JP2007138861A

JP2007138861A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2007138861A
Application number: JP2005335357A
Authority: JP
Inventors: Riyouji Saikai; 亮児西海
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-11-21
Filing date: 2005-11-21
Publication date: 2007-06-07
Anticipated expiration: 2025-11-21
Also published as: JP4674531B2

Abstract

【課題】排気通路の集合部に設けられた後段触媒の熱劣化を抑制しつつ分岐部のそれぞれに設けられた前段触媒を再生処理することができる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】排気通路２の分岐部３Ａ、３Ｂのそれぞれに設けられた前段触媒６Ａ、６Ｂと、排気通路２の集合部５に設けられた後段触媒７と、前段触媒６Ａ、６Ｂに対して燃料を添加する燃料添加弁８Ａ、８Ｂとを備えた排気浄化装置において、前段触媒６Ａ、６Ｂの再生処理の要否を判定し、再生処理が必要と判定された場合には、一方の前段触媒６Ｂを再生処理の対象から除外しかつ他方の前段触媒６Ａに対して再生処理を実行し、その後、再生処理の対象から除外する前段触媒を切り替えて同様の処理サイクルを繰り返すことにより全ての前段触媒６Ａ、６Ｂを再生処理する。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気通路の分岐部のそれぞれに再生式の排気浄化手段が設けられた内燃機関の排気浄化装置に関する。

排気通路に設けられた互いに並列な２本の分岐部のそれぞれに、酸化触媒を担持したパティキュレートフィルタを排気浄化手段として設けた構成の排気浄化装置において、パティキュレートフィルタに堆積した堆積した粒子状物質（ＰＭ）を燃焼させ、あるいは触媒に蓄積した硫黄酸化物を還元してパティキュレートフィルタの排気浄化性能を回復させる再生処理を行う必要が生じた場合に、複数の分岐部のそれぞれに設けられた還元剤添加弁から還元剤としての燃料を同時に噴射して全てのパティキュレートフィルタを同時に昇温させる排気浄化装置が知られている（例えば特許文献１参照）。排気通路に設けられた２本の分岐部のそれぞれに酸化触媒を担持したパティキュレートフィルタを第１排気浄化手段として配置し、かつ分岐部の合流箇所から下流に延びる集合部に選択還元式触媒を第２排気浄化手段として配置した構成の排気浄化装置において、各パティキュレートフィルタへの排気導入を選択的に切り替える切替弁を分岐部の入口に配置し、一方のパティキュレートフィルタに排気を導入して排気を浄化している間に、他方のパティキュレートフィルタを再生処理するようにした排気浄化装置も知られている（例えば特許文献２参照）。
特開２００３−９７２５４号公報特開２００４−１６２６００号公報

排気通路の分岐部のそれぞれに再生式の排気浄化手段が配置され、それらの下流の集合部に別の排気浄化手段が設けられた排気浄化装置において、特許文献１に記載の排気浄化装置のように分岐部の全ての排気浄化手段を同時に再生処理した場合には、集合部に導入される排気の熱でその集合部の排気浄化手段が必要以上に加熱されて熱劣化を起こすおそれがある。

特許文献２に記載の排気浄化装置では、一対の排気浄化手段のうち、いずれか一方の排気浄化手段のみで実質的に全量の排気を浄化処理しているので、各排気浄化手段が排気の略全量を処理し得る容量を備えている必要があり、排気浄化手段が大型化する。

そこで、本発明は分岐部の下流の集合部に設けられた排気浄化手段の熱劣化を抑制しつつ分岐部のそれぞれに設けられた排気浄化手段を再生処理することができ、しかも、分岐部の排気浄化手段の容量の削減にも有利な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の排気浄化装置は、排気通路の互いに並列な複数の分岐部のそれぞれに設けられた再生式の第１排気浄化手段と、前記複数の分岐部の合流箇所から下流に延びる排気通路の集合部に設けられた第２排気浄化手段と、前記複数の分岐部のそれぞれの第１排気浄化手段を個別に昇温してこれらの第１排気浄化手段に対して再生処理を実行可能な再生実行手段と、前記第１排気浄化手段の再生処理の要否を判定する判定手段と、前記判定手段により再生処理が必要と判定された場合には前記第１排気浄化手段に対する再生処理が実行され、前記再生処理が不要と判定された場合には全ての第１排気浄化手段に対する再生処理が禁止されるように前記再生実行手段を制御する再生制御手段と、を具備し、前記再生制御手段は、前記再生処理が必要と判定された場合、少なくとも一つの分岐部の第１排気浄化手段を再生処理の対象から除外しかつ他の分岐部の排気浄化手段に対して再生処理を実行する処理サイクルが、前記再生処理の対象から除外する第１排気浄化手段を順次切り替えつつ繰り返されることにより、全ての第１排気浄化手段が再生処理されるように前記再生実行手段を制御する、ことにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

本発明の排気浄化装置によれば、再生制御手段が処理サイクルを繰り返すことにより、全ての分岐部の第１排気浄化手段が再生処理される。一回の処理サイクルでは、少なくとも一つの分岐部の第１排気浄化手段が再生処理の対象から除外され、かつ他の分岐部の第１排気浄化手段に対して再生処理が実行されるため、分岐部の全ての第１排気浄化手段を同時に再生処理する場合と比較して、集合部の第２排気浄化手段に流入する排気の温度が低下し、その結果、第２排気浄化手段の熱劣化が抑制される。また、分岐部の第１排気浄化手段に対する再生処理の要否を判定手段にて判定し、再生が必要と判定された場合に処理サイクルを繰り返す一方で、再生不要と判定された場合は全ての第１排気浄化手段に対する再生処理を禁止しているので、再生処理を要しない期間では全ての第１排気浄化手段を排気浄化に利用することができる。これにより、第１排気浄化手段に必要な容量を削減することができる。

本発明の一形態において、排気浄化装置は、前記第２排気浄化手段の温度を検出するための温度検出手段と、前記分岐部のそれぞれに導かれる排気流量を調整する排気流量調整手段と、をさらに具備し、前記第２排気浄化手段は、再生に適した温度域よりも低温の活性温度域で浄化性能を発揮する触媒を含み、前記再生制御手段は、前記再生処理の実行中、前記温度検出手段にて検出される前記第２排気浄化手段の温度が前記活性温度域に維持されるように前記排気流量調整手段を介して前記複数の分岐部のそれぞれを通過する排気流量を制御してもよい（請求項２）。

この形態によれば、再生処理中の分岐部から集合部に導かれる高温の排気の流量と、再生処理の対象から除外されている分岐部から集合部に導かれる低温の排気の流量との比率を排気流量調整手段にて調整することにより、集合部の第２排気浄化手段に導入される排気の温度を変化させることができる。そして、その第２排気浄化手段に導入される温度が第２排気浄化手段に含まれる触媒の活性温度域に維持されるように排気流量調整手段を制御することにより、再生処理中でも集合部の第２排気浄化手段の浄化性能を十分に発揮させ、排気エミッションの悪化を抑えることができる。

本発明の一形態において、排気浄化装置は、前記第２排気浄化手段に流入する排気の空燃比を検出する空燃比検出手段と、前記分岐部のそれぞれに導かれる排気流量を調整する排気流量調整手段と、をさらに具備し、前記再生実行手段は、前記複数の分岐部のそれぞれの第１排気浄化手段に個別に燃料を添加する燃料添加弁を有し、前記第２排気浄化手段は所定の空燃比範囲で浄化性能を発揮する触媒を含み、前記再生制御手段は、前記再生処理の実行中、前記空燃比検出手段にて検出される空燃比が前記所定の空燃比範囲に維持されるように前記排気流量調整手段を介して前記複数の分岐部のそれぞれを通過する排気流量を制御してもよい（請求項３）。

この形態によれば、再生処理中の分岐部から集合部に導かれる燃料量の多い排気の流量と、再生処理の対象から除外されている分岐部から集合部に導かれる燃料量の少ない排気の流量との比率を排気流量調整手段にて調整することにより、集合部の第２排気浄化手段に導入される排気の空燃比を変化させることができる。そして、その第２排気浄化手段に導入される排気の空燃比を、第２排気浄化手段に含まれる触媒が浄化性能を発揮する空燃比範囲に制御することにより、再生処理中でも集合部の第２排気浄化手段の浄化性能を十分に発揮させ、排気エミッションの悪化を抑えることができる。

本発明の一形態において、排気浄化装置は、前記第２排気浄化手段の温度を検出するための温度検出手段と、前記第２排気浄化手段に流入する排気の空燃比を検出する空燃比検出手段と、前記分岐部のそれぞれに導かれる排気流量を調整する排気流量調整手段と、をさらに具備し、前記複数の分岐部のそれぞれの第１排気浄化手段に個別に燃料を添加する燃料添加弁を有し、前記第２排気浄化手段は、再生に適した温度域よりも低温の活性温度域かつ所定の空燃比範囲で浄化性能を発揮する触媒を含み、前記再生制御手段は、前記再生処理の実行中、前記温度検出手段にて検出される温度が前記活性温度域に維持され、かつ、前記空燃比検出手段にて検出される空燃比が前記所定の空燃比範囲に維持されるように前記排気流量調整手段を介して前記複数の分岐部のそれぞれを通過する排気流量を制御してもよい（請求項４）。

この形態によれば、再生処理中の分岐部から集合部に導かれる高温かつ燃料量の多い排気の流量と、再生処理の対象から除外されている分岐部から集合部に導かれる低温かつ燃料量の少ない排気の流量との比率を排気流量調整手段にて調整することにより、第２排気浄化手段に導入される排気の温度及び空燃比を、第２排気浄化手段に含まれる触媒が浄化性能を発揮する活性温度域かつ空燃比範囲に制御することができる。これにより、再生処理中でも集合部の第２排気浄化手段の浄化性能を十分に発揮させ、排気エミッションの悪化を抑えることができる。

排気流量調整手段を利用して第２排気浄化手段に導入される排気の空燃比を制御する形態においては、さらに、前記第１排気浄化手段が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を含み、前記第２排気浄化手段が、前記所定の空燃比範囲として、理論空燃比よりも空気量が多いリーン域でサルフェートに対する浄化性能を発揮する触媒を含んでいてもよい（請求項５）。

分岐部の第１排気浄化手段がＮＯｘ吸蔵還元型触媒を含む場合、その硫黄被毒を解消するための再生処理を実行するには触媒を活性温度域よりも高温に加熱し、かつ触媒に導入される排気の空燃比を理論空燃比よりも燃料量が多いリッチ域に制御する必要がある。しかし、全ての第１排気浄化手段を同時に再生処理する場合、あるいは分岐部を設けることなく単一の第１排気浄化手段を第２排気浄化手段の上流に配置する場合には、第１排気浄化手段に導入される排気の空燃比を深いリッチ状態、つまり燃料量の比率が理論空燃比よりもリッチ側に大きく偏った状態に制御すると、後段（下流）の排気浄化手段に導入される排気の空燃比もリッチ側に偏り、前段（上流）の排気浄化手段の硫黄被毒再生処理で発生したサルフェートを後段の排気浄化手段で浄化することができず、サルフェート白煙、あるいは悪臭が生じる。このような不都合を解消する一手段として、前段の排気浄化手段の再生処理中の空燃比を比較的浅いリッチ状態、つまり理論空燃比に近いリッチ状態に制限することが考えられるが、空燃比が浅いリッチ状態に制御された環境では硫黄被毒の解消が緩やかに進行するため、再生に必要な時間が長時間化する。再生処理が長くなれば再生処中の排気浄化手段の熱劣化のリスクが増大し、あるいは還元剤として供給する燃料量が増えて燃費悪化を招く、といった不都合が生じる。

これに対して、本発明の上記形態によれば、少なくとも一つの分岐部の第１排気浄化手段を再生処理の対象から除外し、かつ、再生処理中の分岐部の排気流量と再生対象外の分岐部の排気流量との比率を排気流量調整弁で調整しているので、再生処理中であっても、集合部の第２排気浄化手段に導かれる排気の空燃比をサルフェート浄化に必要なリーン域へと制御することができる。このため、再生処理の対象の第１排気浄化手段に流入する排気の空燃比を比較的深いリッチ状態に制御することができ、これにより、硫黄被毒の再生を短時間で完了し、第１排気浄化手段の熱劣化を防止し、あるいは再生で添加する燃料量を削減して燃費を向上させることができる。さらに、再生中に第１排気浄化手段に流入する排気の空燃比を浅いリッチ状態に制限する必要がなくなるので、再生時の目標空燃比の幅が拡大し、再生処理に関する制御の安定性が向上する。

以上に説明したように、本発明によれば、少なくとも一つの分岐部の第１排気浄化手段を再生処理の対象から除外し、かつ他の分岐部の第１排気浄化手段に対して再生処理を実行する処理サイクルを繰り返して全ての分岐部の第１排気浄化手段を再生するようにしたので、分岐部の全ての第１排気浄化手段を同時に再生処理する場合と比較して、集合部の第２排気浄化手段に流入する排気の温度を低下させ、それにより第２排気浄化手段の熱劣化を抑制することができる。しかも、分岐部の第１排気浄化手段に対する再生が必要と判定された場合に処理サイクルを繰り返す一方で、再生不要と判定された場合は全ての第１排気浄化手段に対する再生処理を禁止するようにしたので、再生処理を要しない期間では全ての第１排気浄化手段を排気浄化に利用することができる。これにより、第１排気浄化手段に必要な容量を削減することができる。

図１は本発明の一形態に係る排気浄化装置とこれが適用される内燃機関の概略を示している。内燃機関１は、車両の走行用の動力源として使用される４気筒直列式のディーゼルエンジンとして構成されている。以下では内燃機関１をエンジン１と略称する。エンジン１の排気通路２には、互いに並列な一対の分岐部３Ａ、３Ｂと、それらの分岐部３Ａ、３Ｂの合流箇所４から下流に延びる集合部５とが設けられている。分岐部３Ａ、３Ｂは排気マニホールド２ａの直下に設けられている。分岐部３Ａ、３Ｂのそれぞれには第１排気浄化手段として前段触媒装置６Ａ、６Ｂが設けられ、集合部５には第２排気浄化手段として後段触媒装置７が設けられている。前段触媒装置６Ａ、６Ｂは、いずれもディーゼルエンジンの排気中に含まれる粒子状物質を捕捉する機能を備えたパティキュレートフィルタに、酸化機能を有する触媒を担持させた構成を備えている。酸化機能を有する触媒としては、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒、選択還元式ＮＯｘ触媒等が存在するが、以下では、前段触媒装置６Ａ、６Ｂに吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が使用されているものとして説明を続ける。一方、後段触媒装置７は前段触媒装置６Ａ、６Ｂで処理し切れない排気エミッションを処理するためのものでスイーパ触媒と呼ばれることがある。後段触媒装置７は、サルフェートを浄化可能な触媒を含む。

前段触媒装置６Ａ、６Ｂは排気マニホールド２ａの直下に配置されるいわゆるマニバータ方式の触媒装置である。一方、後段触媒装置７は一例として車両の床下に設置される。前段触媒装置６Ａ、６Ｂのそれぞれの容量は、排気通路２に分岐部３Ａ、３Ｂを設けることなく、これらの前段触媒装置６Ａ、６Ｂを単一の前段触媒装置に置き換え、その単一の前段触媒装置と後段触媒装置７とによって排気を浄化すると仮定し、その単一の前段触媒装置に要求される容量を要求容量と定義した場合、その要求容量の１／２よりも大きくかつ要求容量よりも小さい範囲に設定される。後段触媒装置７の容量は各前段触媒装置６Ａ、６Ｂのそれよりも大きく設定される。

前段触媒装置６Ａ、６Ｂは、堆積したパティキュレートの酸化、あるいは硫黄被毒の解消のために定期的な再生処理を必要とする再生式の触媒装置である。パティキュレートの酸化を目的としたＰＭ再生処理、あるいは硫黄被毒の解消を目的とした硫黄被毒再生処理では、前段触媒装置６Ａ、６Ｂを排気浄化、より具体的にはＮＯｘの吸蔵に適した活性温度域よりも高温の再生温度域まで昇温させる必要がある。さらに、硫黄被毒再生処理では、前段触媒装置６Ａ、６Ｂに流入する排気の空燃比を理論空燃比よりも燃料量が多いリッチ域に制御する必要がある。このような再生処理を実行するため、分岐部３Ａ、３Ｂのそれぞれの前段触媒装置６Ａ、６Ｂの上流には、前段触媒装置６Ａ、６Ｂに流入する排気に燃料を添加する燃料添加弁８Ａ、８Ｂが設けられている。これらの燃料添加弁８Ａ、８Ｂは分岐部３Ａ、３Ｂのそれぞれの前段触媒装置６Ａ、６Ｂに対して個別に再生処理を実行可能な再生実行手段として機能する。さらに、分岐部３Ａ、３Ｂには、前段触媒装置６Ａ、６Ｂの温度を検出する温度センサ９Ａ、９Ｂ、及び分岐部３Ａ、３Ｂのそれぞれに導かれる排気流量を調整するための排気流量調整手段としての流量調整弁１０Ａ、１０Ｂが設けられている。一方、集合部５の後段触媒装置７の上流には後段触媒装置７に流入する排気の空燃比を検出する空燃比検出手段としての空燃比センサ１１が設けられ、後段触媒装置７の下流には後段触媒装置７の温度を検出する温度検出手段としての温度センサ１２が設けられている。

燃料添加弁８Ａ、８Ｂ及び流量調整弁１０Ａ、１０Ｂの動作はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１５にて制御される。ＥＣＵ１５はエンジン１の燃料噴射量、吸入空気量、動弁特性等を制御するためのコンピュータユニットとして構成されている。ＥＣＵ１５は、エンジン１の通常運転時において、前段触媒装置６Ａ、６Ｂに流入する排気の空燃比を理論空燃比よりも空気量の多いリーン域に制御して前段触媒６Ａ、６Ｂの温度をＮＯｘ浄化に適した活性温度域に維持する。また、ＥＣＵ１５は、前段触媒装置６Ａ、６ＢのＮＯｘ吸蔵量が飽和しない周期で燃料添加弁８Ａ、８Ｂから燃料を短時間噴射して前段触媒装置６Ａ、６Ｂに流入する排気の空燃比を一時的にリッチ域に変化させるいわゆるリッチスパイク制御をも実行する。これらの制御は公知の排気浄化装置と同様でよい。なお、ＥＣＵ１５は、通常運転中、つまり前段触媒装置６Ａ、６Ｂに対する再生処理が必要とされていない期間では、分岐部３Ａ、３Ｂに略等量の排気が導かれるように流量調整弁１０Ａ、１０Ｂのそれぞれの開度を調整する。例えば、流量調整弁１０Ａ、１０Ｂをそれぞれ全開状態に制御する。リッチスパイク制御の実行時においては、流量調整弁１０Ａ、１０Ｂを通常運転中と同様に制御してもよいが、流量調整弁１０Ａ、１０Ｂを交互に開閉して分岐部３Ａ、３Ｂ毎に交互にリッチスパイク制御を実行してもよい。

さらに、ＥＣＵ１５は、図２及び図３に示すＰＭ再生処理ルーチン、並びに図４及び図５に示す硫黄被毒再生ルーチンを実行することにより、前段触媒装置６Ａ、６ＢのＰＭ再生処理又は移動被毒再生処理を実行する。まず、図２及び図３を参照してＰＭ再生処理ルーチンを説明する。ＰＭ再生処理ルーチンはＥＣＵ１５が実行する他の様々な処理と並行して適当な周期で繰り返し実行される。

図２のＰＭ再生処理ルーチンにおいて、ＥＣＵ１５はまずステップＳ１１にて前段触媒装置６Ａ、６Ｂに対するＰＭ再生処理の要否を判定する。ＰＭ再生処理の要否は公知の排気浄化装置と同様に行うことができる。例えば、前段触媒装置６Ａ、６Ｂにおけるパティキュレートの堆積量を前段触媒装置６Ａ、６Ｂの前後における圧力損失、エンジン１の運転時間、車両の走行距離といったパティキュレートの堆積量に相関する物理量に基づいて推定し、その推定値が所定の許容値を超えたときにＰＭ再生が必要と判定することができる。なお、パティキュレートの堆積量が許容値を超える状況であっても、何らかの理由によりＰＭ再生処理を実行すべきでない場合、つまり、ＰＭ再生処理に対する禁止条件が成立しているか否かを併せて判定し、禁止条件が成立する場合をＰＭ再生処理が不要な場合の一態様として判定してもよい。

ＰＭ再生処理が必要と判定された場合、ＥＣＵ１５はステップＳ１２に進み、前段触媒装置６Ａ、６ＢのＰＭ再生処理時における目標再生温度Ｔｔｒｇ＿Ｍ、並びにＰＭ再生処理中における後段触媒装置７の目標温度上限Ｔｔｒｇ＿ＵＦ＿Ｈ及び目標温度下限Ｔｔｒｇ＿ＵＦ＿Ｌをそれぞれ設定する。目標再生温度Ｔｔｒｇ＿Ｍはパティキュレートの燃焼に必要な温度域（一例として６００°Ｃ程度）に設定され、その温度域は一般に前段触媒装置６Ａ、６ＢのＮＯｘ浄化処理に適した活性温度よりも高温である。一方、後段触媒目標温度上限Ｔｔｒｇ＿ＵＦ＿Ｈは後段触媒装置７が熱劣化を生じる温度よりも低温に設定され、より好ましくは後段触媒装置７の活性温度域（一例として３５０°Ｃ±α）の上限温度又はこれよりも幾らか低温に設定される。目標温度下限Ｔｔｒｇ＿ＵＦ＿Ｌは後段触媒装置７の活性温度域の下限温度又はこれよりも幾らか高温に設定される。

続くステップＳ１３において、ＥＣＵ１５は、一方の前段触媒装置６ＡのみをＰＭ再生処理の対象として、その前段触媒装置６Ａが設けられた分岐部３Ａの燃料添加弁８Ａから燃料を添加して前段触媒装置６Ａを昇温させることにより、前段触媒装置６ＡのＰＭ再生処理を開始する。この場合、温度センサ９Ａが検出する前段触媒装置６Ａの温度Ｔｂ＿Ｍａが前段触媒目標再生温度Ｔｔｒｇ＿Ｍに一致するように燃料添加弁８Ａからの燃料添加量が制御される。また、他方の前段触媒装置６ＢはＰＭ再生処理の対象から除外され、その前段触媒装置６Ｂが設けられた分岐部３Ｂの燃料添加弁８Ｂからは燃料が添加されない。

続くステップＳ１４において、ＥＣＵ１５は温度センサ１２が検出する後段触媒装置７の温度Ｔｂ＿ＵＦが目標温度下限Ｔｔｒｇ＿ＵＦ＿Ｌから目標温度上限Ｔｔｒｇ＿ＵＦ＿Ｈの範囲（以下、これを後段触媒装置７の目標温度範囲と呼ぶ。）にあるか否かを判定する。温度Ｔｂ＿ＵＦが目標温度上限Ｔｔｒｇ＿ＵＦ＿Ｈよりも高温、又は目標温度下限Ｔｔｒｇ＿ＵＦ＿Ｌよりも低温と判定された場合、ＥＣＵ１５はステップＳ１５に進み、後段触媒装置７の温度Ｔｂ＿ＵＦがその目標温度範囲内に変化するように流量調整弁１０Ａ、１０Ｂの開度を調整する。例えば、温度Ｔｂ＿ＵＦが目標温度上限Ｔｔｒｇ＿ＵＦ＿Ｈよりも高温側にずれている場合には、ＰＭ再生処理の対象とされている前段触媒装置６Ａと同一の側の流量調整弁１０Ａの開度を減少させる操作、及びＰＭ再生処理の対象から除外されている前段触媒装置６Ｂと同一の側の流量調整弁１０Ｂの開度を増加させる操作の少なくともいずれか一方の操作を実行する。温度Ｔｂ＿ＵＦが目標温度下限Ｔｔｒｇ＿ＵＦ＿Ｌよりも低温側にずれている場合には、ＰＭ再生処理の対象とされている前段触媒装置６Ａと同一の側の流量調整弁１０Ａの開度を増加させる操作、及びＰＭ再生処理の対象から除外されている前段触媒装置６Ｂと同一の側の流量調整弁１０Ｂの開度を減少させる操作の少なくともいずれか一方の操作を実行する。なお、この場合の流量調整弁１０Ａ、１０Ｂの操作量は、目標温度範囲に対する触媒温度Ｔｂ＿ＵＦのずれ量に基づいて設定すればよい。ステップＳ１５を実行した後、ＥＣＵ１５はステップＳ１４へ戻る。

一方、ステップＳ１４にて後段触媒装置７の温度Ｔｂ＿ＵＦが目標温度範囲内にあると判断した場合、ＥＣＵ１５はステップＳ１６へ進み、ＰＭ再生処理が終了したか否かを判断する。ＰＭ再生処理の終了は、例えばＰＭ再生処理の継続時間、ＰＭ再生処理中に温度センサ９Ａが検出する温度履歴、燃料添加弁８Ａからの燃料添加量の積算値といった、パティキュレートの酸化燃焼の進行に相関する物理量に基づいて判別することができる。そして、ＥＣＵ１５は、ステップＳ１６でＰＭ再生処理が終了していないと判定した場合にはステップＳ１４へ戻り、ＰＭ再生処理が終了したと判定した場合は図３のステップＳ１７へ進む。

ステップＳ１７において、ＥＣＵ１５は、ＰＭ再生処理の対象となる前段触媒装置を前段触媒装置６Ａから前段触媒装置６Ｂへと交替させ、その前段触媒装置６Ｂが設けられた分岐部３Ｂの燃料添加弁８Ｂから燃料を添加して前段触媒装置６Ｂを昇温させることにより、前段触媒装置６ＢのＰＭ再生処理を開始する。この場合、温度センサ９Ｂが検出する前段触媒装置６Ｂの温度Ｔｂ＿Ｍｂが前段触媒目標再生温度Ｔｔｒｇ＿Ｍに一致するように燃料添加弁８Ｂからの燃料添加量が制御される。先にＰＭ再生処理を実行した前段触媒装置６ＡはＰＭ再生処理の対象から除外され、その前段触媒装置６Ａが設けられた分岐部３Ａの燃料添加弁８Ａからは燃料が添加されない。

ＰＭ再生処理の開始後、ＥＣＵ１５はステップＳ１８に進む。ステップＳ１８〜Ｓ２０までの処理は、ＰＭ再生処理の対象が前段触媒装置６Ｂに変更され、それに伴って流量調整弁１０Ａ、１０Ｂが入れ替えられる点を除いて図２のステップＳ１４〜Ｓ１６と同様であり、説明を省略する。ＥＣＵ１５は、ステップＳ２０にて前段触媒装置６ＢのＰＭ再生処理が終了したと判定した場合、ステップＳ２１へ進む。ステップＳ２１において、ＥＣＵ１５は流量調整弁１０Ａ、１０Ｂの開度をリセット、すなわちＰＭ再生処理を実行する前の開度に戻し、その後、ＰＭ再生処理ルーチンを終了する。また、図２のステップＳ１１にてＰＭ再生処理が不要と判定された場合、ＥＣＵ１５はステップＳ１２以下の処理をスキップしてＰＭ再生処理ルーチンを終える。これにより、ＰＭ再生処理が不要な場合には全ての前段触媒装置６Ａ、６Ｂに対するＰＭ再生処理が禁止される。

次に、図４及び図５を参照して硫黄被毒再生処理ルーチンを説明する。硫黄被毒再生処理ルーチンは、ＥＣＵ１５が実行する他の様々な処理と並行して適当な周期で繰り返し実行される。図４の硫黄被毒再生処理ルーチンにおいて、ＥＣＵ１５はまずステップＳ３１にて前段触媒装置６Ａ、６Ｂに対する硫黄被毒再生処理の要否を判定する。硫黄被毒再生処理の要否は公知の排気浄化装置と同様に行うことができる。例えば、燃料中の硫黄成分が硫黄被毒量と密接に関係することから、ＥＣＵ１５が演算する燃料噴射量の積算値を利用して硫黄被毒量を推定し、その推定値が所定の許容値を超えたときに硫黄被毒再生処理が必要と判定することができる。車両の燃料タンクに蓄えられた燃料中の硫黄成分の濃度をセンサで検出して硫黄被毒量の推定精度を向上させてもよい。なお、硫黄被毒量が許容値を超える状況であっても、何らかの理由により硫黄被毒再生処理を実行すべきでない場合、つまり、硫黄被毒再生処理に対する禁止条件が成立しているか否かを併せて判定し、禁止条件が成立する場合を硫黄被毒再生処理が不要な場合の一態様として判定してもよい。

硫黄被毒再生処理が必要と判定された場合、ＥＣＵ１５はステップＳ３２に進み、前段触媒装置６Ａ、６Ｂの硫黄被毒再生処理時における目標再生温度Ｔｔｒｇ＿Ｍ、並びに硫黄被毒再生処理中における後段触媒装置７の目標温度上限Ｔｔｒｇ＿ＵＦ＿Ｈ及び目標温度下限Ｔｔｒｇ＿ＵＦ＿Ｌをそれぞれ設定する。目標再生温度Ｔｔｒｇ＿Ｍは前段触媒装置６Ａに堆積した硫黄成分の除去に必要な温度域（一例として６５０°Ｃ程度）に設定され、その温度域は一般に前段触媒装置６Ａ、６ＢのＮＯｘ浄化処理に適した活性温度よりも高温である。後段触媒目標温度上限Ｔｔｒｇ＿ＵＦ＿Ｈ及び目標温度下限Ｔｔｒｇ＿ＵＦ＿ＬはＰＭ再生処理のそれらと同等でよい。

続くステップＳ３３において、ＥＣＵ１５は、一方の前段触媒装置６Ａのみを硫黄被毒再生処理の対象として、その前段触媒装置６Ａが設けられた分岐部３Ａの燃料添加弁８Ａから燃料を添加して前段触媒装置６Ａを昇温させることにより、前段触媒装置６Ａの硫黄被毒再生処理を開始する。この場合、温度センサ９Ａが検出する前段触媒装置６Ａの温度Ｔｂ＿Ｍａが前段触媒目標再生温度Ｔｔｒｇ＿Ｍに一致し、かつ前段触媒装置６Ａに流入する排気の空燃比がリッチ域に設定された目標空燃比に一致するように燃料添加弁８Ａからの燃料添加量が制御される。また、他方の前段触媒装置６Ｂは硫黄被毒再生処理の対象から除外され、その前段触媒装置６Ｂが設けられた分岐部３Ｂの燃料添加弁８Ｂからは燃料が添加されない。空燃比の制御のために流量調整弁１０Ａの開度がさらに調整されてもよい。

続くステップＳ３４において、ＥＣＵ１５は温度センサ１２が検出する後段触媒装置７の温度Ｔｂ＿ＵＦが目標温度下限Ｔｔｒｇ＿ＵＦ＿Ｌから目標温度上限Ｔｔｒｇ＿ＵＦ＿Ｈの範囲（以下、これを後段触媒装置７の目標温度範囲と呼ぶ。）にあるか否か、及び、空燃比センサ１１が検出する空燃比Ａ／Ｆが後段触媒装置７における目標空燃比Ａ／Ｆｔｒｇ＿ＵＦよりも大きいか否かを判別する。目標空燃比Ａ／Ｆｔｒｇ＿ＵＦは理論空燃比よりもリーン域に幾らか偏った値に設定される。つまり、ステップＳ３４では、後段触媒装置７の温度に加えて、後段触媒装置７に流入する排気の空燃比が所定のリーン域に制御されているか否かを判定する点で図２のステップＳ１４と相違する。温度Ｔｂ＿ＵＦが目標温度上限Ｔｔｒｇ＿ＵＦ＿Ｈよりも高温、又は目標温度下限Ｔｔｒｇ＿ＵＦ＿Ｌよりも低温、又は空燃比Ａ／Ｆが目標空燃比Ａ／Ｆｔｒｇ＿ＵＦよりも大きいと判定された場合、ＥＣＵ１５はステップＳ３５に進み、後段触媒装置７の温度Ｔｂ＿ＵＦがその目標温度範囲内に制御され、かつ空燃比Ａ／Ｆが目標空燃比Ａ／Ｆｔｒｇ＿ＵＦ以下、つまりリーン域に制御されるように流量調整弁１０Ａ、１０Ｂの開度を調整する。この場合、温度のずれに対する操作は図２のステップＳ１５と同様に流量調整弁１０Ａ、１０Ｂを操作すればよい。空燃比Ａ／Ｆが目標空燃比Ａ／Ｆｔｒｇよりも大きい場合には、硫黄被毒再生処理の対象とされている前段触媒装置６Ａと同一の側の流量調整弁１０Ａの開度を減少させる操作、及び硫黄被毒再生処理の対象から除外されている前段触媒装置６Ｂと同一の側の流量調整弁１０Ｂの開度を増加させる操作の少なくともいずれか一方の操作を実行すればよい。ステップＳ３５を実行した後、ＥＣＵ１５はステップＳ３４へ戻る。

一方、ステップＳ３４にて後段触媒装置７の温度Ｔｂ＿ＵＦが目標温度範囲内にあり、かつ空燃比Ａ／Ｆが目標空燃比Ａ／Ｆｔｒｇ＿ＵＦ以下であると判定された場合、ＥＣＵ１５はステップＳ３６へ進み、硫黄被毒再生処理が終了したか否かを判断する。硫黄被毒再生処理の終了は、例えば硫黄被毒再生処理の継続時間、硫黄被毒再生処理中に温度センサ９Ａが検出する温度履歴、燃料添加弁８Ａからの燃料添加量の積算値といった、硫黄成分の除去の進行に相関する物理量に基づいて判別することができる。そして、ＥＣＵ１５は、ステップＳ３６で硫黄被毒再生処理が終了していないと判定した場合にはステップＳ３４へ戻り、硫黄被毒再生処理が終了したと判定した場合は図５のステップＳ３７へ進む。

ステップＳ３７において、ＥＣＵ１５は、硫黄被毒再生処理の対象となる前段触媒装置を前段触媒装置６Ａから前段触媒装置６Ｂへと交替させ、その前段触媒装置６Ｂが設けられた分岐部３Ｂの燃料添加弁８Ｂから燃料を添加して前段触媒装置６Ｂを昇温させることにより、前段触媒装置６Ｂの硫黄被毒再生処理を開始する。この場合、温度センサ９Ｂが検出する前段触媒装置６Ｂの温度Ｔｂ＿Ｍｂが前段触媒目標再生温度Ｔｔｒｇ＿Ｍに一致し、かつ前段触媒装置６Ｂに流入する排気の空燃比がリッチ域に設定された目標空燃比に一致するように燃料添加弁８Ｂからの燃料添加量が制御される。また、先に硫黄被毒再生処理が行われた前段触媒装置６Ａは硫黄被毒再生処理の対象から除外され、その前段触媒装置６Ａが設けられた分岐部３Ａの燃料添加弁８Ａからは燃料が添加されない。空燃比の制御のために流量調整弁１０Ｂの開度がさらに調整されてもよい。

硫黄被毒再生処理の開始後、ＥＣＵ１５はステップＳ３８に進む。ステップＳ３８〜Ｓ４０までの処理は、硫黄被毒再生処理の対象が前段触媒装置６Ｂに変更され、それに伴って流量調整弁１０Ａ、１０Ｂが入れ替えられる点を除いて図４のステップＳ３４〜Ｓ３６と同様であり、説明を省略する。ＥＣＵ１５は、ステップＳ４０にて前段触媒装置６Ｂの硫黄被毒再生処理が終了したと判定した場合、ステップＳ４１へ進んで流量調整弁１０Ａ、１０Ｂの開度をリセット、すなわち硫黄被毒再生処理を実行する前の開度に戻し、その後、硫黄被毒再生処理ルーチンを終了する。また、図４のステップＳ３１にて硫黄被毒再生処理が不要と判定された場合、ＥＣＵ１５はステップＳ３２以下の処理をスキップして硫黄被毒再生処理ルーチンを終える。これにより、硫黄被毒再生処理が不要な場合には全ての前段触媒装置６Ａ、６Ｂに対する硫黄被毒再生処理が禁止される。

以上の形態によれば、一対の分岐部３Ａ、３Ｂに設けられている前段触媒装置６Ａ、６ＢのＰＭ再生処理、あるいは硫黄被毒再生処理を片側の分岐部ずつ交互に実行しているので、両側の前段触媒装置６Ａ、６Ｂを同時に昇温させて再生処理を実行する場合と比較して後段触媒装置７に流入する排気の温度を大幅に低下させることができる。その結果、前段触媒装置６Ａ、６Ｂの再生処理中でも後段触媒装置７の温度を熱劣化が生じる温度よりも低温に抑えることができる。また、再生処理中に流量調整弁１０Ａ、１０Ｂの開度を調整して後段触媒装置７の温度を活性温度域に維持し、その排気浄化性能を十分に発揮させて排気エミッションの大気への放出を抑えることができる。

さらに、硫黄被毒再生処理においては、流量調整弁１０Ａ、１０Ｂの開度制御によって後段触媒装置７に流入する排気の空燃比をリーン域に維持しているので、後段触媒装置７にてサルフェートを浄化することができる。このため、サルフェート白煙、あるいは悪臭防止を目的として硫黄被毒再生処理中における前段触媒装置６Ａ、６Ｂの空燃比を浅いリッチ状態に制限する必要がなくなり、空燃比を比較的深いリッチ状態に制御して短時間で硫黄被毒再生処理を完了することができる。これにより、硫黄被毒再生処理中の前段触媒装置６Ａ、６Ｂの熱劣化、あるいは燃費の悪化を抑えることができる。さらに、硫黄被毒再生処理中の空燃比を浅いリッチ状態に制限する必要がなくなるため、硫黄再生被毒中に前段触媒装置６Ａ、６Ｂに流入する排気の目標空燃比の幅を拡大することができる。再生制御の安定性が向上する。

以上の形態においては、ＥＣＵ１５が図２のステップＳ１１及び図４のステップＳ３１を実行することにより本発明の判定手段として機能し、ＥＣＵ１５が図２及び図３のステップＳ１２〜Ｓ２１、並びに図４及び図５のステップＳ３２〜Ｓ４１を実行すること、さらにはステップＳ１１及びＳ３１が否定判断された場合にこれらのステップＳ１２〜２１、Ｓ３２〜Ｓ４１の処理をスキップすることにより本発明の再生制御手段として機能する。また、図２及び図３のＰＭ再生処理ルーチンでは、ステップＳ１３〜Ｓ１６が一回の処理サイクルに相当し、ステップＳ１７〜Ｓ２０が他の一回の処理サイクルに相当する。図４及び図５の硫黄被毒再生処理ルーチンでは、ステップＳ３３〜Ｓ３６が一回の処理サイクルに相当し、ステップＳ３７〜Ｓ４０が他の一回の処理サイクルに相当する。

本発明は以上の形態に限定されることなく、適宜の形態にて実施してよい。例えば、分岐部に配置される第１排気浄化手段は昇温操作を伴う再生処理を必要とするものであればよく、パティキュレートフィルタに吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を担持させた触媒装置に限られない。例えば、パティキュレートフィルタのみ、又はＮＯｘ触媒のみを第１排気浄化手段として設けてもよいし、パティキュレートフィルタ及びＮＯｘ触媒を排気の流れ方向に直列に配置した構成を第１排気浄化手段として採用してもよい。

集合部に配置される第２排気浄化手段も適宜に変更可能である。上記の形態では硫黄被毒再生処理時に発生するサルフェートの浄化のために、第２排気浄化手段における空燃比をリーン域に制御しているが、例えば、第２排気浄化手段が三元触媒のように理論空燃比で浄化性能を発揮する触媒を含む場合には、再生処理中の第２排気浄化手段の空燃比が理論空燃比に制御されるように排気流量調整手段を操作してもよい。第１排気浄化手段が硫黄被毒再生処理を必要としないものであれば、第２排気浄化手段における空燃比を考慮した排気流量調整手段の操作は省略してよい。第２排気浄化手段が排気浄化に適した活性温度域を有する場合には排気流量調整手段を利用した第２排気浄化手段の温度制御を行うことが好ましいが、第２排気浄化手段の排気浄化性能が温度依存性を有しない場合、例えば第２排気浄化手段がパティキュレートフィルタのみで構成されている場合においては、第２排気浄化手段の温度及び空燃比を考慮した排気流量調整手段の制御は省略してよい。

分岐部の数は２本に限らず、３本以上でもよい。３本以上の分岐部が設けられる場合、一回の処理サイクルでは少なくとも一つの分岐部における第１排気浄化手段を再生処理の対象から除外し、他の分岐部における第１排気浄化手段を再生処理の対象として再生処理を実行すればよい。再生処理のための昇温は燃料添加弁によって実現する例に限らず、分岐部に設けたヒータ等の加熱手段によって実現されてもよい。

本発明の一形態に係る排気浄化装置とこれが適用される内燃機関の概略を示す図。図１のＥＣＵにて実行されるＰＭ再生処理ルーチンを示すフローチャート。図２に続くフローチャート。図１のＥＣＵにて実行される硫黄被毒再生処理ルーチンを示すフローチャート。図４に続くフローチャート。

符号の説明

１内燃機関
２排気通路
３Ａ、３Ｂ分岐部
４分岐部の合流箇所
５集合部
６Ａ、６Ｂ前段触媒装置（第１排気浄化手段）
７後段触媒装置（第２排気浄化手段）
８Ａ、８Ｂ燃料添加弁（再生実行手段）
９Ａ、９Ｂ温度センサ
１０Ａ、１０Ｂ流量調整弁
１１空燃比センサ
１２温度センサ
１５エンジンコントロールユニット（判定手段、再生制御手段）

Claims

排気通路の互いに並列な複数の分岐部のそれぞれに設けられた再生式の第１排気浄化手段と、
前記複数の分岐部の合流箇所から下流に延びる排気通路の集合部に設けられた第２排気浄化手段と、
前記複数の分岐部のそれぞれの第１排気浄化手段を個別に昇温してこれらの第１排気浄化手段に対して再生処理を実行可能な再生実行手段と、
前記第１排気浄化手段の再生処理の要否を判定する判定手段と、
前記判定手段により再生処理が必要と判定された場合には前記第１排気浄化手段に対する再生処理が実行され、前記再生処理が不要と判定された場合には全ての第１排気浄化手段に対する再生処理が禁止されるように前記再生実行手段を制御する再生制御手段と、を具備し、
前記再生制御手段は、前記再生処理が必要と判定された場合、少なくとも一つの分岐部の第１排気浄化手段を再生処理の対象から除外しかつ他の分岐部の排気浄化手段に対して再生処理を実行する処理サイクルが、前記再生処理の対象から除外する第１排気浄化手段を順次切り替えつつ繰り返されることにより、全ての第１排気浄化手段が再生処理されるように前記再生実行手段を制御する、ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記第２排気浄化手段の温度を検出するための温度検出手段と、前記分岐部のそれぞれに導かれる排気流量を調整する排気流量調整手段と、をさらに具備し、前記第２排気浄化手段は、再生に適した温度域よりも低温の活性温度域で浄化性能を発揮する触媒を含み、前記再生制御手段は、前記再生処理の実行中、前記温度検出手段にて検出される前記第２排気浄化手段の温度が前記活性温度域に維持されるように前記排気流量調整手段を介して前記複数の分岐部のそれぞれを通過する排気流量を制御することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
前記第２排気浄化手段に流入する排気の空燃比を検出する空燃比検出手段と、前記分岐部のそれぞれに導かれる排気流量を調整する排気流量調整手段と、をさらに具備し、前記再生実行手段は、前記複数の分岐部のそれぞれの第１排気浄化手段に個別に燃料を添加する燃料添加弁を有し、前記第２排気浄化手段は所定の空燃比範囲で浄化性能を発揮する触媒を含み、前記再生制御手段は、前記再生処理の実行中、前記空燃比検出手段にて検出される空燃比が前記所定の空燃比範囲に維持されるように前記排気流量調整手段を介して前記複数の分岐部のそれぞれを通過する排気流量を制御することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
前記第２排気浄化手段の温度を検出するための温度検出手段と、前記第２排気浄化手段に流入する排気の空燃比を検出する空燃比検出手段と、前記分岐部のそれぞれに導かれる排気流量を調整する排気流量調整手段と、をさらに具備し、前記複数の分岐部のそれぞれの第１排気浄化手段に個別に燃料を添加する燃料添加弁を有し、前記第２排気浄化手段は、再生に適した温度域よりも低温の活性温度域かつ所定の空燃比範囲で浄化性能を発揮する触媒を含み、前記再生制御手段は、前記再生処理の実行中、前記温度検出手段にて検出される温度が前記活性温度域に維持され、かつ、前記空燃比検出手段にて検出される空燃比が前記所定の空燃比範囲に維持されるように前記排気流量調整手段を介して前記複数の分岐部のそれぞれを通過する排気流量を制御することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
前記第１排気浄化手段が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を含み、前記第２排気浄化手段が、前記所定の空燃比範囲として、理論空燃比よりも空気量が多いリーン域でサルフェートに対する浄化性能を発揮する触媒を含んでいる、ことを特徴とする請求項３又は４に記載の排気浄化装置。