JP2008002398A

JP2008002398A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2008002398A
Application number: JP2006174071A
Authority: JP
Inventors: Toshihisa Sugiyama; 敏久杉山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-06-23
Filing date: 2006-06-23
Publication date: 2008-01-10

Abstract

【課題】硫黄被毒回復処理の際の制御対象の制御を実行する装置の機能低下あるいは機能劣化がもたらされた場合においても、最適な硫黄被毒回復処理の実行が可能な内燃機関の排気浄化装置を提供すること。
【解決手段】本発明の内燃機関の排気浄化装置においては、今回の前記硫黄被毒回復処理を実行する前に、硫黄被毒回復処理を実行するための制御対象の制御量を機関運転状態に応じて算出する基本制御量算出マップであって予め作成された基本制御量算出マップにより算出された制御量に基づいた予備的な硫黄被毒回復処理が実行され、該予備的な硫黄被毒回復処理の結果に基づいて、基本制御量算出マップから算出される制御量が今回の硫黄被毒回復処理に適した制御量に補正されるように基本制御量算出マップが補正される。そして、補正された基本制御量算出マップを使用して今回の硫黄被毒回復処理が実行される。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置、特に、排気浄化性能を維持すべく硫黄成分を排気浄化触媒から放出する硫黄被毒回復処理が必要となる排気浄化触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。

排気浄化性能を維持すべく硫黄被毒回復処理が必要になると考えられる内燃機関の排気浄化触媒の一つに、ＮＯｘ吸蔵還元触媒がある。燃費の向上および排出ガス規制の観点から、ガソリン内燃機関において運転領域の大部分がリーン空燃比で運転される希薄燃焼内燃機関の実用化が進められているとともに、ディーゼル内燃機関の適用範囲が拡大されつつある。ディーゼル内燃機関や希薄燃焼ガソリン内燃機関では、リーン空燃比すなわち空気過剰のもとで燃料が燃焼せしめられるため、不完全な燃焼成分であるＨＣ（炭化水素）およびＣＯ（一酸化炭素）の排出量が少ない反面、ＮＯｘ（窒素酸化物）が多くなり、排出された有害なＮＯｘの放出を妨げる何らかの策を講ずる必要がある。

ＮＯｘの大気中への放出量を低減する一手段として、内燃機関の排気系にＮＯｘ吸蔵還元触媒を配設することが知られている。ＮＯｘ吸蔵還元触媒は、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ＮＯｘを硝酸塩の形態で吸収、吸着もしくはその両方により吸蔵し、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ＨＣや還元成分（ＣＯ、Ｈ₂等）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内燃機関の排気浄化装置によれば、酸素濃度が高い希薄燃焼の排気中からＮＯｘを良好に吸蔵し、定期的なリッチ混合気燃焼運転（リッチスパイク運転とも称す）によって、排気中の酸素濃度を低下させるとともに排気中にＨＣやＣＯ、Ｈ₂等の還元成分を存在させ、吸蔵したＮＯｘを大気中に放出させることなく良好に還元浄化することができる。

しかしながら、このようなＮＯｘ吸蔵還元触媒を備えた内燃機関の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ＳＯｘ（硫黄酸化物）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も硫酸塩の形態で吸蔵する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約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内燃機関の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の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所定温度に制御する、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れば、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。

特開２００５−１３９９６８号公報特開２００１−３０４０２０号公報

ところで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を備える内燃機関の排気浄化装置において上記硫黄被毒回復処理を実行する際に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比にして且つＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を上昇させ所定温度に制御することが必要となるが、この制御を燃料噴射時期や燃焼室内に供給される再循環排気ガスの量（以下、ＥＧＲ量と称す）などを適当に制御することにより実行するものがある。

そして、硫黄被毒回復処理の際の制御対象とされた例えば燃料噴射時期やＥＧＲ量などの制御量は、硫黄被毒回復処理を実行するために選択された制御対象の制御量を機関運転状態に応じて算出する基本制御量算出マップであって、評価試験や解析評価のデータに基づいて予め作成された基本制御量算出マップを使用して算出することが考えられる。

しかしながら、燃料噴射を制御する燃料噴射装置やＥＧＲ量を制御する排気ガス再循環装置などは、例えばそれらの長期間にわたる使用に起因して、評価試験や解析評価などからは予期することができない機能低下あるいは機能劣化がもたらされる場合がある。このような機能低下あるいは機能劣化がもたらされた場合においては、評価試験や解析評価などからのデータに基づいて予め作成された上記基本制御量算出マップにより算出された制御量を制御対象に適用しても、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比や触媒温度を目標値に精度よく制御できず、十分な硫黄被毒回復処理を実行することができないという問題がもたらされうる。

従って、硫黄被毒回復処理の際の制御対象とされた例えば燃料噴射時期やＥＧＲ量などの制御量を、評価試験や解析評価などからのデータに基づいて予め作成された上記基本制御量算出マップを使用して算出する場合において、より最適な硫黄被毒回復処理を実行するためには、硫黄被毒回復処理の際の制御対象の制御を実行する装置の機能低下あるいは機能劣化であって評価試験や解析評価などからは予期することができない機能低下あるいは機能劣化を考慮して、上記基本制御量算出マップから算出される制御量を補正する何らかの手段を講じることが必要となる。

特許文献１においては、ＮＯｘ吸蔵還元触媒によりＮＯｘ浄化を行う内燃機関の排気浄化装置において、一酸化炭素の大気中への排出を防止しながら、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に蓄積された硫黄成分を効率よく放出することを可能とする内燃機関の排気浄化装置が開示されている。

しかしながら、硫黄被毒回復処理の際の制御対象の制御を実行する装置の機能低下あるいは機能劣化であって、評価試験や解析評価などからは予期することができない機能低下あるいは機能劣化に着眼して、硫黄被毒回復処理の向上を図る手段については記載されていない。

また、特許文献２においては、内燃機関の排気浄化装置であって、触媒からの硫黄成分の放出に伴って生成されるＨ₂Ｓの濃度を低く抑えて排気ガスの異臭を防止する一方で、触媒の再生時間の長時間化を抑制して安定した触媒装置の再生を可能にする内燃機関の排気浄化装置が開示されている。

本発明は上記課題に鑑み、排気浄化性能を維持するために硫黄被毒回復処理が必要となる排気浄化触媒、特にＮＯｘ吸蔵還元触媒が配設された内燃機関の排気浄化装置において、硫黄被毒回復処理の際の制御対象を制御する装置の機能低下あるいは機能劣化であって、評価試験や解析評価などからは予期することができない機能低下あるいは機能劣化がもたらされた場合においても、最適な硫黄被毒回復処理の実行が可能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。

請求項１に記載の発明によれば、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、流入する排気の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吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比にしつつ前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度を所定温度に制御し、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前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒から放出させる硫黄被毒回復処理を必要に応じて繰り返し実行する硫黄被毒回復処理制御手段と、を具備する内燃機関の排気浄化装置において、前記硫黄被毒回復処理制御手段は、前記硫黄被毒回復処理を実行するための制御対象の制御量を機関運転状態に応じて算出する基本制御量算出マップであって、予め作成された基本制御量算出マップと、今回の前記硫黄被毒回復処理を実行する前に、前記基本制御量算出マップにより算出された制御量に基づいた予備的な硫黄被毒回復処理を実行し、該予備的な硫黄被毒回復処理の結果に基づいて、前記基本制御量算出マップにより算出される制御量が今回の前記硫黄被毒回復処理に適した制御量に補正されるように前記基本制御量算出マップを補正する制御量補正手段とを有し、前記制御量補正手段により補正された基本制御量算出マップにより算出された制御量に基づいて、今回の硫黄被毒回復処理を実行する、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に発明では、今回の硫黄被毒回復処理を実行する前に、硫黄被毒回復処理を実行するための制御対象の制御量を機関運転状態に応じて算出する基本制御量算出マップであって予め作成された基本制御量算出マップにより算出された制御量に基づいた予備的な硫黄被毒回復処理が実行され、該予備的な硫黄被毒回復処理の結果に基づいて、基本制御量算出マップから算出される制御量が今回の硫黄被毒回復処理に適した制御量に補正されるように基本制御量算出マップが補正される。そして、補正された基本制御量算出マップにより算出された制御量に基づいて、今回の硫黄被毒回復処理が実行される。

これにより、硫黄被毒回復処理の際の制御対象の制御を実行する装置、例えば燃料噴射装置や排気ガス再循環装置などの、長期間にわたる使用に起因してもたらされる機能低下あるいは機能劣化であって評価試験や解析評価などからは予期することができない機能低下あるいは機能劣化がもたらされた場合においても、最適な硫黄被毒回復処理を実行することができ、排気エミッションの悪化を抑制することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、前記内燃機関は、燃焼室に燃料を供給する燃料噴射装置と、前記燃焼室から排出された排気ガスを機関吸気通路内に再循環させる排気ガス再循環装置とを具備し、前記制御対象は、燃料噴射時期と前記燃焼室内に供給される再循環排気ガスの量とを含む、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。

各請求項の記載の発明によれば、硫黄被毒回復処理の際の制御対象を制御する装置の機能低下あるいは機能劣化であって、評価試験や解析評価などからは予期することができない機能低下あるいは機能劣化がもたらされた場合においても、最適な硫黄被毒回復処理の実行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、本発明を自動車用ディーゼル機関に適用した実施形態の概略構成を説明する図である。尚、本実施形態においては、内燃機関はディーゼルエンジンとするが、本発明はガソリンエンジンにも適用可能のである。

図１において、１はディーゼル機関本体、２は機関１の吸気通路、２０は吸気通路２に設けられたサージタンク、２１はサージタンク２０と各気筒の吸気ポートとを接続する吸気枝管である。本実施形態では、吸気通路２には吸気通路２を流れる吸入空気の流量を絞る吸気絞り弁２７、及び吸気を冷却するインタクーラ２６が設けられている。吸気絞り弁２７はソレノイド、バキュームアクチュエータ等の適宜な形式のアクチュエータ２７ａを備え、後述する電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０からの制御信号に応じた開度をとる。吸気絞り弁２７は、例えば吸気圧を低下させて、後述するＥＧＲ通路３３を通ってサージタンク２０に還流する排気（ＥＧＲガス）量を増大させるため等に用いられる。

図１に２５で示すのは、吸気通路２の吸気入口近傍に設けられたエアフローメータである。本実施形態では、エアフローメータ２５は熱線式流量計等のように、吸気通路２を流れる吸入空気の質量流量を測定可能な形式のものが使用されている。吸気通路２に流入した大気は、エアフローメータ２５を通過した後、過給機（ターボチャージャ）３５の圧縮機により昇圧され、吸気通路２に設けたインタクーラ２６により冷却された後サージタンク２０、枝管２１を経て各気筒に吸入される。

図１に７１で示すのは、各気筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁である。燃料噴射弁７１は、高圧燃料を貯留する共通の蓄圧室（コモンレール）７３に接続されている。機関１の燃料は高圧燃料ポンプ７２により昇圧されてコモンレール７３に供給され、コモンレール７３から各燃料噴射弁７１を介して直接各気筒内に噴射される。

また、図１に３１で示すのは各気筒の排気ポートと排気通路３とを接続する排気マニホルド、３５で示すのは過給機である。過給機３５は排気通路３の排気により駆動される排気タービン３５ａと、この排気タービンにより駆動される吸気圧縮機３５ｂとを備えている。また、本実施形態では排気ガスタービン３５ａの入口には流路面積を可変とするための可変ノズル３５ｃが備えられている。可変ノズル３５ｃは、例えば排気通路を流れる排気流量を絞ることにより排気圧力を上げＥＧＲ量を増加させるなど、ＥＧＲ量を制御する際に用いられる。

更に、本実施形態では機関排気の一部を吸気系に還流させる排気ガス再循環装置（以下、ＥＧＲ装置と称す）が設けられている。ＥＧＲ装置は、排気マニホルド３１と吸気サージタンク２０とを連通するＥＧＲ通路３３、およびＥＧＲ通路３３上に配置されたＥＧＲ弁２３、およびＥＧＲ弁２３上流側のＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲクーラ４５を備えている。ＥＧＲ弁２３は図示しないステッパモータ、ソレノイドアクチュエータ等のアクチュエータを備え、ＥＣＵ３０からの制御信号に応じた開度をとり、ＥＧＲ通路３３を通って吸気サージタンク２０に還流する排気（ＥＧＲガス）流量を制御する。本実施形態では、低負荷領域から高負荷領域までの広い運転領域で比較的多量のＥＧＲガスを還流させるようにＥＧＲ弁２３が制御される。このため、本実施形態では各気筒に吸入される吸気には比較的多量のＥＧＲガスが含まれるようになる。ＥＧＲガスは気筒から排出された高温の排気であるため、多量のＥＧＲガスを吸気に還流させると吸気温度が上昇してしまい、機関の吸気体積効率が低下することになる。本実施形態では、これを防止するために、ＥＧＲ弁２３上流側のＥＧＲ通路３３には水冷または空冷のＥＧＲクーラ４５が設けられている。本実施形態では、ＥＧＲクーラ４５を用いて吸気系に還流するＥＧＲガス温度を低下させることにより、機関の吸気体積効率の低下を抑制して比較的多量のＥＧＲガスを還流させることが可能となっている。

本実施形態においては、排気通路３の下流側には、ＮＯｘ吸蔵還元触媒４１が配置されている。また、ＮＯｘ吸蔵還元触媒４１に流入する排気の空燃比を検出する空燃比センサ６１が配設されている。本実施形態においては、空燃比センサ６１は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒４１の上流側近傍部に配設される。しかしながら、空燃比センサ６１の配置はこれに限定されるものではなく、他の適当な配置とされてもよい。

図１において、６２は触媒温度検出手段を示す。該触媒温度検出手段６２は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒４１の温度を検出する役割を果すものである。ＮＯｘ吸蔵還元触媒温度は、例えば、ＮＯｘ吸蔵還元触媒４１の機関本体１に近い上流側に配設された排気温度センサ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、触媒温度検出手段６２は、排気温度センサを主要素として構成されることになる。触媒温度検出手段６２は、後述する電子制御ユニット３０に、検出したＮＯｘ吸蔵還元触媒４１の温度情報を伝達可能に構成されている。

図１に３０で示すのは、機関１の電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと称す）である。本実施形態のＥＣＵ３０は、公知の構成のマイクロコンピュータとして構成され、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入力ポート、出力ポートを双方向性バスで相互に接続した構成とされている。ＥＣＵ３０は機関１の燃料噴射制御、回転数制御等の基本制御を行うほか、本実施形態では後述するように、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵したＳＯｘを放出する硫黄被毒回復処理に関与する制御対象に関する各種の制御を実行する。

これらの制御を行うため、ＥＣＵ３０の入力ポートには、機関１のクランク軸近傍に配置された回転数センサ５５から機関回転数に対応する信号が入力されている他、エアフローメータ２５から機関吸入空気量（質量流量）に相当する信号が、また、機関アクセルペダル近傍に配置されたアクセル開度センサ５７から運転者のアクセルペダル踏み込み量（アクセル開度）に対応する信号が、それぞれ図示しないＡＤ変換器を介して入力されている。また、ＥＣＵ３０の入力ポートには更に、ＥＧＲ弁２３に配置されたＥＧＲ弁開度センサ５１からＥＧＲ弁開度を表す信号が、また、機関吸気サージタンク２０に配置された吸気温度センサ５９から機関吸気温度を表す信号が、それぞれ入力されている。更に、ＥＣＵ３０の入力ポートには、空燃比センサ６１からＮＯｘ吸蔵還元触媒４１に流入する排気空燃比を表す信号が、また、触媒温度検出手段６２からＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を表す信号が、それぞれ入力されている。

ＥＣＵ３０の出力ポートは、図示しない燃料噴射回路を介して機関１の燃料噴射弁７１に接続され、燃料噴射弁７１からの燃料噴射量と燃料噴射時期とを制御している。また、ＥＣＵ３０の出力ポートは図示しない駆動回路を介してＥＧＲ弁２３、吸気絞り弁２７および可変ノズル３５ｃのアクチュエータに接続され、それぞれの開度を制御している。

なお、本実施形態ではＥＧＲ弁開度を検出するＥＧＲ弁開度センサ５１を別途設けているが、開度センサ５１を設けずに、例えばＥＧＲ弁２３のアクチュエータとしてステッパモータを用いた場合にはモータの駆動ステップ数に基づいて、またアクチュエータとしてソレノイドアクチュエータを用いた場合にはソレノイド駆動パルスオン／オフのデューティ比（駆動パルスのオン、オフ１周期に占めるオン時間の割合）に基づいてＥＧＲ弁開度を算出するようにすることも可能である。

また、図１に示されるように、ＥＣＵ３０には、硫黄被毒回復処理制御手段６３およびＳＯｘ吸蔵量算出手段６４が、これらの各手段とＥＣＵ３０との情報のやり取りが可能なように接続されている。

ＮＯｘ吸蔵還元触媒４１は、流入する排気の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、流入する排気の空燃比がリッチ空燃比あるいは理論空燃比であるときに、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ＨＣや還元成分となるＣＯ、Ｈ₂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４１は、該ＮＯｘ吸蔵還元触媒４１に流入する排気の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４１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。機関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４１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４１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４１に吸蔵されたＳＯｘは、ＮＯｘ吸蔵還元触媒４１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４１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４１が使用されるかぎり、ＮＯｘ吸蔵還元触媒４１に吸蔵されたＳＯｘは分解されずにＮＯｘ吸蔵還元触媒４１に残存することが知られている。従って、ＮＯｘ吸蔵還元触媒４１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４１が使用されるかぎり、時間が経過するにつれて、ＮＯｘ吸蔵還元触媒内のＳＯｘ量は増大し、その結果、ＮＯｘ吸蔵還元触媒４１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４１の温度を所定の温度以上に、例えば約６００℃以上に上昇させることで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒４１に吸蔵されたＳＯｘを熱分解し、ＮＯｘ吸蔵還元触媒４１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４１から脱離されたＳＯｘは、ＮＯｘ吸蔵還元触媒４１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４１に再吸蔵されることなく放出せしめられる。

このことに基づいて、本発明の排気浄化装置には、後述するＳＯｘ吸蔵量算出手段６４により算出されたＮＯｘ吸蔵還元触媒４１におけるＳＯｘ吸蔵量に基づいて、ＮＯｘ吸蔵還元触媒４１に流入する排気の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所定温度に制御する硫黄被毒回復処理を必要に応じて適宜繰り返し実行する硫黄被毒回復処理制御手段６３が具備される。これにより、硫黄被毒の問題を解消し、ＮＯｘ吸蔵還元触媒４１の排気浄化性能を維持することを可能とする。

ＳＯｘ吸蔵量算出手段６４は、流入する排気によりＮＯｘ吸蔵還元触媒４１に吸蔵されたＳＯｘ量を算出する役割を果すものである。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算出されうる。この場合、ＳＯｘ吸蔵量算出手段６４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吸蔵量算出手段６４は、硫黄被毒回復処理制御手段６３に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒４１に吸蔵されたＳＯｘ量情報を伝達可能に構成されている。

ところで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒４１を備える内燃機関の排気浄化装置において硫黄被毒回復処理を実行する際に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒４１に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比にして且つＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を上昇させ所定温度に制御することが必要となるが、この制御を燃料噴射時期や燃焼室内に供給されるＥＧＲ量などを適当に制御することによる実行するものがある。

そして、硫黄被毒回復処理の際の制御対象とされた例えば燃料噴射時期やＥＧＲ量などの制御量は、硫黄被毒回復処理を実行するために選択された制御対象の制御量を機関運転状態に応じて算出する基本制御量算出マップであって、評価試験や解析評価のデータに基づいて予め作成された基本制御量算出マップを使用して算出することが考えられる。本実施形態においても、ＥＣＵ３０のメモリー内に上記基本制御量算出マップ６５が格納されている。

しかしながら、燃料噴射を制御する燃料噴射装置やＥＧＲ量を制御する排気ガス再循環装置などは、例えばそれらの長期間にわたる使用に起因して、評価試験や解析評価などからは予期することができない機能低下あるいは機能劣化がもたらされる場合がある。このような機能低下あるいは機能劣化がもたらされた場合においては、評価試験や解析評価などからのデータに基づいて予め作成された基本制御量算出マップ６５から算出された制御量を適用しても、ＮＯｘ吸蔵還元触媒４１に流入する排気空燃比や触媒温度を目標値に精度よく制御できず、十分な硫黄被毒回復処理を実行することができないという問題がもたらされうる。

従って、硫黄被毒回復処理の際の制御対象とされた例えば燃料噴射時期やＥＧＲ量などの制御量を、評価試験や解析評価などからのデータに基づいて予め作成された基本制御量算出マップ６５を使用して算出する場合において、より最適な硫黄被毒回復処理を実行するためには、評価試験や解析評価などからは予期することができない機能低下あるいは機能劣化を考慮して、基本制御量算出マップ６５から算出される制御量を補正する何らかの手段を講じることが必要となる。

このことに基づいて、本発明の排気浄化装置においては、今回の硫黄被毒回復処理を実行する前に、基本制御量算出マップ６５により算出された制御量に基づいた予備的な硫黄被毒回復処理を実行し、該予備的な硫黄被毒回復処理の結果に基づいて、基本制御量算出マップ６５から算出される制御量が今回の前記硫黄被毒回復処理に適した制御量に補正されるように基本制御量算出マップ６５を補正する制御量補正手段６６が具備される。これにより、硫黄被毒回復処理に実行における例えば燃料噴射時期やＥＧＲ量を制御する燃料噴射装置や排気ガス再循環装置などに、評価試験や解析評価などからは予期することができない機能低下あるいは機能劣化がもたらされた場合においても、より最適な硫黄被毒回復処理の実行を可能とする。

以下に、上述した各構成要素を有する本排気浄化装置が適用された図１に示す一実施形態の内燃機関における硫黄被毒回復処理の制御ルーチンの一実施形態について説明する。図２は、本発明の排気浄化装置が適用された図１に示す一実施形態の内燃機関における硫黄被毒回復処理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２に示す制御ルーチンにおいては、まず、機関運転状態とＮＯｘ吸蔵還元触媒４１のＳＯｘ吸蔵量とに基づいて、硫黄被毒回復処理の実施時期が決定される。次に、決定された硫黄被毒回復処理の実施時期よりも所定期間前に、硫黄被毒回復処理を実行するために選択された制御対象の制御量を機関運転状態に応じて算出する基本制御量算出マップであって評価試験や解析評価のデータに基づいて予め作成された基本制御量算出マップを使用して算出された制御量に基づいて、予備的な硫黄被毒回復処理が実行される。そして、該予備的な硫黄被毒回復処理の結果に基づいて、基本制御量算出マップから算出される各制御対象の制御量が今回の硫黄被毒回復処理に適した制御量となるように基本制御量算出マップが補正される。次に、上記決定された硫黄被毒回復処理の実施時期に、補正された基本制御量算出マップを使用した硫黄被毒回復処理が実行される。以下に、各ステップの詳細について述べる。

ステップ１０１においては、硫黄被毒回復処理の実施時期が決定される。本実施形態においては、ＳＯｘ吸蔵量算出手段６４により算出された現状のＳＯｘ吸蔵量とＮＯｘ吸蔵還元触媒４１において排気浄化性能上許容される許容ＳＯｘ吸蔵量との差と、機関運転状態とに基づいて硫黄被毒回復処理の実施時期を算出するマップをＥＣＵ３０が有し、該マップを使用してＥＣＵ３０により硫黄被毒回復処理の実施時期が決定される。尚、硫黄被毒回復処理の実施時期は、予め設定された所定走行距離毎に実行されるように決定されてもよく、また、予め設定された所定走行時間毎に実行されるように決定されてもよい。ステップ１０１において、硫黄被毒回復処理の実施時期が決定されると、続くステップ１０２に進む。

ステップ１０２においては、ステップ１０１にて決定された硫黄被毒回復処理の実施時期よりも所定期間前に、基本制御量算出マップ６５を使用して算出された制御量に基づいて、予備的な硫黄被毒回復処理が実行される。

本実施形態においては、硫黄被毒回復処理を実行するために選択される制御対象は、主として燃料噴射時期およびＥＧＲ量であり、具体的には、燃料噴射弁７１の燃料噴射時期、ＥＧＲ弁２３のＥＧＲ弁開度、吸気絞り弁２７の吸気絞り弁開度、および可変ノズル３５ｃの可変ノズル開度である。これらの制御対象の制御量が、硫黄被毒回復処理を実行する際にＮＯｘ吸蔵還元触媒４１に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比にして且つＮＯｘ吸蔵還元触媒温度を上昇させ所定温度に制御するために、機関運転状態に応じて基本制御量算出マップ６５を使用してＥＣＵ３０により算出される。尚、燃焼騒音や排気性状の悪化の抑制等を目的として、主燃料噴射に先立ってパイロット噴射を行うパイロット噴射モードが採用される内燃機関においては、排気空燃比や触媒温度を制御すべく、パイロット噴射量や主噴射とパイロット噴射との間のインターバルもまた硫黄被毒回復処理を実行するために選択される制御対象とされてもよい。また、これら以外のものであって排気空燃比や触媒温度を制御することができるものが、硫黄被毒回復処理を実行するための制御対象として選択されてもよい。

燃料噴射時期は、例えば、燃料噴射時期を吸気行程初期と中期の中間の時期に設定することにより排気温度を上昇させ触媒温度を上昇させるなど、触媒温度を制御するための制御対象とされる。また、例えば、ＥＧＲ弁開度、吸気絞り弁開度および可変ノズル開度は、ＥＧＲ量を増加させて排気空燃比をリッチ空燃比にするなど、排気空燃比を制御するための制御対象とされる。

上述したように、燃料噴射を実行する燃料噴射弁７１を含む燃料噴射装置やＥＧＲ量を制御するＥＧＲ弁２３を含む排気ガス再循環装置などは、例えばそれらの長期間にわたる使用に起因して、評価試験や解析評価などからは予期することができない機能低下あるいは機能劣化がもたらされる場合がある。このような機能低下あるいは機能劣化がもたらされた場合には、ステップ１０２における基本制御量算出マップ６５を使用した予備的な硫黄被毒回復処理においては、ＮＯｘ吸蔵還元触媒４１に流入する排気空燃比や触媒温度を目標値に精度よく制御できない結果がもたらされることになる。

ことことに基づいて、ステップ１０３においては、ステップ１０２において実行された予備的な硫黄被毒回復処理の結果に基づいて、基本制御量算出マップから算出される各制御対象の制御量が今回の硫黄被毒回復処理に適した制御量に補正されるように基本制御量算出マップ６５が、制御量補正手段６６により補正される。すなわち、ステップ１０３においては、空燃比センサ６１および触媒温度検出手段６２からの検出情報に基づいて、基本制御量算出マップ６５を使用した予備的な硫黄被毒回復処理によるＮＯｘ吸蔵還元触媒４１に流入する排気空燃比および触媒温度の目標値への達成状態が確認され、該達成状態に基づいて、基本制御量算出マップ６５により算出される各制御対象の制御量が今回の硫黄被毒回復処理に適した制御量に補正されるように基本制御量算出マップが補正される。

尚、ステップ１０２における予備的な硫黄被毒回復処理の実施時期は、ステップ１０１にて決定された硫黄被毒回復処理の実施時期よりも所定期間前とされるが、ここでの所定期間は機関運転状態や設計仕様により適宜設定されるものである。また、予備的な硫黄被毒回復処理の実行時間も機関運転状態や設計仕様により適宜設定されるものである。

好適には、予備的な硫黄被毒回復処理の実行時間は、ステップ１０３にて実行される基本制御量算出マップ６５の補正に必要な最低限のデータを取得するのに必要な時間に設定される。そして、予備的な硫黄被毒回復処理の実施時期は、予備的な硫黄被毒回復処理の実行時間に基づいて、ステップ１０１にて決定された硫黄被毒回復処理の実施時期に対して可能な限り直前に設定されることが好ましい。

予備的な硫黄被毒回復処理の実行時間を可能な限り短時間とすることで、燃料消費量などの悪化を抑制することが可能なる。また、予備的な硫黄被毒回復処理の実施時期をステップ１０１にて決定された硫黄被毒回復処理の実施時期に対して可能な限り直前に設定することで、ステップ１０１にて決定された硫黄被毒回復処理の実施時期の機関運転状態に、より近い機関運転状態でのステップ１０３における基本制御量算出マップ６５の補正ができ、より最適な硫黄被毒回復処理が可能となる。

また、本実施形態においては、ステップ１０２における今回の予備的な硫黄被毒回復処理は、評価試験や解析評価に基づいて予め作成された基本制御量算出マップ６５を使用して算出された制御量に基づいて実行される。しかしながら、前回の予備的な硫黄被毒回復処理の結果に基づいて補正された前回の補正された基本制御量算出マップを使用して算出された制御量に基づいて、今回の予備的な硫黄被毒回復処理が実行されてもよい。そして、その場合には、硫黄被毒回復処理が実行される都度、基本制御量算出マップは、補正された基本制御量算出マップに更新されることになる。

ステップ１０３に続くステップ１０４においては、予備的な硫黄被毒処理が実行され基本制御量算出マップ６５が補正された後、ステップ１０１にて決定された硫黄被毒回復処理の実施時期に、補正された基本制御量算出マップを使用した硫黄被毒回復処理が実行される。本ステップにおいて実行される硫黄被毒回復処理は、予備的な硫黄被毒回復処理の結果に基づいて、基本制御量算出マップ６５から算出される各制御対象の制御量が今回の硫黄被毒回復処理に適した制御量となるように補正された基本制御量算出マップを使用して実行されるため、最適な硫黄被毒回復処理を実行することができる。

これにより、例えば、燃料噴射を制御する燃料噴射弁７１を含む燃料噴射装置やＥＧＲ量を制御するＥＧＲ弁２３等を含む排気ガス再循環装置などに、例えばそれらの長期間にわたる使用に起因して、評価試験や解析評価などからは予期することができない機能低下あるいは機能劣化がもたらされた場合においても、最適な硫黄被毒回復処理を実行することができ、排気エミッションの悪化を抑制することが可能となる。

図３は、本発明の内燃機関の排気浄化装置による硫黄被毒回復処理を実行する際のタイムチャートの一例を示す図である。図３において、Ｒ１は前回の予備的な硫黄被毒回復処理の開始時を示し、Ｒ２は今回の予備的な硫黄被毒回復処理の開始時を示し、Ｓ１は前回の硫黄被毒回復処理の開始時を示し、Ｓ２は今回の硫黄被毒回復処理の開始時を示す。また、ｌ１は前回の予備的な硫黄被毒回復処理の実行期間を示し、ｌ２は今回の予備的な硫黄被毒回復処理の実行期間を示し、Ｌ１は前回の硫黄被毒回復処理の実行期間を示し、Ｌ２は今回の硫黄被毒回復処理の実行期間を示す。図３から理解されるごとく、本発明の内燃機関の排気浄化装置による硫黄被毒回復処理においては、硫黄被毒回復処理が実行される前に、硫黄被毒回復処理を実行するための制御対象の制御量を機関運転状態に応じて算出する基本制御量算出マップであって予め作成された基本制御量算出マップを使用して算出された制御量に基づいた予備的な硫黄被毒回復処理が実行される。

本発明を自動車用ディーゼル機関に適用した実施形態の概略構成を説明する図である。本発明の排気浄化装置が適用された図１に示す一実施形態の内燃機関における硫黄被毒回復処理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。本発明の内燃機関の排気浄化装置による硫黄被毒回復処理を実行する際のタイムチャートの一例を示す図である。

符号の説明

１機関本体
２吸気通路
３排気通路
２３ＥＧＲ弁
２７吸気絞り弁
３０ＥＣＵ
３１排気マニホルド
３５過給機
３５ｃ可変ノズル
４１ＮＯｘ吸蔵還元触媒
６１空燃比センサ
６２触媒温度検出手段
６３硫黄被毒回復処理制御手段
６４ＳＯｘ吸蔵量算出手段
６５基本制御量算出マップ
６６制御量補正手段
７１燃料噴射弁

Claims

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、流入する排気の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吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比にしつつ前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度を所定温度に制御し、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前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒から放出させる硫黄被毒回復処理を必要に応じて繰り返し実行する硫黄被毒回復処理制御手段と、を具備する内燃機関の排気浄化装置において、
前記硫黄被毒回復処理制御手段は、
前記硫黄被毒回復処理を実行するための制御対象の制御量を機関運転状態に応じて算出する基本制御量算出マップであって、予め作成された基本制御量算出マップと、
今回の前記硫黄被毒回復処理を実行する前に、前記基本制御量算出マップにより算出された制御量に基づいた予備的な硫黄被毒回復処理を実行し、該予備的な硫黄被毒回復処理の結果に基づいて、前記基本制御量算出マップにより算出される制御量が今回の前記硫黄被毒回復処理に適した制御量に補正されるように前記基本制御量算出マップを補正する制御量補正手段とを有し、
前記制御量補正手段により補正された基本制御量算出マップにより算出された制御量に基づいて、今回の硫黄被毒回復処理を実行する、
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記内燃機関は、燃焼室に燃料を供給する燃料噴射装置と、前記燃焼室から排出された排気ガスを機関吸気通路内に再循環させる排気ガス再循環装置とを具備し、
前記制御対象は、燃料噴射時期と前記燃焼室内に供給される再循環排気ガスの量とを含む、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。