JP2009103098A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】硫化水素Ｈ₂Ｓの刺激臭の発生を阻止する。
【解決手段】機関排気通路内に上流から順にＳＯ_xトラップ触媒１２、酸化触媒１３、パティキュレートフィルタ１４、尿素水供給弁１７およびＮＯ_x選択還元触媒１６を配置する。ＳＯ_xトラップ触媒１２からＳＯ_xを放出させるときに硫化水素Ｈ₂Ｓの排出濃度が予め定められた許容濃度以上になるか否かを予測し、ＳＯ_x放出時に硫化水素Ｈ₂Ｓの排出濃度ＤＮが許容濃度ＤＮＯ以上になると予測されたときにはＳＯ_x放出時に硫化水素Ｈ₂Ｓの排出濃度ＤＮが許容濃度ＤＮＯ以下となるようにＳＯ_x放出前にＮＯ_x選択還元触媒１６に吸着している吸着アンモニア量が減少せしめられる。
【選択図】図８

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

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ＮＯ_x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ＮＯ_xを放出するＮＯ_x吸蔵触媒を配置し、ＮＯ_x吸蔵触媒下流の機関排気通路内に、排気ガスの空燃比がリーンのときにアンモニアによって排気ガス中のＮＯ_xを選択的に還元しうるＮＯ_x選択還元触媒を配置し、ＮＯ_x吸蔵触媒から吸蔵されたＮＯ_xを放出すべきときにはＮＯ_x吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするようにした内燃機関が公知である（特許文献１参照）。

この内燃機関ではリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときに発生する大部分のＮＯ_xはＮＯ_x吸蔵触媒に吸蔵され、ＮＯ_x吸蔵触媒に吸蔵されなかった一部のＮＯ_xが下流に位置するＮＯ_x選択還元触媒に流入する。ところがこの内燃機関ではＮＯ_x吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチにされたときにＮＯ_x吸蔵触媒から放出したＮＯ_xと排気ガス中に多量に含まれるＨＣとが反応してアンモニアＮＨ₃が生成され、このアンモニアＮＨ₃がＮＯ_x選択還元触媒に吸着される。従ってリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときにＮＯ_x吸蔵触媒をすり抜けたＮＯ_xはＮＯ_x選択還元触媒においてこの吸着アンモニアにより還元され、斯くしてＮＯ_xが良好に浄化せしめられる。
特開２００６−５１２５２９号公報

ところで排気ガス中にはＳＯ_xが含まれており、このＳＯ_xもＮＯ_x吸蔵触媒に吸蔵される。ところがＮＯ_x吸蔵触媒へのＳＯ_xの吸蔵量が増大するとＮＯ_xの吸蔵量が減少し、従ってＮＯ_x吸蔵触媒を用いた場合にはＮＯ_x吸蔵触媒から時折りＳＯ_xを放出させる必要がある。この場合、ＮＯ_x吸蔵触媒を６００℃以上に昇温した状態でＮＯ_x吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするとＮＯ_x吸蔵触媒からＳＯ_xを放出させることができる。

ところがＮＯ_x吸蔵触媒からＳＯ_xを放出させるとこのＳＯ_xはＮＯ_x選択還元触媒において吸着アンモニアと反応し、その結果硫化水素が発生する。しかしながらこの場合、ＮＯ_x吸蔵触媒から放出されるＳＯ_x量はそれほど多くはなく、従って硫化水素の発生量もそれほど多くはない。

さて、排気ガス中に含まれるＳＯ_xは排気浄化用触媒等の後処理装置の性能や耐久性を大巾に低下させるので排気ガス中からはこれらＳＯ_xを除去する必要があり、そのためには排気ガス中に含まれるＳＯ_xを捕獲しうるＳＯ_xトラップ触媒を備えることが好ましい。ところでこのようなＳＯ_xトラップ触媒を用いた場合でもＳＯ_xトラップ触媒がＳＯ_xで飽和する前にＳＯ_xトラップ触媒からＳＯ_xを放出させる必要がある。ところがこのＳＯ_xトラップ触媒はＮＯ_x吸蔵触媒とは異なってＳＯ_xを捕獲することを目的としているのでＳＯ_xトラップ触媒には多量のＳＯ_xが捕獲されている。

従ってＳＯ_xトラップ触媒からのＳＯ_x放出時には多量のＳＯ_xが放出され、斯くしてＳＯ_xトラップ触媒を用いた場合にはＮＯ_x選択還元触媒において多量の硫化水素が発生することになる。この場合、大気中に排出される硫化水素の濃度が高くなると強力な刺激臭が発生し、従って硫化水素の排出濃度は刺激臭をほとんど感じることのない許容濃度以下に抑えることが必要となる。

そこで本発明では、機関排気通路内に、排気ガスの空燃比がリーンのときにアンモニアによって排気ガス中のＮＯ_xを選択的に還元しうるＮＯ_x選択還元触媒を配置した内燃機関において、ＮＯ_x選択還元触媒上流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＳＯ_xを捕獲しうるＳＯ_xトラップ触媒を配置し、ＳＯ_xトラップ触媒からＳＯ_xを放出させるときにはＳＯ_x放出時に硫化水素の排出濃度が予め定められた許容濃度以下となるようにＳＯ_x放出前にＮＯ_x選択還元触媒に吸着している吸着アンモニア量を減少させるか、或いはＳＯ_x放出時にＳＯ_xトラップ触媒からのＳＯ_x放出量を減少させるようにしている。

硫化水素による刺激臭をほとんど感じさせないようにすることができる。

図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口は吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１１内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。

一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結される。排気タービン７ｂの出口はＳＯ_xトラップ触媒１２の入口に連結され、ＳＯ_xトラップ触媒１２の出口は酸化触媒１３の入口に連結される。また、酸化触媒１３の出口はパティキュレートフィルタ１４の入口に連結され、パティキュレートフィルタ１４の出口は排気管１５を介して、排気ガスの空燃比がリーンのときにアンモニアによって排気ガス中のＮＯ_xを選択的に還元しうるＮＯ_x選択還元触媒１６に連結される。このＮＯ_x選択還元触媒１６は例えばＦｅゼオライトからなる。

ＮＯ_x選択還元触媒１６上流の排気管１５内には尿素水供給弁１７が配置され、この尿素水供給弁１７は供給管１８、供給ポンプ１９を介して尿素水タンク２０に連結される。尿素水を供給すべきときには尿素水タンク２０内に貯蔵されている尿素水が供給ポンプ１９によって尿素水供給弁１７から排気管１５内を流れる排気ガス中に噴射され、このとき尿素から発生したアンモニア（（ＮＨ₂）₂ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→２ＮＨ₃＋ＣＯ₂）によって排気ガス中に含まれるＮＯ_xがＮＯ_x選択還元触媒１６において還元される。

排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２１を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２１内には電子制御式ＥＧＲ制御弁２２が配置される。また、ＥＧＲ通路２１周りにはＥＧＲ通路２１内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２３が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２３内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管２４を介してコモンレール２５に連結され、このコモンレール２５は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２６を介して燃料タンク２７に連結される。燃料タンク２７内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ２６によってコモンレール２５内に供給され、コモンレール２５内に供給された燃料は各燃料供給管２４を介して燃料噴射弁３に供給される。

電子制御ユニット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および出力ポート３６を具備する。ＳＯ_xトラップ触媒１２にはＳＯ_xトラップ触媒１２の床温を検出するための温度センサ２８が取付けられ、ＮＯ_x選択還元触媒１６にはＮＯ_x選択還元触媒１６の床温を検出するための温度センサ２９が取付けられる。これら温度センサ２８，２９および吸入空気量検出器８の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応する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１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０の駆動用ステップモータ、尿素水供給弁１７、供給ポンプ１９、ＥＧＲ制御弁２２および燃料ポンプ２６に接続される。

まず初めにＳＯ_xトラップ触媒１２について説明すると、このＳＯ_xトラップ触媒１２は例えばハニカム構造のモノリス触媒からなり、ＳＯ_xトラップ触媒１２の軸線方向にまっすぐに延びる多数の排気ガス流通孔を有する。図２にＳＯ_xトラップ触媒１２の基体５０の表面部分の断面を図解的に示す。図２に示されるように基体５０の表面上にはコート層５１が形成されており、このコート層５１の表面上には貴金属触媒５２が分散して担持されている。

図２に示される実施例では貴金属触媒５２として白金が用いられており、コート層５１を構成する成分としては例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、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、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が用いられている。即ち、ＳＯ_xトラップ触媒１２のコート層５１は強塩基性を呈している。

さて、排気ガス中に含まれるＳＯ_x、即ちＳＯ₂は図２に示されるように白金Ｐｔ５２において酸化され、次いでコート層５１内に捕獲される。即ち、ＳＯ₂は硫酸イオンＳＯ₄ ^2-の形でコート層５１内に拡散し、硫酸塩を形成する。なお、上述したようにコート層５１は強塩基性を呈しており、従って図２に示されるように排気ガス中に含まれるＳＯ₂の一部は直接コート層５１内に捕獲される。

図２においてコート層５１内における濃淡は捕獲されたＳＯ_xの濃度を示している。図２からわかるようにコート層５１内におけるＳＯ_x濃度はコート層５１の表面近傍が最も高く、奥部に行くに従って次第に低くなっていく。コート層５１の表面近傍におけるＳＯ_x濃度が高くなるとコート層５１の表面の塩基性が弱まり、ＳＯ_xの捕獲能力が弱まる。しかしながらこのようにＳＯ_xの捕獲能力が低下してもリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときにＳＯ_xトラップ触媒１２の温度が上昇するとＳＯ_xトラップ率が回復する。

即ち、ＳＯ_xトラップ触媒１２の温度が上昇するとコート層５１内の表面近傍に集中的に存在するＳＯ_xはコート層５１内におけるＳＯ_x濃度が均一となるようにコート層５１の奥部に向けて拡散していく。即ち、コート層５１内に生成されている硝酸塩はコート層５１の表面近傍に集中している不安定な状態からコート層５１内の全体に亘って均一に分散した安定した状態に変化する。コート層５１内の表面近傍に存在するＳＯ_xがコート層５１の奥部に向けて拡散するとコート層５１の表面近傍のＳＯ_x濃度が低下し、斯くしてＳＯ_xトラップ率が回復することになる。

このようにＳＯ_xトラップ触媒１２はＳＯ_xトラップ率の回復作用を繰返しながらＳＯ_xを捕獲し続けるがＳＯ_x捕獲能力が飽和に近ずくとＳＯ_xトラップ率を回復しえなくなる。このときにはＳＯ_xトラップ触媒１２を６００℃以上に昇温させると共にＳＯ_xトラップ触媒１２に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることによってＳＯ_xトラップ触媒１２から捕獲したＳＯ_xを放出させ、それによってＳＯ_xトラップ率を回復するようにしている。

図３（Ａ）は排気ガスの空燃比が基準リッチ空燃比、例えば１３．５とされたときにＳＯ_xトラップ触媒１２から単位時間当り放出されるＳＯ_x量、即ちＳＯ_x放出速度Ｗ（ｇ／sec）とＳＯ_xトラップ触媒１２の床温ＴＣとの関係を示しており、図３（Ｂ）はＳＯ_xトラップ触媒１２からのＳＯ_x放出率Ｋと排気ガスの空燃比との関係を示している。ＳＯ_xトラップ触媒１２からの単位時間当りのＳＯ_x放出量（ｇ／sec）はＳＯ_x放出速度ＷとＳＯ_x放出率Ｋとの積で表わされる。

従ってＳＯ_xトラップ触媒１２からの単位時間当りのＳＯ_x放出量（ｇ／sec）は図３（Ａ）からわかるように触媒床温ＴＣが６００℃以上になると急速に増大し、図３（Ｂ）からわかるように排気ガスの空燃比が小さくなると、即ち排気ガスの空燃比のリッチの度合が大きくなると増大する。なお、ＳＯ_xトラップ触媒１２の昇温作用は例えば燃料の噴射時期を遅くらせたり、或いは排気行程中に補助燃料を噴射することによって行われる。また、例えば排気行程中に追加の燃料を供給することによってＳＯ_xトラップ触媒１２に流入する排気ガスの空燃比がリッチにされる。

次にＮＯ_x選択還元触媒１６について説明する。ＮＯ_x選択還元触媒１６はアンモニアＮＨ₃を吸着する性質を有しており、図４（Ａ）のＱｍａｘはＮＯ_x選択還元触媒１６への最大アンモニア吸着量を示している。図４（Ａ）からわかるように最大アンモニア吸着量ＱｍａｘはＮＯ_x選択還元触媒１６の床温ＴＳが高くなるほど減少する。排気ガス中に含まれるＮＯ_xはＮＯ_x選択還元触媒１６に吸着されているアンモニアＮＨ₃により還元され、従ってＮＯ_x選択還元触媒１６には常時十分な量のアンモニアＮＨ₃を吸着させておく必要がある。

そこで本発明による実施例では図４（Ａ）に示されるように最大アンモニア吸着量Ｑｍａｘよりもわずかばかり少量のアンモニア吸着量Ｑｔが目標アンモニア吸着量として予め定められており、アンモニア吸着量Ｑがこの目標アンモニア吸着量Ｑｔとなるように尿素水の供給量が制御される。例えば図４（Ｂ）に示されるようにアンモニア吸着量Ｑが目標アンモニア吸着量Ｑｔよりも少ないときには尿素水が間欠的に供給され、アンモニア吸着量Ｑが目標アンモニア吸着量Ｑｔを越えると尿素水の供給が停止される。

本発明による実施例ではＮＯ_x選択還元触媒１６に吸着されているアンモニア吸着量Ｑは尿素水供給弁１７からの供給尿素水量と機関からの排出ＮＯ_x量から算出される。即ち、概略的に云うとＮＯ_x選択還元触媒１６に新たに吸着されるアンモニア量は供給尿素水量に比例し、消費される吸着アンモニア量は排出ＮＯ_x量に比例するのでこれら供給尿素水量と排出ＮＯ_x量からアンモニア吸着量Ｑが算出される。なお、機関から単位時間当り排出されるＮＯ_x量ＮＯＸＡは要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図４（Ｃ）に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

図５に尿素水の供給制御ルーチンを示す。なお、このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
図５を参照すると、まず初めにステップ６０において図４（Ｃ）に示されるマップから機関からの単位時間当りの排出ＮＯ_x量ＮＯＸＡが算出される。次いでステップ６１ではＮＯ_x選択還元触媒１６に吸着されているアンモニアＮＨ₃のうちでＮＯ_xにより単位時間当り消費されるアンモニアＮＨ₃の消費量ΔＱが排出ＮＯ_x量ＮＯＸＡに基づいて算出される。次いでステップ６２では吸着アンモニア量Ｑから消費量ΔＱが減算される。

次いでステップ６３では尿素水の供給を停止すべき指令が発せられているか否かが判別される。通常、この指令は発生せしめられていないのでステップ６４に進み、吸着アンモニア量Ｑが目標アンモニア量Ｑｔよりも少ないか否かが判別される。Ｑ＜Ｑｔのときにはステップ６５に進んで尿素水が間欠的に供給され続け、次いでステップ６６では吸着アンモニア量Ｑに新たに吸着されるアンモニア量Ｑｄが加算される。一方、ステップ６４においてＱ≧Ｑｔであると判別されたときにはステップ６７に進んで尿素水の供給が停止される。

このようにして尿素水供給停止指令が発せられていないときには吸着アンモニア量Ｑが目標アンモニア量Ｑｔに維持される。これに対し尿素水供給停止指令が発せられるとステップ６７に進んで尿素水の供給が停止される。

図６はＳＯ_xトラップ触媒１２からのＳＯ_x放出処理ルーチンを示している。このルーチンも一定時間毎の割込みによって実行される。
図６を参照すると、まず初めにステップ７０においてＳＯ_xトラップ触媒１２に単位時間当り捕獲されるＳＯ_x量ΔＳＯＸが算出される。燃料中には一定の割合で硫黄が含まれており、従ってステップ７０では単位時間当りの燃料噴射量Ｑｆに定数Ｃを乗算することによって単位時間当りの捕獲ＳＯ_x量ΔＳＯＸが算出される。次いでステップ７１ではΣＳＯＸにΔＳＯＸを加算することによって捕獲ＳＯ_x量の積算値ΣＳＯＸが算出される。

次いでステップ７２では捕獲ＳＯ_x量の積算値ΣＳＯＸが、ＳＯ_xトラップ率が低下しはじめる許容値ＭＡＸを越えたか否かが判別される。ΣＳＯＸ≦ＭＡＸのときにはステップ７４にジャンプする。これに対し、ΣＳＯＸ＞ＭＡＸになるとステップ７３に進んでＳＯ_xトラップ触媒１２からＳＯ_xを放出すべきことを示すＳＯ_x放出フラグがセットされ、次いでステップ７４に進む。

ステップ７４ではＳＯ_xトラップ触媒１２からＳＯ_xを放出する処理の実行を許可するＳＯ_x放出許可指令が発生しているか否かが判別され、ＳＯ_x放出許可指令が発生していないときには処理サイクルを完了する。これに対し、ＳＯ_x放出許可指令が発せられるとステップ７５に進んでＳＯ_xトラップ触媒１２を６００℃以上に昇温させると共にＳＯ_xトラップ触媒１２に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることによってＳＯ_xトラップ触媒１２から捕獲したＳＯ_xを放出させるＳＯ_x放出処理が実行される。次いでステップ７６ではＳＯ_x放出フラグがリセットされ、次いでステップ７７ではΣＳＯＸがクリアされる。

ところでＳＯ_xトラップ触媒１２からＳＯ_xが放出されるとこのＳＯ_xはＮＯ_x選択還元触媒１６に吸着しているアンモニアＮＨ₃と反応し、その結果硫化水素Ｈ₂Ｓが発生する。このとき発生する硫化水素Ｈ₂Ｓの濃度は概略的に言うと吸着アンモニア量Ｑに比例し、ＮＯ_x選択還元触媒１６に流入する排気ガス中のＳＯ_x濃度、即ちＳＯ_xトラップ触媒１２から放出されたＳＯ_xの濃度ＤＳに比例する。図７はＮＯ_x選択還元触媒１６から流出して大気中に排出される排気ガス中の硫化水素Ｈ₂Ｓの等濃度曲線ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅを示しており、図７において曲線ａから曲線ｅに向かうに従って硫化水素Ｈ₂Ｓの濃度ＤＮが次第に高くなる。

ところで大気中に排出される硫化水素Ｈ₂Ｓの濃度ＤＮが高くなると強力な刺激臭が発生し、従って硫化水素Ｈ₂Ｓの排出濃度ＤＮは刺激臭をほとんど感じることのない許容濃度以下に抑えることが必要となる。この刺激臭をほとんど感じることのない許容濃度が図７においてＤＮＯで示されている。そこで本発明では硫化水素Ｈ₂Ｓの排出濃度ＤＮを許容濃度ＤＮＯ以下に抑えるようにしている。

この場合、ＮＯ_x選択還元触媒１６に吸着している吸着アンモニア量Ｑを減少させても、或いはＳＯ_xトラップ触媒１２からのＳＯ_x放出濃度ＤＳ、即ちＳＯ_xトラップ触媒１２からのＳＯ_x放出量を減少させても硫化水素Ｈ₂Ｓの排出濃度ＤＮは減少する。従って本発明では、ＳＯ_xトラップ触媒１２からＳＯ_xを放出させるときにはＳＯ_x放出時に硫化水素Ｈ₂Ｓの排出濃度ＤＮが予め定められた許容濃度ＤＮＯ以下となるようにＳＯ_x放出前にＮＯ_x選択還元触媒１６に吸着している吸着アンモニア量Ｑを減少させるか、或いはＳＯ_x放出時にＳＯ_xトラップ触媒１２からのＳＯ_x放出量を減少させるようにしている。

次に図８から図１５を参照しつつ種々の実施例について順次説明する。
本発明による第１実施例では、ＳＯ_xトラップ触媒１２からＳＯ_xを放出させたときに硫化水素Ｈ₂Ｓの排出濃度ＤＮが許容濃度ＤＮＯ以上になるか否かを予測する予測手段を具備しており、ＳＯ_x放出時に硫化水素Ｈ₂Ｓの排出濃度ＤＮが許容濃度ＤＮＯ以上になると予測されたときにはＳＯ_x放出時に硫化水素Ｈ₂Ｓの排出濃度ＤＮが許容濃度ＤＮＯ以下となるようにＳＯ_x放出前にＮＯ_x選択還元触媒１６に吸着している吸着アンモニア量Ｑが減少せしめられる。

なおこの場合、尿素水の供給を停止すると吸着しているアンモニアＮＨ₃は排気ガス中に含まれるＮＯ_xによって徐々に消費され、従って吸着アンモニア量Ｑは徐々に減少する。従ってこの第１実施例では尿素水の供給を停止することによって吸着アンモニア量Ｑが減少せしめられる。なお、この場合、尿素水の供給量を減少させても吸着アンモニア量Ｑを減少させることができる。従って尿素水の供給を停止する代りに尿素水の供給量を減少させることもできる。

硫化水素Ｈ₂Ｓの排出濃度ＤＮが許容濃度ＤＮＯ以下になると刺激臭はほとんど感じなくなる。従ってこの第１実施例では硫化水素Ｈ₂Ｓの排出濃度ＤＮが許容濃度ＤＮＯ以下になったときにＳＯ_xトラップ触媒１２からＳＯ_xを放出させるようにしている。

図８はこの第１実施例を実行するために図５および図６に示すルーチンに加えて実行されるＳＯ_x放出制御ルーチンを示しており、このルーチンも一定時間毎の割込みによって実行される。
図８を参照すると、まず初めにステップ８０においてＳＯ_x放出フラグがセットされているか否かが判別され、ＳＯ_x放出フラグがセットされていないときには処理サイクルを完了する。これに対し、ＳＯ_x放出フラグがセットされているときにはステップ８１に進み、図５に示すルーチンにおいて算出されている吸着アンモニア量Ｑが読込まれる。

次いでステップ８２ではＳＯ_xトラップ触媒１２からＳＯ_xを放出させたときの放出ＳＯ_x濃度ＤＳが予測される。即ち、ＳＯ_xトラップ触媒１２からＳＯ_xを放出させた場合の単位時間当りのＳＯ_x放出量（ｇ／sec）は図３（Ａ）に示すＳＯ_x放出速度Ｗ（ｇ／sec）と図３（Ｂ）に示すＳＯ_x放出率Ｋとの積Ｗ・Ｋで表わされ、従ってこのＳＯ_x放出量Ｗ・Ｋを単位時間当りの排気ガスの体積流量Ｇ（ｌ／sec）で除算することによってＳＯ_xトラップ触媒１２からの放出ＳＯ_x濃度ＤＳ（＝Ｗ・Ｋ／Ｇ）を予測することができる。なお、排気ガスの体積流量Ｇは要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

次いでステップ８３ではステップ８１において読込まれた吸着アンモニア量Ｑおよびステップ８２において予測された放出ＳＯ_x濃度ＤＳに基づいて図７に示す関係から硫化水素Ｈ₂Ｓの排出濃度ＤＮが予測される。次いでステップ８４では硫化水素Ｈ₂Ｓの排出濃度ＤＮが図７に示される許容濃度ＤＮＯ以下であるか否かが判別される。ＤＮ≧ＤＮＯのときにはステップ８７に進む。

ステップ８７ではＳＯ_x放出許可指令が解除される。即ち、ＳＯ_x放出許可指令が発せられていない状態とされる。従って図６に示すＳＯ_x放出処理ルーチンからわかるようにこのときＳＯ_x放出処理は実行されず、ＳＯ_x放出処理の待機状態となる。次いでステップ８８では尿素水の供給停止指令が発せられ、このとき図５に示す尿素水の供給制御ルーチンからわかるように尿素水の供給が停止される。このようにＳＯ_x放出処理の実行が待機状態とされ、尿素水の供給が停止されると吸着アンモニア量Ｑは次第に減少し、それにより硫化水素Ｈ₂Ｓの排出濃度ＤＮの予測値が次第に減少する。

次いでステップ８４においてＤＮ＞ＤＮＯになったと判断されるとステップ８５に進んでＳＯ_x放出許可指令が発せられる。その結果、図６に示すルーチンからわかるようにＳＯ_x放出処理が実行される。このとき硫化水素Ｈ₂Ｓの排出濃度ＤＮは許容濃度ＤＮＯ以下となる。次いでステップ８６において尿素水の供給停止指令が解除され、尿素水の供給が再開される。なお、この尿素水の供給の再開は、ＳＯ_x放出許可指令が発生せしめられた後、ＳＯ_x放出量が或る程度低下した後に行うのが好ましい。

図９および図１０に第２実施例を示す。この第２実施例を実行するための図９に示すＳＯ_x放出制御ルーチンにおいて図８に示すルーチンと異なるところはステップ８９のみであり、その他のステップ８０から８８は図８に示すルーチンと同じである。従って図９に示されるＳＯ_x放出制御ルーチンについてはステップ８９のみを説明し、その他のステップ８０から８８についての説明を省略する。

この第２実施例ではＳＯ_xトラップ触媒１２からのＳＯ_x放出処理の待機状態のときに吸着アンモニア量Ｑを急速に減少させるために機関から排出されるＮＯ_x量を増大するようにしている。即ち、この第２実施例では図９のステップ８９において排出ＮＯ_xの増量制御が行われる。

この排出ＮＯ_xの増量制御は例えば図１０（Ａ）に示すように燃料噴射弁３からの燃料噴射時期を進行させることによって、或いはＥＧＲ率を低下させることによって行われる。また、この第２実施例では排出ＮＯ_x量を増量したときに機関から単位時間当り排出されるＮＯ_x量ＮＯＸＡが要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図１０（Ｂ）に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、排出ＮＯ_x量の増量制御が行われているときには図５に示されるステップ６０ではＮＯ_x量ＮＯＸＡが図１０（Ｂ）に示すマップから算出される。

ＳＯ_x放出フラグがセットされた後、ＳＯ_x放出処理の待機期間が長くなるとリーン空燃比のもとでＳＯ_xトラップ触媒１２からＳＯ_xが流出し出す危険性がある。この場合、第２実施例におけるように排出ＮＯ_xを増量させると吸着アンモニア量が急速に減少するためにＳＯ_x放出処理の待機期間を短かくすることができる。その結果、リーン空燃比のもとでＳＯ_xトラップ触媒１２からＳＯ_xが流出するのを阻止することができる。

図１１および図１２に第３実施例を示す。この第３実施例を実行するための図１１に示すＳＯ_x放出制御ルーチンにおいて図８に示すルーチンと異なるところはステップ８９から９１のみであり、その他のステップ８０から８８は図８に示すルーチンと同じである。従って図１１に示されるＳＯ_x放出制御ルーチンについてはステップ８９から９１のみを説明し、その他のステップ８０から８８についての説明を省略する。

この第３実施例ではＳＯ_xトラップ触媒１２からのＳＯ_x放出処理の待機状態のときに吸着アンモニア量Ｑを急速に減少させるためにＮＯ_x選択還元触媒１６を昇温するようにしている。即ち、この第３実施例では図１１のステップ８９においてＮＯ_x選択還元触媒１６の昇温制御が行われる。このＮＯ_x選択還元触媒１６の昇温制御は、例えば燃料噴射時期を遅角させ、それによりリーン空燃比のもとで排気ガス温を上昇させることによって行われる。

図１２（Ａ），（Ｂ）は夫々ＮＯ_x選択還元触媒１６からの吸着アンモニアＮＨ₃の脱離率Ｋ１，Ｋ２を示している。図１２（Ａ）に示されるように吸着アンモニアＮＨ₃の脱離率Ｋ１はＮＯ_x選択還元触媒１６の床温ＴＳが高くなると急速に上昇し、従ってＮＯ_x選択還元触媒１６を昇温させることによって吸着アンモニア量Ｑを急速に減少させうることがわかる。また、図１２（Ｂ）に示されるように脱離率Ｋ２は排気ガスの体積流量Ｇが増大するほど大きくなる。

吸着アンモニアの脱離量は吸着アンモニア量Ｑに脱離率Ｋ１およびＫ２を乗算することによって得られる。従ってこの第３実施例では図１１に示されるようにステップ８９においてＮＯ_x選択還元触媒１６の昇温制御が行われているときにステップ９０において図１２（Ａ），（Ｂ）から脱離率Ｋ１，Ｋ２が算出され、次いでステップ９１では吸着アンモニア量Ｑから脱離量（Ｋ１・Ｋ２・Ｑ）が減算される。従って吸着アンモニア量Ｑは徐々に減少することになる。

図１３および図１４は、簡便な方法によってＳＯ_xトラップ触媒からＳＯ_xを放出させるときには硫化水素Ｈ₂Ｓの排出濃度ＤＮが許容濃度ＤＮＯ以下となるようにした第４実施例を示している。この第４実施例では図１３に示されるように放出ＮＯ_x濃度ＤＳには関係なく、吸着アンモニア量Ｑのみに対する許容吸着量ＱＸが設定されている。

即ち、この第４実施例ではＳＯ_xトラップ触媒１２からＳＯ_xを放出すべきときにＮＯ_x選択還元触媒１６に吸着している吸着アンモニア量Ｑが予め定められている許容吸着量ＱＸ以上であると判断されたときにはＳＯ_x放出前に尿素水の供給が停止される。この場合にも、尿素水の供給を停止するのではなくて、尿素水の供給量を減少させることもできる。

図１４はこの第４実施例を実行するために図５および図６に示すルーチンに加えて実行されるＳＯ_x放出制御ルーチンを示している。
図１４を参照すると、まず初めにステップ１００においてＳＯ_x放出フラグがセットされているか否かが判別され、ＳＯ_x放出フラグがセットされていないときには処理サイクルを完了する。これに対し、ＳＯ_x放出フラグがセットされているときにはステップ１０１に進み、図５に示すルーチンにおいて算出されている吸着アンモニア量Ｑが読込まれる。

次いでステップ１０２では吸着アンモニア量Ｑが許容吸着量ＱＸ以下であるか否かが判別され、Ｑ≧ＱＸのときにはステップ１０５に進む。ステップ１０５ではＳＯ_x放出許可指令が解除される。即ち、ＳＯ_x放出許可指令が発せられていない状態とされる。従って図６に示すＳＯ_x放出処理ルーチンからわかるようにこのときＳＯ_x放出処理は実行されない。次いでステップ１０６では尿素水の供給停止指令が発せられ、このとき図５に示す尿素水の供給制御ルーチンからわかるように尿素水の供給が停止される。

一方、ステップ１０２においてＱ＜ＱＸであると判断されるとステップ１０３に進んでＳＯ_x放出許可指令が発せられる。その結果、図６に示すルーチンからわかるようにＳＯ_x放出処理が実行される。次いでステップ１０４において尿素水の供給停止指令が解除され、尿素水の供給が再開される。

一方、図７に示されるようにＳＯ_xトラップ触媒１２からのＳＯ_x放出時に放出ＮＯ_x濃度ＤＳが低いときには吸着アンモニア量Ｑにかかわらずに硫化水素Ｈ₂Ｓの排出濃度ＤＮが許容濃度ＤＮＯ以下となる。そこで第５実施例ではＳＯ_xトラップ触媒１２からＳＯ_xを放出させるときには硫化水素Ｈ₂Ｓの排出濃度ＤＮが許容濃度ＤＮＯ以下となるようにＳＯ_xトラップ触媒１２からのＳＯ_x放出量を減少させるようにしている。

即ち、この第５実施例では図１５に示されるようにＳＯ_x放出時に放出ＮＯ_x濃度ＤＳがいかなる濃度であっても硫化水素Ｈ₂Ｓの排出濃度ＤＮが許容濃度ＤＮＯ以下となる吸着アンモニア量Ｑの許容吸着量ＱＸが予め設定されており、ＳＯ_x放出時に吸着アンモニア量Ｑがいかなる量であっても硫化水素Ｈ₂Ｓの排出濃度ＤＮが許容濃度ＤＮＯ以下となる放出ＮＯ_x濃度ＤＳの許容濃度ＤＸが予め設定されており、これら許容吸着量ＱＸおよび許容濃度ＤＸを用いてＮＯ_xの放出制御が行われる。

即ち、図１５においてＱ＜ＱＸの領域では放出ＳＯ_x濃度ＤＳにかかわらずにＤＮ＜ＤＮＯとなる。従ってこの第５実施例ではＱ＜ＱＸのときにはＳＯ_xトラップ触媒１２から多量のＳＯ_x放出させるために空燃比がリッチ度合の高い目標空燃比とされる。これに対し、図１５においてＱ≧ＱＸの領域では放出ＳＯ_x濃度ＤＳが許容濃度ＤＸとなるように空燃比のリッチ度合が低下せしめられる。このときの空燃比は次のようにして算出される。

即ち、前述したようにＳＯ_xトラップ触媒１２からＳＯ_xを放出させた場合の単位時間当りのＳＯ_x放出量（ｇ／sec）は図３（Ａ）に示すＳＯ_x放出速度Ｗ（ｇ／sec）と図３（Ｂ）に示すＳＯ_x放出率Ｋとの積Ｗ・Ｋで表わされ、従ってこのＳＯ_x放出量Ｗ・Ｋを単位時間当りの排気ガスの体積流量Ｇ（ｌ／sec）で除算することによってＳＯ_xトラップ触媒１２からの放出ＳＯ_x濃度ＤＳ（＝Ｗ・Ｋ／Ｇ）を算出することができる。従って放出ＳＯ_x濃度ＤＳを許容濃度ＤＸにするにはＳＯ_x放出率Ｋを（ＤＸ・Ｇ／Ｗ）とすればよく、このＳＯ_x放出率Ｋから図３（Ｂ）に示す関係を用いて空燃比が算出される。

図１６はこの第５実施例を実行するために図５および図６に示すルーチンに加えて実行されるＳＯ_x放出制御ルーチンを示している。
図１６を参照すると、まず初めにステップ１１０においてＳＯ_x放出フラグがセットされているか否かが判別され、ＳＯ_x放出フラグがセットされていないときには処理サイクルを完了する。これに対し、ＳＯ_x放出フラグがセットされているときにはステップ１１１に進み、図５に示すルーチンにおいて算出されている吸着アンモニア量Ｑが読込まれる。

次いでステップ１１２では吸着アンモニア量Ｑが許容吸着量ＱＸよりも低いか否かが判別される。Ｑ＜ＱＸのときにはステップ１１３に進んでＳＯ_x放出時の空燃比がリッチ度合の高い目標空燃比とされ、次いでステップ１１６に進む。これに対し、Ｑ≧ＱＸのときにはステップ１１４に進んでＳＯ_x放出率Ｋ（＝ＤＫ・Ｇ／Ｗ）が算出され、次いでステップ１１５ではこのＳＯ_x放出率Ｋから図３（Ｂ）に示す関係に基づいてＳＯ_x放出時の空燃比が算出される。次いでステップ１１６に進む。

ステップ１１６ではＳＯ_x放出許可指令が発せられる。その結果、図６に示すルーチンからわかるようにＳＯ_x放出処理が実行される。なお、この第５実施例では尿素水の供給停止指令は発せられることがない。

圧縮着火式内燃機関の全体図である。 ＳＯ_xトラップ触媒の基体の表面部分の断面図である。 ＳＯ_xトラップ触媒からのＳＯ_x放出速度等を示す図である。 吸着アンモニア量Ｑ等を示す図である。 尿素水の供給を制御するためのフローチャートである。 ＳＯ_xの放出処理を行うためのフローチャートである。 硫化水素Ｈ₂Ｓの排出濃度ＤＮおよび許容濃度ＤＮＯを示す図である。 ＳＯ_x放出制御の第１実施例を実行するためのフローチャートである。 ＳＯ_x放出制御の第２実施例を実行するためのフローチャートである。 機関からの排出ＮＯ_x量の増量制御を説明するための図である。 ＳＯ_x放出制御の第３実施例を実行するためのフローチャートである。 吸着アンモニアの脱離率を示す図である。 硫化水素Ｈ₂Ｓの排出濃度ＤＮの許容濃度ＤＮＯ等を示す図である。 ＳＯ_x放出制御の第４実施例を実行するためのフローチャートである。 硫化水素Ｈ₂Ｓの排出濃度ＤＮの許容濃度ＤＮＯ等を示す図である。 ＳＯ_x放出制御の第５実施例を実行するためのフローチャートである。

符号の説明

４ 吸気マニホルド
５ 排気マニホルド
７ 排気ターボチャージャ
１２ ＳＯ_xトラップ触媒
１３ 酸化触媒
１４ パティキュレートフィルタ
１６ ＮＯ_x選択還元触媒
１７ 尿素水供給弁

Claims (9)

1. 機関排気通路内に、排気ガスの空燃比がリーンのときにアンモニアによって排気ガス中のＮＯ_xを選択的に還元しうるＮＯ_x選択還元触媒を配置した内燃機関において、該ＮＯ_x選択還元触媒上流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＳＯ_xを捕獲しうるＳＯ_xトラップ触媒を配置し、ＳＯ_xトラップ触媒からＳＯ_xを放出させるときにはＳＯ_x放出時に硫化水素の排出濃度が予め定められた許容濃度以下となるようにＳＯ_x放出前にＮＯ_x選択還元触媒に吸着している吸着アンモニア量を減少させるか、或いはＳＯ_x放出時にＳＯ_xトラップ触媒からのＳＯ_x放出量を減少させる内燃機関の排気浄化装置。
2. ＳＯ_xトラップ触媒からＳＯ_xを放出させたときに硫化水素の排出濃度が予め定められた許容濃度以上になるか否かを予測する予測手段を具備しており、ＳＯ_x放出時に硫化水素の排出濃度が予め定められた許容濃度以上になると予測されたときにはＳＯ_x放出時に硫化水素の排出濃度が予め定められた許容濃度以下となるようにＳＯ_x放出前にＮＯ_x選択還元触媒に吸着している吸着アンモニア量を減少させるか、或いはＳＯ_x放出時にＳＯ_xトラップ触媒からのＳＯ_x放出量を減少させる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. ＳＯ_xトラップ触媒からＳＯ_xを放出させるときにはＳＯ_x放出前にＮＯ_x選択還元触媒に吸着している吸着アンモニア量が予め定められている許容吸着量以下になるように吸着アンモニア量を減少させる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. ＳＯ_xトラップ触媒からＳＯ_xを放出すべきときにＮＯ_x選択還元触媒に吸着している吸着アンモニア量が予め定められている許容吸着量以上であるか否かを判断する判断手段を具備しており、該判断手段によってＮＯ_x選択還元触媒に吸着している吸着アンモニア量が予め定められている許容吸着量以上であると判断されたときにはＳＯ_x放出前にＮＯ_x選択還元触媒に吸着している吸着アンモニア量が予め定められている許容吸着量以下になるように吸着アンモニア量を減少させる請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. ＳＯ_xトラップ触媒からＳＯ_xを放出させるときにはＳＯ_xトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. ＮＯ_x選択還元触媒上流の機関排気通路内に尿素水供給弁を配置し、ＳＯ_xトラップ触媒からＳＯ_xを放出させたときに硫化水素の排出濃度が予め定められた許容濃度以上になると予測されるときにはＳＯ_x放出時に硫化水素の排出濃度が予め定められた許容濃度以下になるようにＳＯ_x放出前に尿素水の供給量を減少させるか、又は尿素水の供給を停止するようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 尿素水の供給量が減少せしめられるか、又は尿素水の供給が停止されたときには機関から排出されるＮＯ_x量を増大させるようにした請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 尿素水の供給量が減少せしめられるか、又は尿素水の供給が停止されたときにはＮＯ_x選択還元触媒を昇温させるようにした請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. ＳＯ_xトラップ触媒からＳＯ_xを放出すべきときにＮＯ_x選択還元触媒に吸着している吸着アンモニア量が予め定められている許容吸着量以上であると判断されたときにはＳＯ_x放出前に尿素水の供給量を減少させるか、又は尿素水の供給を停止するようにした請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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