

請求項４に記載の発明によれば、前記硫黄被毒回復制御手段は、前記硫黄被毒回復処理終了後、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を予め定められた温度まで低下させるべく点火時期が進角されている期間中、点火時期の設定を変更することによりノッキングを回避するノッキングコントロール制御あるいは該ノッキングコントロール制御による点火時期遅角学習を禁止する、ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。

すなわち、請求項４の発明では、硫黄被毒回復制御手段により、硫黄被毒回復処理後、点火時期が進角されている期間中、点火時期の設定を変更することによりノッキングを回避するノッキングコントロール制御、あるいは、該ノッキングコントロール制御による点火時期遅角学習が禁止される。

これにより、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を低下させるべく、点火時期を進角制御しているにもかかわらず、ノッキングを回避すべく点火時期を遅角制御しＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を上昇させるような制御動作を防止することが可能となる。

各請求項の記載によれば、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を備える内燃機関の排気浄化装置であって、硫黄被毒回復処理後、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比をリーン空燃比に復帰する際の、排出ガス特性の改善を図ることが可能な排気浄化装置を提供することが可能となる、共通の効果を奏する。

以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の排気浄化装置を自動車用のリーンバーンエンジン、特に複数の気筒を１気筒ごとに交互に角度をつけてＶ字状に並べたＶ型のリーンバーンエンジンに適用した場合の一実施形態の基本構成を示す模式図である。図１において、１は内燃機関本体、２は排気マニホルド、３は三元触媒、４は排気管、５はＮＯｘ吸蔵還元触媒、６は排気空燃比センサー（以下、排気Ａ／Ｆセンサーと称す）、７は排気温度センサー、８はノッキングセンサー、をそれぞれ示している。
また、図１において、１０はＮＯｘ吸蔵還元触媒温度検出手段、１１はＳＯｘ吸蔵量検出手段、１２はＳＯｘ放出量検出手段、１３は硫黄被毒回復制御手段、１４は点火時期制御手段、１５はノッキングコントロール制御禁止手段、をそれぞれ示している。

まず、図１に示されたリーンバーンエンジンの基本構成要素となる内燃機関本体１、排気マニホルド２、三元触媒３、排気管４、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５、排気Ａ／Ｆセンサー６、排気温度センサー７、ノッキングセンサー８、のそれぞれについて簡単に説明する。

内燃機関本体１は、負荷条件に応じて空燃比が変更されるが、その運転領域の大部分がストイキよりもリーンな空燃比で運転される、いわゆるリーンバーンエンジンである。本実施形態における内燃機関本体１はＶ型のエンジンとして示され、（図には示していないが）シリンダーは左右の各バンクに交互に振り分けて配置されている。また、本実施形態における内燃機関本体１には、ノッキングに固有の周波数の振動を検出するノッキングセンサー８が設けられている。このような内燃機関本体１は既知のものであり、その構成の詳細についてはここでは説明を省略する。尚、本発明を説明する上で本実施形態においては、内燃機関本体１は、Ｖ型のリーンバーンエンジンとして示されているが、例えば直列４気筒リーンバーンエンジンなど他の形式の内燃機関であってもよい。

内燃機関本体１からの排気の通路となる排気系には、排気マニホルド２、三元触媒３、排気管４およびＮＯｘ吸蔵還元触媒５が、それぞれ配置されている。また、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５の前後には、排気Ａ／Ｆセンサー６が配置されている。更に、排気管４には、排気温度センサー７が配置されている。

排気マニホルド２は、内燃機関本体１に連結され、内燃機関本体１内に配置されている各気筒からの排気を１本の排気管４に送り込む役割を果たすものである。
排気マニホルド２と排気管４との間に配置された三元触媒３は、主として、エンジン始動時のストイキ運転時における排気中の有害な成分を浄化する役割を果たすものである。
排気Ａ／Ｆセンサー６は、排気管４を通過する排気中の空燃比を検出するものであり、本実施形態においては、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５の前後にそれぞれ配置され、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５の前後における排気空燃比を検出する役割を果たす。
排気温度センサー７は、排気管４を通過する排気の温度を検出するものであり、本実施形態においては、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５の内燃機関本体１に近い上流側に配置され、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に流入する排気の温度を検出する役割を果たすものである。

次に、図１に示された本発明の一実施形態となる内燃機関の排気浄化装置が有する各構成要素について説明する。
図１に示された実施形態における内燃機関の排気浄化装置は、主として、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度検出手段１０、ＳＯｘ吸蔵量検出手段１１、ＳＯｘ放出量検出手段１２および硫黄被毒回復制御手段１３から構成される。また、硫黄被毒回復制御手段１３は点火時期制御手段１４を有し、該点火時期制御手段１４はノッキングコントロール制御禁止手段１５を有する。

ＮＯｘ吸蔵還元触媒５は、内燃機関本体１からの排気空燃比がリーン空燃比であるときに、排気中のＮＯｘを吸収、吸着もしくはその両方により吸蔵することで排気中からＮＯｘを除去し、内燃機関本体１からの排気空燃比がリッチ空燃比あるいはストイキであるときに、吸蔵したＮＯｘを放出する機能を有する。放出されたＮＯｘは、排気に含まれる還元成分となる炭化水素ＨＣ、一酸化炭素ＣＯ等と反応して還元浄化せしめられる。

このようにＮＯｘ吸蔵還元触媒５は、該ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に流入する排気空燃比がリーン空燃比であるときに排気中のＮＯｘを吸蔵する一方で、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に流入する排気中にＳＯｘが含まれている場合には、ＮＯｘと同様にＳＯｘも吸蔵することが知られている。内燃機関本体１に供給される燃料中には硫黄成分が含まれていることが多く、この場合、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に流入する排気中には硫黄分の燃焼により生じたＳＯｘが含まれることになり、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５には、ＮＯｘばかりでなく、ＳＯｘも吸蔵されることになる。

ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に吸蔵されたＳＯｘは、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に吸蔵されたＮＯｘと比較して、安定度が高く分解しづらく、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５が排気中のＮＯｘを吸蔵し且つ還元浄化することができる温度領域内でＮＯｘ吸蔵還元触媒５が使用されるかぎり、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に吸蔵されたＳＯｘは分解されずにＮＯｘ吸蔵還元触媒５に残存することが知られている。従って、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５が排気中のＮＯｘを吸蔵し且つ還元浄化することができる温度領域内でＮＯｘ吸蔵還元触媒５が使用されるかぎり、時間が経過するにつれて、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５内のＳＯｘ量は増大し、その結果、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５が排気中から吸蔵することができるＮＯｘ量は低下することになる。

しかるに、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５の温度を所定の温度以上に、例えば６００℃以上に上昇させることで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に吸蔵されたＳＯｘを熱分解し、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５から脱離することができることも知られている。また、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５から脱離されたＳＯｘは、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に流入する排気空燃比をリッチ空燃比にすることで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に再吸蔵されることなく放出せしめられる。

硫黄被毒回復制御手段１３は、このことに基づいて、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比をリッチ空燃比にしつつ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を上昇させる硫黄被毒回復処理を実行する機能を有する。

また、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５が硫黄被毒回復処理直後の高温状態にあるときには、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に流入する排気空燃比をリーン空燃比に制御しても、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５は、排気中のＮＯｘを吸蔵することはできない。ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度が排気中のＮＯｘを吸蔵することができる温度領域まで低下してから、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に流入する排気空燃比をリーン空燃比にすることで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５による排気中のＮＯｘの吸蔵が可能となる。

しかしながら、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比を理論空燃比にすることで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５を三元触媒として機能させることができる。これにより、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５が硫黄被毒回復処理終了直後の高温状態にあるときにおいても、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５により排気中のＮＯｘを浄化させることが可能となる。

このことに基づいて、硫黄被毒回復制御手段１３は更に、硫黄被毒回復処理終了後、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度が予め定められた温度に低下するまで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に流入する排気空燃比をストイキに保持し、その後、排気空燃比をリーン空燃比に復帰させる機能を有する。

点火時期制御手段１４は、硫黄被毒回復制御手段１３の一構成要素となる。本点火時期制御手段１４は、硫黄被毒回復制御手段１３により、硫黄被毒回復処理終了後、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に流入する排気空燃比をリーン空燃比に復帰させる際において、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５の温度降下を促進する役割を果たすものである。具体的には、点火時期制御手段１４は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度の低下をもたらすべく、点火時期を進角させる機能を有する。

ノッキングコントロール制御禁止手段１５は、点火時期制御手段１４の一構成要素となる。ノッキングコントロール制御禁止手段１５は、点火時期制御手段１４により点火時期が進角制御されている期間中、点火時期の設定を変更することによりノッキングを回避するノッキングコントロール制御あるいは該ノッキングコントロール制御による点火時期遅角学習を禁止する機能を有する。本実施形態においては、内燃機関本体１に設けられたノッキングセンサー８の情報に基づく点火時期制御が禁止される。

ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度検出手段１０は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５の温度を推定する機能を有する。ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度は、例えば、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５の内燃機関本体１に近い上流側に配置された排気温度センサー７により検出された温度情報に基づいて推定される。この場合、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度検出手段１０は、排気温度センサー７を主要素として構成されることになる。ただし、例えば、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５と排気温度センサー７との間には多少の隔たりがあり、この隔たりにおける温度勾配等を推定すべく、回転負荷、空燃比、熱伝達係数、触媒反応速度等のパラメータを用いて補正が行われることになり、これらの各情報を検出する各要素もまた、当該ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度検出手段１０の構成要素となる。
また、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度検出手段１０は、硫黄被毒回復制御手段１３に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５の温度の検出情報を伝達可能に構成されている。

ＳＯｘ吸蔵量検出手段１１は、流入する排気によりＮＯｘ吸蔵還元触媒５に吸蔵されたＳＯｘ量を推定する機能を有する。例えば、ＳＯｘ吸蔵量は、燃料中の硫黄成分の濃度および消費燃料量から推定されうる。この場合、ＳＯｘ吸蔵量検出手段１１は、燃料中の硫黄成分の濃度および消費燃料量のそれぞれを検出する要素を主要素として構成されることになる。
また、ＳＯｘ吸蔵量検出手段１１は、硫黄被毒回復制御手段１３に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に吸蔵されたＳＯｘ量の検出情報を伝達可能に構成されている。

ＳＯｘ放出量検出手段１２は、硫黄被毒回復制御手段１３による硫黄回復被毒処理によりＮＯｘ吸蔵還元触媒５から放出あるいは脱離されたＳＯｘ量を推定する機能を有する。例えば、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５からのＳＯｘ放出量は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度および排気空燃比から推定されうる。この場合、ＳＯｘ放出量検出手段１２は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度および排気空燃比のそれぞれを検出する要素を主要素として構成されることになる。排気空燃比の検出には、排気Ａ／Ｆセンサー６が使用され、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度の検出には、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度検出手段１０が使用されうる。
また、ＳＯｘ放出量検出手段１２は、硫黄被毒回復制御手段１３に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５から放出されたＳＯｘ量の検出情報を伝達可能に構成されている。

上述した各構成要素を有する本実施形態の内燃機関の排気浄化装置の作用効果について以下に説明する。
図２は、本排気浄化装置が組み入れられた図１に示すリーンバーンエンジンで実行される硫黄被毒回復制御の制御ルーチンの一実施形態を示すフローチャート図である。
図３は、図２に示す硫黄被毒回復制御の制御ルーチンの全体にわたる、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５の温度推移の示す図である。

図２に示す操作では、まず、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に対する硫黄被毒回復処理の必要性の有無が判断され、硫黄被毒回復処理が必要と判断された場合、硫黄被毒回復処理が実行される。そして、硫黄被毒回復処理後、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度が予め定められた温度まで低下するまで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に流入する排気空燃比がストイキに保持され、その後排気空燃比がリーン空燃比に復帰される。
以下に各ステップの詳細について説明する。

まず、ステップ２１では、内燃機関本体１が現在リーン空燃比運転（リーン運転とも称す）状態であるか否か、すなわち、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に流入する排気空燃比がリーン空燃比であるか否かの判断がなされる。ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に流入する排気空燃比がリーン空燃比であるか否かの判断は、例えば、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５の前後に配置された排気Ａ／Ｆセンサー６からの情報に基づいて判断される。

ＮＯｘ吸蔵還元触媒５における硫黄被毒は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に流入する排気空燃比がリーン空燃比であるときに発生するものであり、リーン空燃比運転中でないときには硫黄被毒回復制御を行う必要性はなく、本制御ルーチンは終了される。

続くステップ２２においては、内燃機関本体１がリーン空燃比運転状態である場合において、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に対する硫黄被毒回復要求の有無、すなわち、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に吸蔵されたＳＯｘの放出の必要性があるか否かの判断がなされる。ＮＯｘ吸蔵還元触媒５からのＳＯｘ放出の必要性の有無については、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に吸蔵されたＳＯｘ量に基づいて、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５のＮＯｘ吸蔵能力が所定値まで低下したか否かを判断することにより決定される。その際、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に吸蔵されたＳＯｘ量は、ＳＯｘ吸蔵量検出手段１１により、例えば、燃料中の硫黄成分の濃度および消費燃料量から推定される。

ＳＯｘ吸蔵量検出手段１１により推定されたＮＯｘ吸蔵還元触媒５に吸蔵されたＳＯｘ量に基づいて、硫黄被毒回復処理の実行の必要性がないと判断された場合には、そのままリーン空燃比運転状態が継続される。

ＳＯｘ吸蔵量検出手段１１により推定されたＮＯｘ吸蔵還元触媒５に吸蔵されたＳＯｘ量に基づいて、硫黄被毒回復処理の実行の必要性があると判断された場合には、続くステップ２３からステップ２６において、硫黄被毒回復制御手段１３による、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に対する硫黄被毒回復処理が実行され、図３中の符号３１で示される期間の温度推移が、本ステップ２１からステップ２６にわたる制御ルーチンが実行される期間のＮＯｘ吸蔵還元触媒５の温度推移に該当する。

まず、ステップ２３においては、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に流入する排気の目標空燃比がリーン空燃比からストイキに設定変更され、且つ、点火時期が通常運転時よりも遅角制御される。これにより、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に流入する排気の温度が上昇され、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５の第一段階の昇温がなされる。

ＮＯｘ吸蔵還元触媒５が排気中のＮＯｘを吸蔵し且つ還元浄化することができる温度領域（図３において、ＮＯｘ吸蔵還元要求温度と称す）は、約３００℃〜約４５０℃である。それに対して、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＳＯｘを熱分解してＮＯｘ吸蔵還元触媒５から放出させることができる温度領域（図３において、硫黄脱離要求温度と称す）は、約６００℃〜約７００℃であり、ＮＯｘ吸蔵還元要求温度に比べて相当に高い。
そのため、硫黄被毒回復処理を行うべく、ＮＯｘ吸蔵還元要求温度から硫黄脱離要求温度まで、急激にＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を上昇させるためには、大幅なエネルギーの投入が必要となり、各運転状態間のトルク段差によるドライブアビリティの悪化がもたらされる可能性がある。

そこで、本実施形態においては、リーン空燃比運転状態から硫黄被毒回処理状態へと移行する際に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を急激に上昇させるのではなく、２段階に分けて上昇させることで、各運転状態間のトルク段差によるドライブアビリティの悪化を緩和することを可能としている。本ステップ２３におけるＮＯｘ吸蔵還元触媒５の昇温は、その第一段階の昇温に該当する。

続くステップ２４においては、ステップ２３にて設定されたストイキ運転状態および点火時期の遅角制御が、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５の第一段階の昇温が安定するまで継続される。そして、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度検出手段１０の検出情報に基づき、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５の第一段階の昇温が終了したと判断された後、ストイキ運転状態および点火時期の遅角制御が中止される。

また、点火時期が遅角制御されている期間中、内燃機関本体１に設けられたノッキングセンサー８によるノッキングコントロール制御（ＫＣＳ制御）あるいは該ノッキングコントロール制御による点火時期遅角学習が禁止される。
ノッキングコントロール制御とは、ノッキングを抑制するために行われる制御であり、通常、点火時期を遅角制御するものである。このような点火時期の遅角制御は、一般的に、点火時期が必要以上に遅角されて燃費や排出ガス特性等の悪化を防止すべく、ノッキングの発生が検出されると、各運転状態における基本点火時期から徐々に点火時期の遅角補正量を制御する。また、ノッキングコントロール制御による点火時期遅角学習とは、各運転領域により実行されたノッキングコントロール制御よる遅角補正量を学習し、再び同様の運転領域となった時に、学習された遅角補正量に基づいて、最適な必要遅角量を推定し、より迅速にノッキングを抑制するものである。
ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を上昇させる期間中においては、好適には、点火時期は安定した遅角制御がなされることがよく、ノッキングコントロール制御をすべく点火時期を変動させることは、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度の安定した上昇を妨げる可能性がある。そのため、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を上昇させるべく点火時期が遅角制御されている期間中においては、ノッキングを抑制するための点火時期制御は禁止されることが好ましい。

続くステップ２５においては、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５の第二段階の昇温、すなわち、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５からのＳＯｘの放出が可能な温度領域にまでＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を上昇させるべく、また、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に流入する排気空燃比をストイキよりもリッチな空燃比にすべく、内燃機関本体１の各バンクが適当な空燃比に設定され、また、点火時期が、設定された空燃比に応じて設定される。

Ｖ型のリーンバーンエンジンとして示された本実施形態の内燃機関本体１においては、例えば、右バンクからの排気空燃比をリッチ空燃比に設定し、左バンクからの排気空燃比をリーン空燃比に設定することにより、それぞれの排気をＮＯｘ吸蔵還元触媒５で反応させることで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比をストイキよりもリッチな空燃比にしつつＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を上昇させることが可能となる。これにより、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に吸蔵されたＳＯｘを熱分解し、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に再吸蔵させることなく、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５から脱離することが可能となる。

尚、各バンクの空燃比は、リッチ空燃比あるいはリーン空燃比に制御されることになるが、その制御は好適には、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５の前後に設けられた排気Ａ／Ｆセンサー６のそれぞれの検出情報に基づいて、メインフィードバック制御およびサブフィードバック制御が行われる。

ステップ２６においては、ステップ２５において設定された空燃比および点火時期に基づいた硫黄被毒回復処理制御が実行され、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５からＳＯｘが放出される。その際、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５から放出されたＳＯｘ量は、ＳＯｘ放出量検出手段１２により、例えば、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５の温度および排気の空燃比と時間に基づいて推定される。そして、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５からのＳＯｘ放出（硫黄脱離）が終了したと判断された場合に、硫黄被毒回復処理が中止される。具体的には、硫黄被毒回復制御手段１３が、ＳＯｘ吸蔵量検出手段１１およびＳＯｘ放出量検出手段１２からの検出情報に基づいて、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５からのＳＯｘ放出が終了したか否かの判定を行い、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５からのＳＯｘ放出が終了したと判断されると、硫黄被毒回復処理を終了する。

尚、上述したステップ２３からステップ２６の各ステップを実行するあたり必要となるＮＯｘ吸蔵還元触媒５の温度情報は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度検出手段１０により推定され、この温度情報を硫黄被毒回復制御手段１３が受けて、ステップ２３からステップ２６にわたる硫黄被毒回復制御が実行される。

続くステップ２７からステップ２９においては、硫黄被毒回復制御手段１３による、硫黄被毒回復処理終了からリーン空燃比運転状態への復帰する際の制御ルーチンが実行され、図３中の符号３２で示される期間の温度推移が、本ステップ２７からステップ２９にわたる制御ルーチンが実行される期間のＮＯｘ吸蔵還元触媒５の温度推移に該当する。

まず、ステップ２７においては、硫黄被毒回復処理終了後、硫黄被毒回復制御手段１３により、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に流入する排気の目標空燃比がストイキに設定され、リーン空燃比運転禁止設定すなわち硫黄被毒回復処理終了後すぐにリーン空燃比運転状態に移行されることが禁止される。また、点火時期制御手段１４により点火時期が通常運転時よりも進角制御される。

硫黄被毒回復終了直後の高温状態で、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に流入する排気空燃比がリーン空燃比されると、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５により、排気中のＮＯｘを吸蔵することはできず、排出ガス特性の悪化がもたらされる。

本ステップ２７においては、硫黄被毒回復処理終了後すぐに、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に流入する排気空燃比をリーン空燃比に復帰させることを禁止し、まず、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に流入する排気空燃比をストイキに設定する。これにより、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５を三元触媒として機能させることができ、硫黄被毒回復処理直後の高温状態においても、排気中のＮＯｘを浄化することが可能となる。

また、本ステップ２７においては、硫黄被毒回復制御手段１３の一構成要素となる点火時期制御手段１４により、点火時期が通常よりも進角制御される。点火時期を進角制御させることで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に流入する排気の温度を低下させることができ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が排気中のＮＯｘを吸蔵することができる温度領域にまで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を迅速に低下させることが可能となる。

続くステップ２８においては、硫黄被毒回復制御手段１３により、ステップ２７にて設定されたストイキ運転状態および点火時期の進角制御が、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度が予め定めた温度に低下するまで、好適には、流入する排気空燃比がリーン空燃比であるときにＮＯｘ吸蔵還元触媒５がＮＯｘを吸蔵することができる温度領域に低下するまで継続される。そして、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度検出手段１０によるＮＯｘ吸蔵還元触媒５の温度情報に基づき、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５が予め定めた温度まで低下して安定したと判断された後、ストイキ運転状態および点火時期の進角制御が中止され、また、リーン空燃比運転禁止設定も解除される。尚、硫黄被毒回復処理終了後のストイキ運転状態を中止するか否かの判断基準として予め定められる温度は、設計仕様条件や使用環境条件などにより適当に決定されてよい。

硫黄被毒回復処理終了後、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５がＮＯｘを吸蔵し且つ還元浄化することができる温度領域に低下するまで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に流入する排気空燃比がストイキに保持されることにより、排気中のＮＯｘは、硫黄被毒回復処理終了からリーン空燃比運転状態に復帰されるまでの間にわたり、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５を三元触媒として機能させることができ、排出ガス特性を改善することが可能となる。

また、本ステップ２８においては、硫黄被毒回復制御手段１３により、点火時期が進角制御される期間中、点火時期制御手段１４の一構成要素となるノッキングコントロール制御禁止手段１５により、内燃機関本体１に設けられたノッキングセンサー８によるノッキングコントロール制御（ＫＣＳ制御）あるいは該ノッキングコントロール制御による点火時期遅角学習が禁止される。上述したようにノッキングコントロール制御は、通常、点火時期を遅角制御することにより行われ、また、ノッキングコントロール制御による点火時期遅角学習は、運転状態に応じた最適な必要遅角量を推定し、より迅速にノッキングを抑制するものである。ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を低下させる間においては、点火時期は進角制御される必要があり、ノッキングコントロール制御をすべく点火時期を遅角制御させることは、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度の低下を妨げる可能性がある。そのため、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を低下させるべく点火時期が進角制御される間においては、ノッキングコントロール制御するための点火時期制御は禁止されることが好ましい。

尚、点火時期制御手段１４による点火時期の進角制御は、硫黄被毒回復処理終了後のＮＯｘ吸蔵還元触媒温度の低減を段階的に行うべく適当に設定されてよく、これにより、各運転状態間のトルク段差によるドライブアビリティの悪化を緩和することも可能となる。

続くステップ２９においては、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度が予め定められた温度にまで低下した後、硫黄被毒回復制御手段１３により、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に流入する排気空燃比がリーン空燃比に復帰される。また、ノッキングコントロール制御禁止手段１５によるノッキングコントロール制御の禁止が解除される。

以上、図２および図３を参照して、本発明にかかる排気浄化装置による硫黄被毒回復制御の制御ルーチンの一実施形態を述べてきたが、本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置において最も留意されるべき特徴は、硫黄被毒回復制御手段１３により、硫黄被毒処理終了後、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に流入する排気空燃比をリーン空燃比に復帰させる際、ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度が予め定められた温度に低下するまで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５に流入する排気空燃比が理論空燃比に保持されることである。これにより、硫黄被毒回復制御状態からリーン空燃比運転状態へ復帰する際の、排出ガス特性の悪化の改善を図ることが可能となる。

本発明の排気浄化装置を自動車用の希薄燃焼内燃機関、特にＶ型のリーンバーンエンジンに適用した場合の一実施形態の基本構成を示す模式図である。 図２は、本排気浄化装置が組み入れられた図１に示す内燃機関で実施しうる硫黄被毒回復制御の制御ルーチンの一実施形態を示すフローチャート図である。 図３は、図２に示す硫黄被毒回復制御の制御ルーチンの全体、すなわちステップ２１からステップ２９にわたる、ＮＯｘ吸蔵還元触媒５の温度推移の示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関本体
２ 排気マニホルド
３ 三元触媒
４ 排気管
５ ＮＯｘ吸蔵還元触媒
６ 排気Ａ／Ｆセンサー
７ 排気温度センサー
８ ノッキングセンサー
１０ ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度検出手段
１１ ＳＯｘ吸蔵量検出手段
１２ ＳＯｘ放出量検出手段
１３ 硫黄被毒回復制御手段
１４ 点火時期制御手段
１５ ノッキングコントロール制御禁止手段

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に配置した、流入する排気空燃比がリーン空燃比のときに排気中のＮＯｘを吸収、吸着もしくはその両方により吸蔵し、流入する排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比のときに吸蔵したＮＯｘを排気中の還元成分を用いて還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒と、
   前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度を検出する温度検出手段と、
   前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比をリッチ空燃比にしつつ前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を上昇させる硫黄被毒回復処理を実行し、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒がＮＯｘとともに吸蔵した硫黄酸化物をＮＯｘ吸蔵還元触媒から放出させる硫黄被毒回復制御手段とを、備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
   前記硫黄被毒回復制御手段は、前記硫黄被毒回復処理終了後、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度が予め定めた温度まで低下するまで前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比を理論空燃比に保持し、その後排気空燃比をリーン空燃比に復帰させる、ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記予め定めた温度は、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比がリーン空燃比のときに前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒がＮＯｘを吸蔵することができる温度である、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。
3. 前記硫黄被毒回復制御手段は、前記硫黄被毒回復処理終了後、点火時期を進角させることにより、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を予め定めた温度まで低下させる、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の浄化装置。
4. 前記硫黄被毒回復制御手段は、前記硫黄被毒回復処理終了後、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を予め定められた温度まで低下させるべく点火時期が進角されている期間中、点火時期の設定を変更することによりノッキングを回避するノッキングコントロール制御あるいは該ノッキングコントロール制御による点火時期遅角学習を禁止する、ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。

Images