JP2006322399A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯ_Xの還元浄化を効率的に行う。
【解決手段】 機関１の排気通路２に上流側から順に水素生成触媒９とＮＯ_X吸蔵還元触媒７とを配置するとともに、触媒７、９の間の排気通路に排気中の水素成分濃度を検出するＨ₂センサ３１を配置する。機関の電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０は、触媒７にＮＯ_Xが所定量吸蔵される毎に機関をリッチ空燃比で運転し、触媒９、７にリッチ空燃比の排気を供給する。水素生成触媒９は、リッチ空燃比の排気が流入すると排気空燃比に応じた量の水素を生成する。ＥＣＵ３０はＨ₂センサ３１で検出した排気中の水素成分濃度が予め定めた目標値になるように排気空燃比をフィードバック制御することにより水素生成触媒で生成される水素量を制御する。これにより、ＮＯ_Xの還元浄化時に適切な量の水素成分がＮＯ_X吸蔵還元触媒７に供給され、ＮＯ_Xの還元浄化が効率的に行われる。
【選択図】 図１

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関し、詳細にはＮＯ_X吸蔵還元触媒を用いた内燃機関の排気浄化装置に関する。

流入する排気の空燃比がリーン空燃比のときに排気中のＮＯ_X成分を吸蔵し、流入する排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比になったときに排気中の還元成分を用いて吸蔵したＮＯ_Xを還元浄化するＮＯ_X吸蔵還元触媒を用いた内燃機関の排気浄化装置が知られている。（なお、本明細書で使用する「吸蔵」なる語は、吸着と吸収との両方を含む概念として使用している。）
ＮＯ_X吸蔵還元触媒は、空燃比がリーンのときに排気中のＮＯ_X成分を硝酸イオンの形でＢａＯ等の吸蔵材中に吸蔵する。このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯ_X量が増大すると吸蔵材がＮＯ_Xで飽和してしまいそれ以上排気中のＮＯ_Xを吸蔵できなくなる。

このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒を用いた排気浄化装置では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯ_Xが増大する毎に、短時間機関をリッチ空燃比で運転するリッチスパイク操作を行い、ＮＯ_X吸蔵還元触媒にリッチ空燃比の排気を供給することにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯ_Xを還元浄化するようにしている（特許文献１参照）。
すなわち、排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比になると排気中のＣＯ等の還元成分やＨＣ成分量が急激に増大する。リッチ空燃比雰囲気下でＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵材から離脱するＮＯ_XはこれらのＣＯ、ＨＣ等と反応してＮ₂に還元され、これにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯ_X量が低下し、ＮＯ_X吸蔵還元触媒がリーン空燃比下において再度ＮＯ_Xを吸蔵できるようになる。

ところで、水素はＣＯ等と比較しても高い還元能力を有する。このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵ＮＯ_Xの還元浄化時にＮＯ_X吸蔵還元触媒に適量の水素を供給すると、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯ_Xの還元速度が増大し、短時間で効率的にＮＯ_Xの還元浄化を行うことができることが知られている。

水素は、空燃比がリッチ空燃比のときに機関の燃焼により発生することが知られている。また、通常の機関のリッチ空燃比運転で発生する水素の量は比較的少ないため、別の手段を用いて排気ガスに水素を添加する方法も知られている。

例えば特許文献２には、リッチ空燃比下で排気中のＣＯ、Ｈ₂Ｏ成分などから水素を生成可能な水素生成触媒をＮＯ_X吸蔵還元触媒の上流側の排気通路に配置した構成が開示されている。特許文献２の装置では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯ_Xを還元浄化するためにリッチスパイク運転が行われ、機関排気がリッチ空燃比になると水素生成触媒では水素が生成されるようになる。これにより、水素生成触媒の下流側のＮＯ_X吸蔵還元触媒には比較的多量の水素を含んだリッチ空燃比の排気が供給されるようになり、吸蔵したＮＯ_Xが効率的に還元浄化されるようになる。

更に、特許文献３では水素成分の強力な還元剤としての能力を利用して、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵能力を判定する方法を開示している。
水素は還元剤としての能力が高いため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵ＮＯ_X還元浄化時には、触媒に吸蔵されたＮＯ_Xが残っている間はＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入した排気中の水素成分はＮＯ_Xと反応して消費され、ＮＯ_X吸蔵還元触媒内のＮＯ_Xの全量が還元されるまでＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側には流出しない。

このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に水素を含んだリッチ空燃比の排気を供給をした場合に、ＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側の排気中に水素の流出が始まった時点は、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯ_Xの全量が還元浄化された時点と考えることができる。従って、吸蔵ＮＯ_Xの還元浄化開始時から下流側で水素成分が検出されるようになるまでの時間はＮＯ_X吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯ_X量に対応しており、この時間が長いほどＮＯ_X吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯ_X量が多いと判断することができる。

特許文献３では上記を利用して、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の上流側と下流側の排気通路に排気中の水素を検出するＨ₂センサを配置し、吸蔵ＮＯ_Xの還元浄化時に上流側のＨ₂センサで水素が検出されてから下流側のＨ₂センサで水素が検出されるまでの時間差に基づいてＮＯ_X吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯ_X量の低下の有無（すなわち、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の劣化の有無）を判定している。

特許第２６００４９２号公報 特開２００１−２５２５６３号公報 特開２００２−４７９１９号公報 特開２００３−１２０３８３号公報

前述したように、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯ_Xの還元浄化の際に、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に適量の水素を供給することにより、短時間で効率的なＮＯ_Xの還元浄化を行うことができる。
ところが、実際に水素を利用してＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯ_Xの還元浄化を効率的に行うためには、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給する水素の量を適切な値に設定する必要がある。

例えば、還元すべきＮＯ_Xの量に対して供給される水素の量が不足するとＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯ_Xの還元が不十分になるおそれがある。また、供給する水素の量が過剰であると、過剰な水素生成のためのリッチ空燃比運転により機関の燃料消費量が増大する等の問題が生じ、効率的なＮＯ_Xの還元浄化が行えない。

上述した特許文献２では、水素生成触媒を用いて水素を生成しＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給しているものの、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給する水素の量や濃度を制御することについては開示も示唆もされていない。

また、特許文献３ではＨ₂センサを使用してはいるものの、単に排気中に水素が存在するか否かの判断のみにＨ₂センサを利用しており、これもＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気中の水素の量や濃度を制御しようとする思想はない。
このため、例えば特許文献２、３等の従来技術ではＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯ_Xの還元浄化に水素を利用してはいても、必ずしも効率的なＮＯ_X浄化を行うことができない問題がある。

本発明は上記従来技術の問題に鑑み、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯ_Xの還元浄化を水素を用いて効率的に行うことを可能とする内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的としている。。

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ＮＯ_X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ＮＯ_Xを排気中の還元成分を用いて還元浄化するＮＯ_X吸蔵還元触媒と、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒の上流側の排気通路に配置した、流入する排気空燃比がリッチ空燃比のときに排気中の炭化水素または一酸化炭素と水分とから水素を生成する水素生成触媒と、前記水素生成触媒下流側かつＮＯ_X吸蔵還元触媒上流側の排気通路に配置され、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気中の水素成分濃度を検出するＨ₂センサと、を備え、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯ_Xを還元浄化すべきときに、前記Ｈ₂センサで検出した水素成分濃度が予め定めた値になるように、排気空燃比を制御する水素量調整操作を行う、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の発明では水素生成触媒とＮＯ_X吸蔵還元触媒との間の排気通路に配置されたＨ₂センサで検出した、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気中の水素成分濃度が予め定めた値になるように排気空燃比がフィードバック制御される。
水素生成触媒は排気中の一酸化炭素と水分とから水素を生成するものであり、排気中の一酸化炭素量（濃度）は排気空燃比に応じて変化する。このため、排気空燃比を変化させることにより、水素生成触媒で生成される水素量（濃度）を制御することができる。

本発明では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気中の実際の水素濃度を検出し、この水素濃度が予め定めた最適値になるように水素生成触媒で生成される水素量を制御するため、ＮＯ_Xの還元浄化時には、常にＮＯ_X吸蔵還元触媒には最適な量の水素が供給されるようになり、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯ_Xの還元浄化が効率的に行われるようになる。

請求項２に記載の発明によれば、前記水素量調整操作において、前記水素成分濃度が、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量に応じて定まる値になるように排気空燃比を制御する、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。

すなわち、請求項２の発明ではＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気中の水素濃度がＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量に応じて定まる値に制御される。これにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯ_X量に応じて過不足のない適切な量の水素をＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給することが可能となり、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯ_Xの還元浄化を効率的に行うことができる。

請求項３に記載の発明によれば、排気空燃比に基づいて、前記水素生成触媒出口における排気中の水素成分濃度の基準値を設定し、前記Ｈ₂センサで検出した水素成分濃度と前記基準値との差が予め定めた値以上になったときに、前記水素生成触媒が劣化したと判定する、請求項１に記載の排気浄化装置が提供される。

すなわち、請求項３の発明では水素生成触媒出口における水素成分濃度、すなわち水素生成触媒の水素生成量の基準値が排気空燃比に応じて予め定められている。基準値は、劣化していない水素生成触媒が各排気空燃比において生成可能な標準的な水素生成量に対応する水素成分濃度である。水素生成触媒は劣化するにつれて同一条件下であっても生成する水素成分の量が低下する。本発明では、Ｈ₂センサで検出した水素生成触媒出口における実際の水素成分濃度が、排気空燃比から定まる上記基準値より予め定めた値以上低下した場合には、水素生成触媒が許容できる範囲を超えて劣化したと判断する。

請求項４に記載の発明によれば、前記水素生成触媒が劣化したと判定されたときに、前記水素量調整操作を禁止する、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、水素生成触媒が劣化したと判断された場合には、水素量調整作業を行うことを禁止する。劣化した水素生成触媒を用いたままで水素生成量を目標値に制御しようとすると、排気空燃比が過剰にリッチ側に制御される場合があり、逆に排気エミッションの悪化や燃料消費量の増大を招く場合がある。本発明では、水素生成触媒の劣化時には水素量調整制御は行わず、例えば排気空燃比は予め定めた予め定めた値に固定されるようになる。これにより、水素生成触媒の劣化時の排気エミッションの悪化や燃料消費量の増大が防止される。

各請求項に記載の発明によれば、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯ_Xの還元浄化を水素成分を用いて効率的に行うことが可能となる共通の効果を奏する。

以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明を自動車用内燃機関に適用した場合の、実施形態の概略構成を説明する図である。
図１において、１は自動車用内燃機関を示す。本実施形態では、機関１は＃１から＃４の４つの気筒を備えた４気筒ガソリン機関とされ、＃１から＃４気筒にはそれぞれの気筒の吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁１１１から１１４が設けられている。本実施形態では、機関１は、リッチ空燃比からリーン空燃比までの広い空燃比範囲での運転が可能であり、運転領域の大部分でリーン空燃比運転を行うリーンバーン機関とされている。

また、本実施形態では＃１から＃４の気筒は互いに点火時期が連続しないそれぞれ２つの気筒からなる２つの気筒群にグループ分けされている。（例えば、図１の実施形態では、気筒点火順序は１−３−４−２であり、＃１、＃４の気筒と＃２、＃３の気筒とがそれぞれ気筒群を構成している。）また、各気筒の排気ポートは気筒群毎に排気マニホルドに接続され、気筒群毎の排気通路に接続されている。

図１において、２１ａは＃１、＃４気筒からなる気筒群の排気ポートを個別排気通路２ａに接続する排気マニホルド、２１ｂは＃２、＃４気筒からなる気筒群の排気ポートを個別排気通路２ｂに接続する排気マニホルドである。本実施形態では、個別排気通路２ａ、２ｂ上には、三元触媒からなるスタート触媒５ａと５ｂがそれぞれ配置されている。また、個別排気通路２ａ、２ｂはスタート触媒下流側で共通の排気通路２に合流している。

共通排気通路２上には、後述する水素生成触媒９と、その下流側にＮＯ_X吸蔵還元触媒７と配置されている。
また、図１に３１で示すのは、排気通路２のＮＯ_X吸蔵還元触媒７入口（水素生成触媒９出口）に配置された、排気中の水素（Ｈ₂）成分の濃度を検出するＨ₂センサである。

更に、図１に３０で示すのは機関１の電子制御ユニット（ＥＣＵ）である。ＥＣＵ３０は、本実施形態ではＲＡＭ、ＲＯＭ、ＣＰＵを備えた公知の構成のマイクロコンピュータとされ、機関１の点火時期制御や燃料噴射制御等の基本制御を行っている。
また、本実施形態では、ＥＣＵ３０は上記の基本制御を行う他に、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯ_X量が所定量まで増大する毎に噴射弁１１１から１１４の燃料噴射量を増大して、短時間機関をリッチ空燃比で運転するリッチスパイク操作を行い、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７が吸蔵したＮＯ_Xを脱離させ、還元浄化する。

更に、後述するように本実施形態では、ＥＣＵ３０は上記リッチスパイク操作時に上記Ｈ₂センサ３１で検出したＮＯ_X吸蔵還元触媒７入口排気中の水素成分濃度が所定の値になるように、機関１の運転空燃比をフィードバック制御する、水素量調整操作を行う。

これらの制御を行うため、ＥＣＵ３０の入力ポートには、機関の運転状態を表すパラメータとして、図示しない機関吸気マニホルドに設けられた吸気圧センサ３３から機関の吸気圧力に対応する信号と、機関クランク軸（図示せず）近傍に配置された回転数センサ３５から機関回転数に対応する信号、機関１のアクセルペダル（図示せず）近傍に配置したアクセル開度センサ３７から運転者のアクセルペダル踏込み量（アクセル開度）を表す信号、がそれぞれ入力されている他、Ｈ₂センサ３１からＮＯ_X吸蔵還元触媒７入口での排気中のＨ₂濃度が入力されている。
また、ＥＣＵ３０の出力ポートは、各気筒への燃料噴射量と燃料噴射時期を制御するために、図示しない燃料噴射回路を介して各気筒の燃料噴射弁１１１から１１４に接続されている。

次に、本実施形態のＮＯ_X吸蔵還元触媒７について説明する。
本実施形態のＮＯ_X吸蔵還元触媒７は、例えばハニカム状に形成したコージェライト等の担体を用いて、この担体表面にアルミナのコーティングを形成し、アルミナ層上に、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 、セリウムＣｅ、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の成分と、白金Ｐｔのような貴金属とを担持させたものである。ＮＯ_X吸蔵還元触媒は流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに、排気中のＮＯ_X（ＮＯ₂、ＮＯ）を硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形で吸蔵し、流入排気ガス中の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。

すなわち、機関１がリーン空燃比で運転されておりＮＯ_X吸蔵還元触媒７に流入する排気がリーン空燃比である場合には、排気中のＮＯ_X（ＮＯ）は例えば白金Ｐｔ上で酸化されてＮＯ₂になり、更に酸化されて硝酸イオンを生成する。この硝酸イオンは、例えば吸蔵材としてＢａＯが使用されている場合には吸蔵材中に吸蔵されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形で吸蔵材内に拡散する。このため、リーン雰囲気下では排気中のＮＯ_XがＮＯ_X吸蔵材内に硝酸塩の形で吸蔵されるようになる。

また、流入排気中の酸素濃度が大幅に低下すると（すなわち、排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比になると）、白金Ｐｔ上での硝酸イオンの生成量が減少するため、反応が逆方向に進むようになり、吸蔵材内の硝酸イオンＮＯ₃ ^-はＮＯ₂の形で吸蔵材から放出されるようになる。この場合、排気中にＣＯやＨ₂等の還元剤として機能する成分やＨＣ成分（以下、還元成分等）が存在すると白金Ｐｔ上でこれらの成分によりＮＯ₂が還元される。

ＮＯ_X吸蔵還元触媒７はリーン空燃比下で上記のようなメカニズムで排気中のＮＯ_Xを吸蔵材（例えばＢａＯ）中に硝酸イオンの形で吸蔵する。このため、吸蔵材中の硝酸イオン濃度が増大するにつれて新たな硝酸イオンが吸蔵材中に吸蔵されにくくなり、排気中のＮＯ_Xの浄化率が低下する。そして、ＮＯ_X吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯ_X量がある上限値に到達すると（吸蔵材中の硝酸イオン濃度が増大し、飽和濃度に到達すると）排気中のＮＯ_Xを全く吸蔵できなくなる。

本実施形態では、ＥＣＵ３０は機関吸気圧、回転数、アクセル開度などの機関運転状態を表すパラメータに基づいて、予め実験等により求めておいた関係を用いて機関１から発生する単位時間当たりのＮＯ_X量を推定する。そして、機関発生ＮＯ_X量のうち所定割合の量をＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵されるＮＯ_X量として一定時間毎に積算する。この積算値（ＮＯ_Xカウンタと称する）はＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯ_X量に対応する値となる。

ＥＣＵ３０は更に、このＮＯ_Xカウンタが所定値に到達する毎に機関１を短時間リッチ空燃比で運転してＮＯ_X吸蔵還元触媒７にリッチ空燃比の排気を供給するリッチスパイク操作を実行することにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７から吸蔵したＮＯ_Xを脱離させるとともに脱離したＮＯ_Xを排気中の還元成分により還元浄化する。これにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７は常にＮＯ_X吸蔵量が比較的低い状態でＮＯ_Xを吸蔵するようになるため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X浄化率を高く維持することが可能となる。

なお、上記のようにＮＯ_Xカウンタを用いてＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＮＯ_X吸蔵量を推定する代わりに、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７下流側の排気通路に排気中のＮＯ_X濃度を検出するＮＯ_Xセンサを配置し、下流側排気中のＮＯ_X濃度が所定値まで増大したときに（すなわち、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＮＯ_X吸蔵量が増大したためにＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＮＯ_X浄化能力が低下し、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵されずに三元触媒下流側に到達するＮＯ_X成分が増大したと判断されるときに）上記リッチスパイクを実行するようにしても良い。

上記のように、リッチスパイク操作を実行するこによりＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯ_Xを還元浄化し、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＮＯ_X吸蔵能力を回復することができる。
しかし、例えばＮＯ_X吸蔵能力の大きい高吸蔵量タイプのＮＯ_X吸蔵還元触媒を使用した場合などでは、吸蔵したＮＯ_X量が多いため吸蔵ＮＯ_Xの全量を還元浄化するためには比較的長時間を要する場合がある。この場合、リッチスパイク操作では機関空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比で運転するため、リッチスパイク操作を長時間行うと機関の燃料消費量が増大してしまう問題がある。

一方、リッチスパイク操作時にＮＯ_X吸蔵還元触媒に水素成分を供給すると、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯ_Xの脱離、還元速度が大幅に高くなり、ＨＣ、ＣＯなどを用いた場合に較べて大幅に短い時間でＮＯ_Xの還元浄化を行うことが可能であることが知られている。
本実施形態では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７の上流側排気通路に水素生成触媒９を配置しリッチスパイク操作時にＮＯ_X吸蔵還元触媒７に水素を供給することにより、短時間で効率的なＮＯ_Xの還元浄化を行っている。

本実施形態の水素生成触媒９は、例えば流入する排気の空燃比がリッチ空燃比のときに、水性ガスシフト反応（ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂）、或いは水蒸気改質（ＨＣ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂）により、排気中の一酸化炭素や炭化水素などから水素を生成する触媒である。
水素生成触媒７５としては、例えば酸性質担体またはゼオライト担体上に白金Ｐｔを担持させたものが使用される。

ＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯ_Xの還元浄化のためにリッチスパイク操作が行われると、水素生成触媒９にはリッチ空燃比の排気が流入する。排気空燃比がリッチ空燃比になると、排気中のＣＯ、ＨＣ等の成分量が増大するため、水素生成触媒９上では上述の水性ガスシフト反応や水蒸気改質反応により、水素（Ｈ₂）が生成されるようになる。

このため、水素生成触媒９を通過した排気には比較的多量の水素成分が含まれるようになる。
水素は還元能力が高いため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵された硝酸イオンを白金Ｐｔ成分を介さずに短時間でＮ₂に還元することができる。このため、リッチスパイク操作時に同じリッチ空燃比の排気をＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給する場合でも、排気中のＨＣ、ＣＯ成分を水素成分に転換してからＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給することにより短時間で効率的なＮＯ_Xの還元が可能となる。

ところが、この場合ＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給する水素成分の量が問題となる。
例えば、本来ＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯ_X量が多い場合には還元に必要とされる水素成分量も多くなるが、本実施形態ではリッチスパイク操作はＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵ＮＯ_X量が所定量に到達する毎に実行されるため、リッチスパイク操作中には一定量の水素成分をＮＯ_X吸蔵還元触媒７に供給する必要がある。

ところが、水素生成触媒９の生成する水素成分量は流入する排気空燃比に応じて変化するため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７に供給される水素成分量もリッチスパイク操作中に機関の運転状態などに応じて変化する場合がある。
図２は、排気空燃比と水素生成触媒９におけるＨ₂の生成量との関係を模式的に示す図である。水素生成触媒におけるＨ₂生成量は、図２に示すように空燃比がリッチになるにつれて（空燃比が低くなるにつれて）ほぼ直線的に増大する変化を示す。

このため、リッチスパイク操作時には排気空燃比がリッチ空燃比範囲にあっても空燃比が変化すると水素生成触媒９で生成される水素成分量は大きく異なってくる。従って、リッチスパイク操作時の排気空燃比によっては、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量に対してＨ₂の供給量が不足してしまい、吸蔵ＮＯ_Xの還元浄化に長時間を要したり、逆に水素生成触媒９で本来必要な量以上の過剰なＨ₂を生成してしまい機関の燃料消費量が増大するような問題が生じるのである。

本実施形態では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７の入口に配置したＨ₂センサ３１により検出した排気中のＨ₂濃度が予め定めた値になるように排気空燃比を制御することにより、リッチスパイク操作時にＮＯ_X吸蔵還元触媒７の吸蔵したＮＯ_Xを還元するのに過不足のない量の水素を生成するようにしている。

本実施形態のＨ₂センサ３１としては、例えば水素のみに特異的に感応するＰｄ／Ｎｉ合金をセンサーとして使用する形式のもの等を使用することができる。
この種のＨ₂センサは、例えば「Ｈ２ｓｃａｎ」の商品名で株式会社豊田マイクロシステム（東京都）から市販されているが、本実施形態で使用可能なセンサはこれに限定されるものではなく、排気中のＨ₂濃度を応答性良好に連続モニターできるものであれば形式を問わず使用可能である。

図３は、本実施形態におけるリッチスパイク操作時の水素量調整の詳細を示すフローチャートである。
本操作は、ＥＣＵ３０により一定時間毎に実行されるルーチンとして行われる。

図３の操作が開始されると、ステップ３０１ではフラグＸの値が１に設定されているか否かが判定される。Ｘはリッチスパイク操作実行可否を示すフラグであり、別途ＥＣＵ３０により一定時間毎に実行される図示しないリッチスパイク実行要否判定操作により、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＮＯ_X吸蔵量が所定値に到達したと判定されたときに１に設定され、図３のリッチスパイク操作が完了したときにゼロにリセットされる。
なお、本実施形態では、前述したようにＮＯ_Xカウンタの値を用いて、又はＮＯ_X吸蔵還元触媒７下流側にＮＯ_Xセンサを配置してＮＯ_X吸蔵還元触媒７から流出する排気中のＮＯ_X濃度を監視することにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＮＯ_X吸蔵量を推定しているが、他の適宜な方法を用いてリッチスパイク実行要否を判定しても良い。

ステップ３０１でリッチスパイク操作実行の必要なしと判定された場合（Ｘ≠１）には、次にステップ３１７に進み、機関の燃料噴射量ＦＩＮをＦＩＮＣに設定する。ＦＩＮＣは、別途ＥＣＵ３０により行われる図示しない燃料噴射量演算操作により、機関運転状態（アクセル開度、機関回転数など）に基づいて算出される通常運転（リッチスパイク操作実行中以外の運転）における燃料噴射量である。

一方、ステップ３０１でリッチスパイク操作実行が必要と判定された場合（すなわちＸ＝１であった場合）には、ステップ３０３が実行され、機関の燃料噴射量ＦＩＮは、通常運転時の燃料噴射（ＦＩＮＣ）に較べて所定量ＦＲだけ増量される。後述するように、増量値ＦＲは、図３の操作が実行される毎にＮＯ_X吸蔵還元触媒７に流入する排気中の水素成分濃度ＨＲに応じて増減されるが、リッチスパイク実行開始時にはＦＲの初期値は機関空燃比をリッチ空燃比にするのに十分な適宜な値として設定されている。

ステップ３０３で燃料噴射量ＦＩＮを設定後、ステップ３０５ではＮＯ_X吸蔵還元触媒７に流入する排気中の水素成分濃度の目標値ＨＲ₀が設定される。
そして、ステップ３０７ではＮＯ_X吸蔵還元触媒７入口側排気通路に配置したＨ₂センサ３１により、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７入口排気中の水素成分濃度ＨＲを検出し、ステップ３０９から３１５では検出した水素成分濃度ＨＲがステップ３０５で設定した目標値ＨＲ₀に対して予め定めた範囲（ＨＲ±α）内になるように燃料噴射量の増量値ＦＲが増減補正される。

図２で説明したように、水素生成触媒９で生成される水素成分量は排気空燃比に応じてほぼ直線的に増減する。そこで、ステップ３０９から３１１では、検出したＨ₂濃度が目標値ＨＲよりα以上高い場合には（ステップ３０９）、ＦＲを一定量ΔＦだけ減量して空燃比を増大することにより水素の生成量を低下させ（ステップ３１１）、逆にＨＲよりα以上低い場合には（ステップ３１３）、ＦＲを一定量ΔＦだけ増量して空燃比を低下させることにより、水素の生成量を増大させる。
αは制御のハンチングを防止するための不感帯に相当する適宜な小さい値である。
これにより、リッチスパイク操作時にはＮＯ_X吸蔵還元触媒７に流入する排気中の水素成分濃度ＨＲは、目標値ＨＲ₀近傍に維持されるようになる。

次に、本実施形態における水素成分濃度目標値ＨＲ₀の設定について説明する。
前述したように、リッチスパイク操作実行時にはＮＯ_X吸蔵還元触媒７の吸蔵したＮＯ_Xの全量を還元浄化可能な量の水素成分を、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に過不足なく供給することが好ましい。

本実施形態では、リッチスパイク操作はＮＯ_X吸蔵還元触媒７の吸蔵したＮＯ_X量が所定の値まで増大したときに実行されるため、リッチスパイク操作中に必要とされる水素成分の合計量はほぼ一定となる。
また、上記の量の水素成分量をＮＯ_X吸蔵還元触媒７に供給するために必要とされる排気中の水素成分濃度（Ｈ₂濃度）は、排気流量とリッチスパイク操作の継続時間とにより定まる。

すなわち、単位時間当たりにＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給される水素成分量は、排気流量に排気中のＨ₂濃度を乗じた値に比例する。また、リッチスパイク操作中にＮＯ_X吸蔵還元触媒７に供給される水素成分の合計量は、更に上記の量にリッチスパイク操作継続時間を乗じた値に対応する。

本実施形態では、例えばリッチスパイク操作継続時間は予め一定の値に設定されている。この場合には、単位時間当たりに必要とされる水素成分量は必要とされる水素成分合計量をリッチスパイク操作継続時間で除した値となる。このため、目標Ｈ₂濃度ＨＲ₀は、単位時間当たりに必要とされる水素成分量を排気流量で除した値として定まる。

本実施形態では、リッチスパイク操作期間中に必要とされる水素成分量を供給するために必要とされるＨ₂濃度ＨＲ₀と排気流量との関係を予め求めてあり、ＥＣＵ３０のＲＯＭに排気流量毎の必要水素濃度ＨＲ₀が数値テーブルの形で格納されている。
また、吸入空気量は、排気流量とほぼ等しいため、ステップ３０５では機関の吸入空気量Ｇを用いて、上記した数値テーブルから必要とされるＨ₂濃度（目標Ｈ₂濃度）ＨＲ₀を算出する。

なお、吸入空気量ＧはＥＣＵ３０により別途実行される図示しない演算操作により、吸気圧センサ３３で検出した吸気管圧力と回転数センサ３５で検出した機関回転数とに基づいて算出される。

ところで、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵可能なＮＯ_X量（ＮＯ_X吸蔵能力）はＮＯ_X吸蔵還元触媒が劣化するにつれて低下する。このため、リッチスパイク操作を開始するＮＯ_X吸蔵量もＮＯ_X吸蔵還元触媒の劣化（ＮＯ_X吸蔵能力の低下）に応じて変更することが好ましい。このため、例えば前述の特許文献３に記載されたように、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７下流側の排気通路にもＨ₂センサを設け、上流側に配置したＨ₂センサ３１が排気中の水素成分の存在を検出した時期（リッチスパイク操作開始時期）とＮＯ_X吸蔵還元触媒７下流側に配置したＨ₂センサが排気中の水素成分の存在を検出した時期（ＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯ_Xの全量が還元された時期）との時間差に基づいてＮＯ_X吸蔵還元触媒の劣化（ＮＯ_X吸蔵能力の低下）を検出し、検出結果に応じてリッチスパイク操作を開始するＮＯ_X吸蔵量を低減することも可能である。

この場合、リッチスパイク操作開始時のＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量が触媒の劣化とともに小さくなるのに応じて、リッチスパイク操作期間中に必要とされる水素成分量（すなわち、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯ_Xの全量を還元浄化するのに必要とされる水素成分量）も少なくなる。

従って、この場合には、図３ステップ３０５で目標Ｈ₂濃度ＨＲ₀を設定する際に、上記リッチスパイク操作開始時のＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量（ＮＯ_X吸蔵還元触媒の劣化）を考慮して、目標Ｈ₂濃度ＨＲ₀を設定するようにすることも（すなわち、ＨＲ₀をＮＯ_X吸蔵還元触媒のリッチスパイク操作開始時のＮＯ_X吸蔵量、またはＮＯ_X吸蔵還元触媒の劣化程度に応じて低減するようにすることも）可能である。

次に、図４を用いて本発明の図３とは別の実施形態について説明する。
本実施形態では、水素生成触媒９の劣化状態を判定し、更に判定した劣化状態が所定の程度を越えた場合には図３のＨ₂濃度に基づく空燃比制御を禁止するようにしている。

水素生成触媒は、図２に示すように排気空燃比がリッチ空燃比になったときに空燃比に応じた量の水素を生成する。しかし、水素生成触媒も使用とともに劣化し、劣化の程度が進むにつれて同一のリッチ空燃比であっても生成する水素成分量は低下する。
すなわち、水素生成触媒が劣化してくるとリッチ空燃比排気中のＣＯ、ＨＣのうちＨ₂に転換されないものの割合が増大する。

このため、例えば図３の水素量調整操作のようにＨ₂センサ３１出力に基づいて排気空燃比をフィードバック制御していると、Ｈ₂生成触媒が劣化した場合には目標Ｈ₂濃度を維持するために過度に空燃比がリッチ側に制御されてしまうようになり、燃料消費量が増大するとともに排気中のＨＣ、ＣＯ成分が増大し、その一部がＮＯ_X吸蔵還元触媒で消費されずにＮＯ_X吸蔵還元触媒を通過するためリッチスパイク操作時の排気エミッションが悪化する問題が生じる。

そこで、本実施形態では水素生成触媒９の劣化の有無を判定し、劣化が認められない場合には図３と同様な水素量調整操作を行うものの、水素生成触媒９に劣化が認められる場合には、図３の水素量調整操作の実行を禁止するようにしている。

図４は、本実施形態の上述した水素量調整操作を具体的に説明するフローチャートである。本操作はＥＣＵ３０により一定時間毎に実行されるルーチンとして行われる。
図４の操作がスタートすると、ステップ４０１ではリッチスパイク操作実行可否判定フラグＸの値が１にセットされているか否かが判定される。ステップ４０１の操作は、図３ステップ３０１の操作と同一であり、ステップ４０１でＸ≠１であった場合（リッチスパイク操作を実行しない場合）には、機関の燃料噴射量ＦＩＮがＦＩＮＣに設定される（ステップ４０９）点も図３ステップ３１７と同様である。

しかし、本実施形態では、ステップ４０１でＸ＝１（リッチスパイク操作実行要）であった場合には、次にステップ４０３に進み水素生成触媒９の劣化の有無を示す劣化判定フラグＹの値が１にセットされているか否かを判定する点が図３の実施形態と相違している。劣化判定フラグＹは、後述する劣化判定操作（図５）で、水素生成触媒９が劣化したと判定されたときに１に、正常と判定されたときに０に、それぞれセットされるフラグである。

ステップ４０３でＹ＝０であった場合、すなわち水素生成触媒９が正常であった場合には、次にステップ４０５が実行される。
ステップ４０５は、実際には複数のステップをまとめて表示してあり、図３のステップ３０３から３１５の一連の操作と同一の操作を表している。これにより、水素生成触媒９が正常である場合には、本実施形態においても図３と同一の水素量調整操作が行われるようになる。

一方、ステップ４０３でＹ＝１（劣化）であった場合には、ステップ４０５（図３、ステップ３０３から３１５）の操作は行わず、ステップ４０７が実行され、機関の燃料噴射量は通常の値ＦＩＮＣに対してＦＲ₀だけ増量される。

ＦＲ₀は、機関の排気空燃比を所定のリッチ空燃比に維持するだけの燃料増量値である。すなわち、本実施形態では、水素生成触媒９が劣化していると判断された場合には、リッチスパイク操作時の排気空燃比は一定のリッチ空燃比に維持され、Ｈ₂センサ３１の出力に基づく空燃比のフィードバック制御は禁止される。

次に、図５は図４のステップ４０３で使用される劣化判定フラグＹの値を設定する劣化判定操作を示すフローチャートである。図５の操作も、ＥＣＵ３０により一定時間毎に実行されるルーチンとして行われる。

図５の操作では、まずステップ５０１で現在の排気空燃比Ａ／Ｆが算出される。空燃比Ａ／Ｆは、例えば排気通路に空燃比を検出する空燃比センサを備えている場合には空燃比センサ出力に基づいて、空燃比センサを備えていない場合には燃料噴射ＦＩＮと吸入空気量Ｇとを用いて、それぞれ算出される。

ステップ５０１でＡ／Ｆを算出後、ステップ５０３では現在の空燃比Ａ／Ｆに対応する排気Ｈ₂濃度（標準Ｈ₂濃度）ＨＲＴが算出される。標準Ｈ₂濃度ＨＲＴは、例えば図２に示した正常な水素生成触媒の水素生成量と排気空燃比との関係を用いて、現在の排気空燃比から求めた水素生成量と、現在の排気流量（吸気流量Ｇ）とに基づいて算出される。

ついで、ステップ５０５では、Ｈ₂センサ３１で検出したＮＯ_X吸蔵還元触媒７入口（水素生成触媒９出口）のＨ₂濃度が読み込まれ、ステップ５０７では標準Ｈ₂濃度ＨＲＴと実際のＨ₂濃度ＨＲとの差が許容値βを越えているか否かが判定される。

βは、水素生成触媒下流側でのＨ₂濃度標準値ＨＲＴに対して実際の運転上許容可能なＨ₂濃度の低下幅であり、実験などにより設定することが好ましい。
ステップ５０７でＨＲＴ−ＨＲ＞βであった場合には、水素生成触媒９の劣化が大きく、水素生成量の低下が許容範囲を越えていると判断されるため、ステップ５０９に進み劣化判定フラグＹの値を１（劣化）にセットする。また、ＨＲＴ−ＨＲ≦βであった場合には、水素生成触媒９は実用上問題になる程は劣化していないため、ステップ５１１で劣化判定フラグＹの値は０（正常）にセットされる。

本実施形態では、上記のように水素生成触媒の劣化の有無を判断し（図５）、水素生成触媒が劣化したと判定された場合には、Ｈ₂センサ３１出力に基づく空燃比のフィードバック制御を禁止（図４ステップ４０７）することにより、機関燃料消費量の増大やリッチスパイク操作時の排気エミッションの悪化を防止することが可能となっている。

本発明を自動車用内燃機関に適用した場合の、実施形態の概略構成を説明する図である。 水素生成触媒の水素生成量と排気空燃比との関係を模式的に示す図である。 本発明の水素量調整操作の一例を説明するフローチャートである。 本発明の水素量調整操作の図３とは別の例を説明するフローチャートである。 水素生成触媒の劣化判定操作を説明するフローチャートである。

符号の説明

１ 機関本体
２ 排気通路
５ａ、５ｂ スタート触媒
７ ＮＯ_X吸蔵還元触媒
９ 水素生成触媒
３０ ＥＣＵ（電子制御ユニット）
３１ Ｈ₂センサ

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ＮＯ_X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ＮＯ_Xを排気中の還元成分を用いて還元浄化するＮＯ_X吸蔵還元触媒と、
   前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒の上流側の排気通路に配置した、流入する排気空燃比がリッチ空燃比のときに排気中の炭化水素または一酸化炭素と水分とから水素を生成する水素生成触媒と、
   前記水素生成触媒下流側かつＮＯ_X吸蔵還元触媒上流側の排気通路に配置され、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気中の水素成分濃度を検出するＨ₂センサと、
   を備え、
   前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯ_Xを還元浄化すべきときに、前記Ｈ₂センサで検出した水素成分濃度が予め定めた値になるように、排気空燃比を制御する水素量調整操作を行う、内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記水素量調整操作において、前記水素成分濃度が、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量に応じて定まる値になるように排気空燃比を制御する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 排気空燃比に基づいて、前記水素生成触媒出口における排気中の水素成分濃度の基準値を設定し、前記Ｈ₂センサで検出した水素成分濃度と前記基準値との差が予め定めた値以上になったときに、前記水素生成触媒が劣化したと判定する、請求項１に記載の排気浄化装置。
4. 前記水素生成触媒が劣化したと判定されたときに、前記水素量調整操作を禁止する、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。

Images