JP2009019553A

JP2009019553A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2009019553A
Application number: JP2007182331A
Authority: JP
Inventors: Takamitsu Asanuma; 孝充浅沼; Shinya Hirota; 信也広田; Kohei Yoshida; 耕平吉田; Hiromasa Nishioka; 寛真西岡; Hiroshi Otsuki; 寛大月
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-07-11
Filing date: 2007-07-11
Publication date: 2009-01-29
Also published as: WO2009008395A1

Abstract

【課題】ＳＯｘトラップ触媒に捕獲されたＳＯｘの放出を抑制するため排気ガスの空燃比をリーンに制御しているときに、ＮＯｘの外気への放出による排気性状の悪化を防止する。
【解決手段】ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１上流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＳＯｘを捕獲しうるＳＯｘトラップ触媒１９を配置する。ＳＯｘトラップ触媒１９に流入する排気ガスの空燃比がリッチで且つＳＯｘトラップ触媒１９の温度がＳＯｘ放出温度以上になると予想されるときに、空燃比をリーンとするように制御する空燃比制御手段によってＳＯｘトラップ触媒１９に捕獲されたＳＯｘの放出が抑制されるようにする。このとき、ＳＯｘトラップ触媒１９及びＮＯｘ吸蔵還元触媒２１間の排気通路内に配置された還元剤供給弁２５が、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１に流入する排気ガスの空燃比がＮＯｘを還元浄化しうる目標空燃比になるよう還元剤を噴射する。
【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。

流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯｘを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒を機関排気通路内に配置した内燃機関が公知である。この内燃機関ではリーン空燃比の下で燃焼が行われているときに発生するＮＯｘがＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵される。一方、ＮＯｘ吸蔵還元触媒のＮＯｘ吸蔵能力が飽和に近づくと排気ガスの空燃比が一時的にリッチにされ、それによってＮＯｘ吸蔵還元触媒からＮＯｘが還元浄化される。

ところで燃料及び潤滑油内には硫黄が含まれており、従って排気ガス中にはＳＯｘが含まれている。このＳＯｘはＮＯｘと共にＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵される。ところがこのＳＯｘは排気ガスの空燃比を単にリッチにしただけではＮＯｘ吸蔵還元触媒から放出されず、従ってＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＳＯｘの量が次第に増大していく（以下、硫黄被毒という）。その結果としてＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵しうるＮＯｘ量が次第に減少してしまう。

そこでＮＯｘ吸蔵還元触媒にＳＯｘが吸蔵されるのを阻止するためにＮＯｘ吸蔵還元触媒上流の機関排気通路内にＳＯｘトラップ触媒を配置した圧縮着火式内燃機関が公知である（特許文献１参照）。このＳＯｘトラップ触媒は、ＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＳＯｘを捕獲し、排気ガスの空燃比がリーンの下でＳＯｘトラップ触媒の温度が上昇すると捕獲したＳＯｘが次第にＳＯｘトラップ触媒の内部に拡散する。その結果としてＳＯｘトラップ率が回復されるという性質を有する。そこでこの内燃機関ではＳＯｘトラップ触媒によるＳＯｘトラップ率を推定する推定手段を具備しており、ＳＯｘトラップ率が予め定められた率よりも低下したときには排気ガスの空燃比がリーンの下でＳＯｘトラップ触媒の温度を上昇させる。それによってＳＯｘトラップ率を回復させるようにしている。

特開２００５−１３３６１０号公報

上述のようなＳＯｘトラップ触媒を圧縮着火式内燃機関に用いる場合には、ＳＯｘトラップ触媒がＳＯｘを放出してしまわないように、ＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持し続けることは難しいことではない。しかしながら、上述のＳＯｘトラップ触媒を火花点火式内燃機関に用いる場合には、高負荷時や急加速時などにＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチになりやすい。そうすると、ＳＯｘトラップ触媒の触媒温度によっては、ＳＯｘがＳＯｘトラップ触媒から放出されてしまうこととなり、下流にあるＮＯｘ吸蔵還元触媒にＳＯｘが吸蔵される。その結果、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵しうるＮＯｘ量が次第に減少してしまうという問題がある。

上記問題は、内燃機関の運転条件の変化によってＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチで且つＳＯｘトラップ触媒の温度がＳＯｘトラップ触媒からＳＯｘが放出される温度以上になると予想されるときに、ＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーンとするように制御することによって、ＳＯｘトラップ触媒に捕獲されたＳＯｘの放出を抑制することで解決するようにも思われる。

しかしながら、このようにＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーンとするように制御すると、今度は下流のＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＮＯｘの量が次第に増大し、その結果として、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵しうるＮＯｘ量が次第に減少してしまう。そうすると、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が吸蔵できなかったＮＯｘが外気へ排出され、排気性状が悪化してしまうという問題が生じる。

そこで本発明は上記問題に鑑み、ＳＯｘトラップ触媒に捕獲されたＳＯｘの放出を抑制するため排気ガスの空燃比をリーンに制御しているときに、ＮＯｘの外気への放出を防止するようにした内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために請求項１に記載の発明によれば、機関排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＳＯｘを捕獲するＳＯｘトラップ触媒であって、流入する排気ガスの空燃比がリーンの下で当該ＳＯｘトラップ触媒の温度が上昇すると捕獲したＳＯｘが次第に当該ＳＯｘトラップ触媒の内部に拡散していく性質を有すると共に当該ＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチの下で当該ＳＯｘトラップ触媒の温度がＳＯｘ放出温度以上であれば捕獲したＳＯｘを放出する性質を有するＳＯｘトラップ触媒を配置し、該ＳＯｘトラップ触媒下流排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯｘを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒を配置した内燃機関において、運転条件の変化によって前記ＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチで且つ前記ＳＯｘトラップ触媒の温度がＳＯｘ放出温度以上になると予想されるときに空燃比をリーンとするように制御して前記ＳＯｘトラップ触媒に捕獲されたＳＯｘの放出を抑制する空燃比制御手段と、前記ＳＯｘトラップ触媒及び前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒間の排気通路内に配置され、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がＮＯｘを還元浄化しうる目標空燃比になるよう還元剤を噴射する還元剤供給手段とを具備した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に記載の発明では、空燃比制御手段を具備することで、ドライバーの加速要求など運転条件の変化によってＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチで且つ前記ＳＯｘトラップ触媒の温度がＳＯｘ放出温度以上になると予想されるときに、空燃比がリーンとなるように制御され、ＳＯｘトラップ触媒に捕獲されたＳＯｘの放出が抑制される。そして、空燃比がリーンにされた結果として、前述のようにＮＯｘ吸蔵還元触媒のＮＯｘ吸蔵量が増大することによって吸蔵しうるＮＯｘ量が減少し、排気性状の悪化が懸念される。そのため、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の上流側から還元剤を噴射することによってＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比を、ＮＯｘを還元浄化しうる目標空燃比となるようにする。その結果として、排気性状の悪化を防止することが可能となるという効果を奏する。ここでＳＯｘ放出温度とは、ＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチである場合においてＳＯｘトラップ触媒に捕獲されたＳＯｘが放出される温度（例えば６００℃）をいう。

また、請求項２に記載の発明によれば請求項１に記載の発明において、前記空燃比制御手段が、前記ＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比を要求されたトルクが確保できる限界のリーン空燃比に制御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２に記載の発明では、空燃比制御手段が、要求トルクを満たすことが可能な限界のリーン空燃比となるようにＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御することによって、要求トルクを満たしつつ確実にリーン空燃比となるようにしている。その結果、ＳＯｘトラップ触媒に捕獲されたＳＯｘの放出を抑制している。

また、請求項３に記載の発明によれば請求項１に記載の発明において、前記空燃比制御手段が、前記ＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比近傍のリーンに制御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３に記載の発明では、空燃比制御手段が、ＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比近傍のリーンとなるように制御することによって、ＳＯｘトラップ触媒に捕獲されたＳＯｘの放出を抑制している。従って、請求項２に記載の発明よりもさらに理論空燃比に近いリーンで運転することが可能となるので、より高いトルク要求を満たすことが可能となる。

また、請求項４に記載の発明によれば請求項１に記載の発明において、前記空燃比制御手段が、前記ＳＯｘトラップ触媒上流の排気通路内に酸素を供給する手段を具備した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に記載の発明では、ＳＯｘトラップ触媒上流の排気通路内に酸素を供給することによって、機関燃焼室内において燃焼する混合気の空燃比に関わらず、ＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比を常にリーンにすることが可能となる。

また、請求項５に記載の発明によれば請求項１から４のいずれか１つに記載の発明において、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒が三元触媒の機能を有する内燃機関の排気浄化装置が提供される。

また、請求項６に記載の発明によれば請求項５に記載の発明において、前記目標空燃比が理論空燃比であり、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒が三元触媒としての機能を発揮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５及び６に記載の発明では、三元触媒としての機能を利用することによって、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯｘ量に関わらず、排気ガス中のＮＯｘを還元浄化するという効果を奏する。

また、請求項７に記載の発明によれば請求項１から４のいずれか１つに記載の発明において、前記目標空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に一時的に変化させるリッチスパイクであり、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元浄化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７に記載の発明では、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の吸蔵能力をリッチスパイク処理によって回復させることによって、再びＮＯｘを吸蔵することが可能となり、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の吸蔵還元機能を活用することが可能となる。

また、請求項８に記載の発明によれば請求項１から７のいずれか１つに記載の発明において、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の触媒温度を活性温度以上にする触媒昇温手段をさらに具備した内燃機関の排気浄化装置が提供される。すなわち、請求項８に記載の発明では、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を昇温させる手段を具備することによって、必要なときに早期に触媒温度を上げることが可能となる。

各請求項に記載の発明によれば、ＳＯｘトラップ触媒に捕獲されたＳＯｘの放出を抑制するため排気ガスの空燃比をリーンに制御しているときに、ＮＯｘの外気への放出による排気性状の悪化を防止することができるという共通の効果を奏する。

以下に示す実施形態では本発明を火花点火式内燃機関に適用した場合について説明するが、圧縮着火式内燃機関に適用してもよい。そして、この火花点火式内燃機関は、機関燃焼室内において燃焼する混合気の空燃比が基本的にリーン（例えば空燃比３０）となるように制御して運転されるが、機関状態やドライバーの加速要求によっては機関燃焼室内において燃焼する混合気の空燃比が理論空燃比又はリッチに変動することもある。ＳＯｘトラップ触媒に捕獲されたＳＯｘが放出されてしまうのは、ＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチであって且つＳＯｘトラップ触媒の温度がＳＯｘ放出温度以上の場合である。従って、本発明においては、ＳＯｘトラップ触媒の温度がＳＯｘ放出温度以上の場合において、いかにしてＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチとならないように制御し、それによって増大するＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元浄化させるかについて、以下説明する。

図１に内燃機関の全体図を示す。図１を参照すると、１は例えば四つの気筒を備えた機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポート、１０は点火栓をそれぞれ示す。吸気ポート７は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介してエアクリーナ１４に連結される。吸気ダクト１３内には吸入空気流量を検出するためのエアフローメータ１５とスロットル弁１６とが配置される。また、吸気ポート７内には吸気ポート７内に燃料を噴射する電気制御式の燃料噴射弁１７が配置される。一方、排気ポート９は排気マニホルド１８を介してＳＯｘトラップ触媒１９に連結され、ＳＯｘトラップ触媒１９は排気管２０を介してＮＯｘ吸蔵還元触媒２１に連結され、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１は排気管２２に連結される。ＳＯｘトラップ触媒１９の上流には空燃比ＡＦを検出するための空燃比センサ２３が取り付けられ、ＳＯｘトラップ触媒１９には触媒温度Ｔｓを検出する触媒温度センサ２４が取り付けられる。そしてさらにＮＯｘ吸蔵還元触媒２１の上流には、例えば炭化水素からなる還元剤を排気通路内に供給するための電気制御式の還元剤噴射弁２５が配置され、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１には触媒温度Ｔｎを検出する触媒温度センサ２６が取り付けられる。なお、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１より下流の排気通路内に理論空燃比付近で急激に出力電圧が変化するＯ₂センサ２７を配置すると、後述するような空燃比を制御する際に下流側の空燃比をフィードバックできるので好ましい。

電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５、及び出力ポート３６を具備する。アクセルペダル３９にはアクセルペダル３９の踏み込み量を検出するための負荷センサ４０が接続される。ここで、アクセルペダル３９の踏み込み量は要求負荷を表している。エアフローメータ１５、空燃比センサ２３、触媒温度センサ２４、２６、Ｏ₂センサ２７、及び負荷センサ４０の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４１が接続される。ＣＰＵ３４ではクランク角センサ４１の出力パルスに基づいて機関回転数Ｎが算出される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して点火栓１０、スロットル弁１６、燃料噴射弁１７、及び還元剤供給弁２５にそれぞれ接続され、これらは電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０からの出力信号に基づいて制御される。

まず、図１を参照しながら本発明の実施形態について説明する。本実施形態においてＮＯｘ吸蔵還元触媒２１は三元触媒としての機能も有している。すなわち、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１が或る温度以上となり且つ流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比のときに、排気ガス中の有害成分となる炭化水素、一酸化炭素及びＮＯｘを高い浄化率で浄化する役割を果たす。このような高い浄化率で以て浄化するようになる温度を活性温度という。活性温度は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の吸蔵還元機能を十分に発揮できる温度としても同様に用いる。そして排気ガスの空燃比とは、吸気ポート７、燃焼室５、及びＳＯｘトラップ触媒１９上流の排気通路内に供給された空気と、燃料及び後述する還元剤（炭化水素）との比をいう。

本実施形態における１番目の方法として、例えば、大幅なリーン空燃比による運転状態から加速要求によって比較的リーンの程度が低い空燃比領域（空燃比約２０から理論空燃比までの領域）の運転状態に変化する場合を想定する。従来の空燃比制御によると、急加速要求時などの場合は一旦リッチ空燃比を経た後、比較的リーンの程度が低い空燃比領域となる。しかし、本発明においては、そのとき要求されるトルクが、高負荷時又は急加速時等に想定される最大の要求トルクであっても、理論空燃比又はリッチ空燃比となることなく上記比較的リーンの程度が低い空燃比領域内となるように制御する。このように制御することによって、ＳＯｘトラップ触媒１９に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持し続けることが可能となる。

本実施形態における２番目の方法として、空燃比センサ２３を用いてＳＯｘトラップ触媒１９に流入する排気ガスの空燃比をフィードバックすることによって、流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比近傍のリーン（例えば空燃比１４．８）となるように制御する方法である。これによると１番目の方法よりもさらに理論空燃比に近いリーンで運転することが可能となるので、より高いトルク要求を満たすことが可能となる。なお、空燃比センサ２３は、Ｏ₂センサに置き換えてもよい。

その他の方法としては、例えば加速運転時に燃料増量の要求があった場合に、ＳＯｘトラップ触媒１９に流入する排気ガスの空燃比がリッチとならないように、例えば理論空燃比に保持したり、燃料増量の割合を縮小してリッチ空燃比とならないように制御したりすることも考えられる。また、仮にＮＯｘ吸蔵還元触媒２１を還元浄化するため空燃比を一時的にリッチにするリッチスパイク処理要求があったとしても、ＳＯｘトラップ触媒の温度がＳＯｘ放出温度以上の場合には、それを禁止するようにしてもよい。前述の１番目、２番目、及びその他の方法を総称して、以下、空燃比制御方法と称す。

さらに、これら空燃比制御方法において、要求トルクを満たすために、例えば、機械式過給機によって過給したり、電動モータ等を併せて用いたりすることによって要求トルクを満たすようにしてもよい。このような追加の手段を用いることで、例えば上記１番目の方法においては、より大きいリーン空燃比を確実に確保することが可能となる。

本実施形態において、上述のような空燃比制御方法によってＳＯｘトラップ触媒１９に流入する排気ガスの空燃比をリーンに制御すると、下流のＮＯｘ吸蔵還元触媒２１のＮＯｘに吸蔵されているＮＯｘ量が次第に増大し、その結果として、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１に吸蔵しうるＮＯｘ量が次第に減少してしまう。そうすると、流入する排気ガス中のＮＯｘをＮＯｘ吸蔵還元触媒２１が吸蔵しきれずに一部外気へ排出し、排気性状が悪化してしまう。

そこで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１の上流の排気通路内に還元剤噴射弁２５を用いて還元剤を供給し、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比となるように制御する。そうすることによってＮＯｘ吸蔵還元触媒２１の三元触媒としての機能により、排気ガス中の炭化水素及び一酸化炭素の酸化と、ＮＯｘの還元を同時に行い、排気ガス中のこれら有害成分を無害な二酸化炭素と、水及び窒素に浄化する。それによって排気性状の悪化を防止することが可能となる。

次に硫黄被毒抑制操作と還元剤供給操作のフローチャートについて説明する。以下にいくつかの実施形態を用いて示すこれらの操作は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０により予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行されるルーチンとして行われる。

図３は、本実施形態による硫黄被毒抑制操作のフローチャートを示している。硫黄被毒抑制操作は、ＳＯｘトラップ触媒１９に流入する排気ガスの空燃比をリーンに制御し、ＳＯｘトラップ触媒１９からＳＯｘが放出されないようにする操作である。図３を参照すると、まずステップ１００でＳＯｘトラップ触媒１９に捕獲されたＳＯｘ量を推定し、ＳＯｘトラップ触媒１９に捕獲されたＳＯｘ量ΣＳＯＸ１が予め定められた量ＳＯＸ０以上であるかどうかが判定される。すなわち、捕獲されたＳＯｘ量ΣＳＯＸ１が予め定められた量ＳＯＸ０以下である場合には、仮にＳＯｘトラップ触媒１９からＳＯｘが放出されたとしてもすぐ再びＳＯｘトラップ触媒１９自体に再び捕獲され、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１に到達することがほとんどない。従ってその後の操作を行わず、ステップ１０４に進んで後述の還元剤供給操作時に用いるフラグＦに０をセットし、ルーチンを終了する。

ここでＳＯｘトラップ触媒１９に捕獲されたＳＯｘ量ΣＳＯＸ１を推定する方法について説明する。燃料中には或る割合で硫黄が含まれており、従って排気ガス中に含まれるＳＯｘ量、すなわちＳＯｘトラップ触媒１９に捕獲されるＳＯｘ量は燃料噴射量に比例する。燃料噴射量は要求トルク及び機関回転数の関数であり、従ってＳＯｘトラップ触媒１９に捕獲されるＳＯｘ量も要求トルク及び機関回転数の関数となる。本発明による実施形態ではＳＯｘトラップ触媒１９に単位時間当り捕獲されるＳＯｘ量ＳＯＸＡが要求トルクＴＱ及び機関回転数Ｎの関数として図９（Ａ）に示されるようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

また、潤滑油内にも或る割合で硫黄が含まれており、燃焼室５内で燃焼する潤滑油量、すなわち排気ガス中に含まれていてＳＯｘトラップ触媒１９に捕獲されるＳＯｘ量も要求トルク及び機関回転数の関数となる。本発明による実施形態では潤滑油に含まれていてＳＯｘトラップ触媒１９に単位時間当り捕獲されるＳＯｘの量ＳＯＸＢが要求トルクＴＱ及び機関回転数Ｎの関数として図９（Ｂ）に示されるようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、ＳＯｘ量ＳＯＸＡ及びＳＯｘ量ＳＯＸＢの和を積算することによってＳＯｘトラップ触媒１９に捕獲されているＳＯｘ量ΣＳＯＸ１が算出される。

上述のようにして算出されたＳＯｘトラップ触媒１９に捕獲されたＳＯｘ量ΣＳＯＸ１が予め定められた量ＳＯＸ０以上である場合には、ステップ１０１に進んでＳＯｘトラップ触媒１９の触媒温度ＴｓがＳＯｘ放出温度Ｔｓ０以上であるかどうかが判定される。すなわち、触媒温度ＴｓがＳＯｘ放出温度Ｔｓ０未満である場合には、空燃比によらず捕獲されたＳＯｘが放出されることはない。従ってその後の操作を行わず、ステップ１０４に進んでフラグＦに０をセットし、ルーチンを終了する。なお、捕獲されたＳＯｘの放出を確実に抑制するために、ステップ１０１において判定される温度をＳＯｘ放出温度Ｔｓ０よりもわずかばかり低い温度とすることが望ましい。

ステップ１０１において、触媒温度ＴｓがＳＯｘ放出温度Ｔｓ０以上である場合には、ステップ１０２に進んでＳＯｘトラップ触媒１９に流入する排気ガスの空燃比ＡＦが理論空燃比ＡＦ０又はリッチ（＜ＡＦ０）であるかどうかが判定される。ここで空燃比が理論空燃比である場合においても判定の対象としているのは、基本的に理論空燃比ＡＦ０である場合にはＳＯｘはほとんど放出されない。しかしながら、わずかでもリッチ空燃比（＜ＡＦ０）となれば放出が開始されるので、その直前段階で空燃比の低下を抑止するためである。ＳＯｘトラップ触媒１９に流入する排気ガスの空燃比ＡＦが理論空燃比ＡＦ０又はリッチ（＜ＡＦ０）でない場合、すなわちリーン空燃比（＞ＡＦ０）である場合には、ＳＯｘトラップ触媒１９に捕獲されたＳＯｘが放出されることはない。従ってその後の操作を行わず、ステップ１０４に進んでフラグＦに０をセットし、ルーチンを終了する。

一方、ステップ１０２において、ＳＯｘトラップ触媒１９に流入する排気ガスの空燃比ＡＦが理論空燃比ＡＦ０又はリッチ（＜ＡＦ０）である場合には、ＳＯｘトラップ触媒１９に捕獲されたＳＯｘが放出されてしまう（又は理論空燃比の場合はその恐れがある）。従って、ステップ１０３に進んで、前述したような空燃比制御方法によってＳＯｘトラップ触媒１９に流入する排気ガスの空燃比がリーンとなるように空燃比制御を行う。その後ステップ１０５に進んで、今度はフラグＦに１をセットし、ルーチンを終了する。

図４は還元剤供給操作のフローチャートを示している。還元剤供給操作は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１に流入する排気ガスの空燃比を制御し、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１に吸蔵されたＮＯｘを還元浄化させる操作である。図４を参照すると、まずステップ２００で前述の硫黄被毒抑制操作においてセットしたフラグＦが１であるか否かが判定される。フラグＦが１でない場合、すなわち、図３に示す硫黄被毒抑制操作によって、ＳＯｘトラップ触媒１９に流入する排気ガスの空燃比がリーンに制御されている状態でない場合には、本発明による付加的な還元剤の供給を行う必要がない。従って、その後の操作を行わずにルーチンを終了する。

一方、ステップ２００において、フラグＦが１の場合、すなわち、前述の硫黄被毒抑制操作によって、ＳＯｘトラップ触媒１９に流入する排気ガスの空燃比がリーンに制御されている状態の場合にはステップ２０１に進む。ステップ２０１では、当該操作の実行時点で既に排気ガスの空燃比ＡＦがリーン空燃比（＞ＡＦ０）となっているか否かが判定される。これは、硫黄被毒抑制操作の空燃比制御が実行されていても、まだリーン空燃比への過渡期の場合等を考慮しての処理である。その結果、未だにリーンとなっていない場合には、その後の操作を行わずにルーチンを終了する。このステップ２０１の処理は、硫黄被毒抑制操作で確実に排気ガスの空燃比がリーンにされる場合にはなくてもよい。

一方、ステップ２０１において、既に排気ガスの空燃比ＡＦがリーン空燃比（＞ＡＦ０）となっている場合にはステップ２０２に進む。ステップ２０２では、理論空燃比化処理が実行される。この処理は、硫黄被毒抑制操作によってリーン空燃比とされた排気ガスの空燃比をＮＯｘ吸蔵還元触媒２１に流入する前に、還元剤供給弁２５から還元剤を排気通路内に噴射する。それによって、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比となるように制御する処理である。その際には、ＳＯｘトラップ触媒１９に流入する排気ガスの空燃比と流出する排気ガスの空燃比が等しいと仮定する。そして、空燃比センサ２３で測定された空燃比を基に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比となるように、電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０によって算出された量の還元剤が還元剤供給弁２５から噴射される。還元剤の噴射量は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１の下流にあるＯ₂センサ２７によって、より正確に理論空燃比となるようにフィードバックされる。

従って、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に制御されることによって、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１の三元触媒としての機能を利用し、排気ガス中に含まれるＮＯｘを還元浄化し、排気性状の悪化を防止することが可能となる。また、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１の三元触媒としての機能を利用することで、ＮＯｘの吸蔵量に関わらず、排気性状の悪化を防止することが可能となる。なお、本実施形態で用いた三元触媒としての機能を有するＮＯｘ吸蔵還元触媒は、通常の三元触媒であってもよい。

ところで、後段のＮＯｘ吸蔵還元触媒２１は、排気通路内で下流にあるため上流のＳＯｘトラップ触媒１９よりも触媒温度が上がりにくい。触媒温度が十分に上昇していないとＮＯｘ吸蔵還元触媒２１を三元触媒又はＮＯｘ吸蔵還元触媒として十分に機能させることができない。そこでさらに別の実施形態として、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１を活性温度Ｔｎ０まで早期に昇温させる手段を講じる。具体的には、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１の床下又は上流の排気通路に発熱体例えば発熱コイル等を配置し、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１に流入する排気ガス又は触媒自体を熱することによって昇温させる。或いは、活性温度Ｔｎに達していなくとも、或る程度温度が上昇していれば、排気ガス中の酸素が十分にあるリーン空燃比の状態で還元剤供給弁２５から還元剤を添加することによって、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１上で還元剤と酸素との酸化反応熱を用いて活性温度Ｔｎまで昇温させたりすることも可能である。

図５は、図４に示す還元剤供給操作に前述のような触媒昇温手段を講じた場合の還元剤供給操作のフローチャートを示している。図５を参照すると、ステップ３００，３０１、３０４の操作は、図４に示す操作の対応するステップ２００、２０１、２０２と同様である。異なるのは、ステップ３０１とステップ３０４の間に温度を判定するステップ３０２と、ステップ３０３が加えられている点である。すなわち、ステップ３０１において、排気ガスの空燃比ＡＦがリーン空燃比（＞ＡＦ０）となっている場合には、ステップ３０２に進む。そして、、ステップ３０２では、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１の触媒温度Ｔｎが活性温度Ｔｎ０以上であるか否かが判定される。触媒温度Ｔｎが活性温度Ｔｎ０未満である場合には、ステップ３０３に進んで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１に対して前述のような発熱体による昇温や還元剤添加での酸化反応熱による昇温を行う。その後ステップ３０２に再び進んで、再度触媒温度Ｔｎを判定する。これらの結果ステップ３０２において、触媒温度Ｔｎが活性温度Ｔｎ０以上である場合には、ステップ３０４に進み、理論空燃比化処理を実行し、ルーチンを終了する。

さて、これまでは、還元剤を添加してＮＯｘ吸蔵還元触媒２１に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比化し、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１の三元触媒としての機能を利用して流入する排気ガス中のＮＯｘを還元浄化する実施形態について説明してきた。次に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１に吸蔵されたＮＯｘを還元浄化することで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１の吸蔵能力を回復させ、その後流入するＮＯｘを吸蔵する別の実施形態について説明する。具体的には、還元剤供給弁２５から還元剤を噴射することによって、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチにするリッチスパイク処理を行う。吸蔵能力を回復させることによって、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１に流入する排気ガス中に含まれるＮＯｘをすべて吸蔵し、排気性状の悪化を防止する。

図６は前述のようなリッチスパイク処理を行う還元剤供給操作のフローチャートを示している。図６を参照すると、ステップ４００及びステップ４０１は、図４に示す硫黄被毒抑制操作の対応するステップ２００及びステップ２０１と同様である。従って、ステップ４０２は、ステップ４０１においてＳＯｘトラップ触媒１９に流入する排気ガスの空燃比ＡＦが理論空燃比ＡＦ０又はリッチ（＜ＡＦ０）である場合に実行される。ステップ４０２では、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１に吸蔵されたＮＯｘ量ΣＮＯＸが、許容値ＮＸ以上であるかどうかが判定される。吸蔵されたＮＯｘ量ΣＮＯＸが許容値ＮＸ未満である場合には、流入するＮＯｘを吸蔵する余裕が十分にあるので、吸蔵能力を回復させる必要がない。従って、その場合にはその後の操作を行わずにルーチンを終了する。

ここでＮＯｘ吸蔵還元触媒２１に吸蔵されたＮＯｘ量ΣＮＯＸを推定する方法について説明する。ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１に単位時間当たり吸蔵されるＮＯｘ量ＮＯＸＡが要求トルクＴＱ及び機関回転数Ｎの関数として図１０に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、このＮＯｘ量ＮＯＸＡを積算することによってＮＯｘ吸蔵還元触媒２１に吸蔵されたＮＯｘ量ΣＮＯＸが算出される。

一方、ステップ４０２において、ＮＯｘ量ΣＮＯＸが許容値ＮＸ以上である場合には、ステップ４０３に進み、還元剤供給弁２５から還元剤を噴射してリッチスパイク処理を実行する。そうすることによって、吸蔵されたＮＯｘが還元浄化され、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１の吸蔵能力が回復する。従って、その後ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１に流入する排気ガスがリーンであっても再びＮＯｘ量ΣＮＯＸが許容値ＮＸに達するまでＮＯｘを吸蔵することが可能となる。そしてルーチンを終了する。なお、高負荷時や急加速時において硫黄被毒抑制操作で空燃比が制御されている状態は、ＮＯｘが大量に排気ガス中に含まれている。従って、還元剤供給操作によってリッチスパイク処理がなされる前においても、予めリッチスパイク処理を行っておき、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１の吸蔵能力を回復させておくとより好ましい。

図７は、前述の図５に示す還元剤供給操作と同様に、図６に示す還元剤供給操作に触媒昇温手段を講じた場合の還元剤供給操作のフローチャートを示している。図６の還元剤供給操作のステップ４０１とステップ４０２の間に、図５に示す操作のステップ３０２、３０３に対応するステップ６０２、６０３を挿入した以外、図６と同様である。

次に図２は、図１とは異なる構成の実施形態を示す。本実施形態では、ＳＯｘトラップ触媒１９の上流に、電気制御式の空気（酸素）供給弁２８がさらに取り付けられ、電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０からの出力信号に基づいて排気通路内に空気（酸素）を供給することによって、排気ガスの空燃比を調節可能にしている。すなわち、ＳＯｘトラップ触媒１９の上流の空気（酸素）供給弁２５から空気（酸素）を供給することによって、ＳＯｘトラップ触媒１９に流入する排気ガスの空燃比をリーン空燃比になるよう調節している。これによる利点は、機関燃焼室内において燃焼する混合気の空燃比に関わらず、ＳＯｘトラップ触媒１９に流入する排気ガスの空燃比を調節することが可能であることである。

さらなる効果として、ＳＯｘトラップ触媒１９の触媒温度が過度に上昇し、触媒がその熱によって劣化してしまう恐れがある場合でも、排気ガスよりも低温である空気（酸素）の供給量を増加することによって触媒を冷却することも可能である。そして、その結果としてＳＯｘトラップ触媒１９の下流のＮＯｘ吸蔵還元触媒２１に、未だ燃焼していない燃料（ＨＣ）又は還元剤（ＨＣ，ＣＯ）と空気（酸素）が供給されることになる。そして、それらが酸化反応し、発熱することによってＮＯｘ吸蔵還元触媒２１も劣化してしまう恐れがある。しかしながらそのような場合でも、供給する空気（酸素）量をさらに増加することによって、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１を冷却することが可能である。

図８は、本実施形態による硫黄被毒抑制操作のフローチャートを示している。図８を参照すると、ステップ６００からステップ６０２までの操作は、図３に示す前述の実施形態による硫黄被毒抑制操作の対応するステップ１００からステップ１０２と同様である。従って、ステップ６０３は、ステップ６０２においてＳＯｘトラップ触媒１９に流入する排気ガスの空燃比ＡＦが理論空燃比ＡＦ０又はリッチ（＜ＡＦ０）である場合に実行される。ステップ６０３では、捕獲されたＳＯｘの放出を抑制すべく、前述したように、ＳＯｘトラップ触媒１９に流入する排気ガスの空燃比がリーンになるように空気（酸素）供給弁２５から空気（酸素）を供給する。その後ステップ６０５に進んで、フラグを１にセットし、ルーチンを終了する。

図８に示す硫黄被毒抑制操作は、前述の図３に示す硫黄被毒抑制操作とまったく同様に、図４から図７に示す還元剤供給操作と組み合わせて用いることが可能である。

内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。別の実施形態による内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。硫黄被毒抑制操作のフローチャートである。還元剤供給操作のフローチャートである。別の実施形態による還元剤供給操作のフローチャートである。さらに別の実施形態による還元剤供給操作のフローチャートである。さらに別の実施形態による還元剤供給操作のフローチャートである。別の実施形態による硫黄被毒抑制操作のフローチャートである。ＳＯｘトラップ触媒に捕獲されるＳＯｘ量のマップを示す図である。ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されるＮＯｘ量のマップを示す図である。

符号の説明

１内燃機関
１９ＳＯｘトラップ触媒
２１ＮＯｘ吸蔵還元触媒
２３空燃比センサ
２４、２６触媒温度センサ
２５還元剤供給弁
３０電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims

機関排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＳＯｘを捕獲するＳＯｘトラップ触媒であって、流入する排気ガスの空燃比がリーンの下で当該ＳＯｘトラップ触媒の温度が上昇すると捕獲したＳＯｘが次第に当該ＳＯｘトラップ触媒の内部に拡散していく性質を有すると共に当該ＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチの下で当該ＳＯｘトラップ触媒の温度がＳＯｘ放出温度以上であれば捕獲したＳＯｘを放出する性質を有するＳＯｘトラップ触媒を配置し、該ＳＯｘトラップ触媒下流排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯｘを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒を配置した内燃機関において、運転条件の変化によって前記ＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチで且つ前記ＳＯｘトラップ触媒の温度がＳＯｘ放出温度以上になると予想されるときに空燃比をリーンとするように制御して前記ＳＯｘトラップ触媒に捕獲されたＳＯｘの放出を抑制する空燃比制御手段と、前記ＳＯｘトラップ触媒及び前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒間の排気通路内に配置され、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がＮＯｘを還元浄化しうる目標空燃比になるよう還元剤を噴射する還元剤供給手段とを具備した内燃機関の排気浄化装置。
前記空燃比制御手段が、前記ＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比を要求されたトルクが確保できる限界のリーン空燃比に制御する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記空燃比制御手段が、前記ＳＯｘトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比近傍のリーンに制御する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記空燃比制御手段が、前記ＳＯｘトラップ触媒上流の排気通路内に酸素を供給する手段を具備した請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒が三元触媒の機能を有する請求項１から４のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記目標空燃比が理論空燃比であり、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒が三元触媒としての機能を発揮する請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記目標空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に一時的に変化させるリッチスパイクであり、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元浄化する請求項１から４のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の触媒温度を活性温度以上にする触媒昇温手段をさらに具備した請求項１から７のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。