JP2018193867A

JP2018193867A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2018193867A
Application number: JP2017095584A
Authority: JP
Inventors: 佳久塚本; Yoshihisa Tsukamoto; 哲哉佐久間; Tetsuya Sakuma
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-05-12
Filing date: 2017-05-12
Publication date: 2018-12-06

Abstract

【課題】ＳＣＲ触媒の昇温に要するエネルギが不要に消費されることを抑制しつつ、ＳＣＲ触媒の具備する遷移金属イオンの回復を図る。【解決手段】ＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒが回復温度Ｔｒｅｓより低く且つ要求回復量ΣＡｃｕ＋が所定の閾値Ｔｈｒｅより多い場合において、ＳＣＲ触媒がリーン雰囲気にあれば、該ＳＣＲ触媒を回復温度Ｔｒｅｓ以上へ昇温させるとともに、ＳＣＲ触媒が回復温度Ｔｒｅｓ以上となる状態が所定期間継続されるように加熱装置を制御する処理である回復処理が実行される。一方、ＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒが回復温度Ｔｒｅｓより低く且つ要求回復量ΣＡｃｕ＋が所定の閾値Ｔｈｒｅより多い場合において、ＳＣＲ触媒がリッチ雰囲気又はストイキ雰囲気にあれば、回復処理が実行されない。【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に選択還元型触媒（ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒）を具備する排気浄化装置に関する。

希薄燃焼運転される内燃機関の排気浄化装置として、排気通路に配置されるＳＣＲ触媒と、該ＳＣＲ触媒へ流入する排気に還元剤又は還元剤の前駆体である添加剤を添加する添加装置と、ＳＣＲ触媒を加熱するためのヒータと、を備え、内燃機関が始動される直前に、ヒータによってＳＣＲ触媒を活性温度まで加熱するように構成されたものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００２−０４７９２２号公報

ＳＣＲ触媒におけるＮＯ_Ｘ還元作用は、該ＳＣＲ触媒の触媒担体に担持されている遷移金属イオンの働きにより発現する。詳細には、上記遷移金属イオンは、添加装置から供給される還元剤を吸着する。還元剤を吸着した遷移金属イオンのイオン価数がＮＯ_Ｘ還元に必要な価数であれば（以下、このような状態を「基準状態」と称する）、該遷移金属イオンが還元剤と排気中のＮＯ_Ｘと反応させることで、排気中のＮＯ_ＸをＮ_２に還元させる。その際、遷移金属イオンのイオン価数がＮＯ_Ｘ還元に必要な価数より少なくなるため、該遷移金属イオンのＮＯ_Ｘ還元能力が低下する（以下、このような状態を「低下状態」と称する）。ただし、低下状態の遷移金属イオンには、上記した還元剤とＮＯ_Ｘとの反応時にＨ^＋が吸着する。低下状態の遷移金属イオンに吸着したＨ^＋が排気に含まれるＯ_２等の酸化成分と反応すると、該遷移金属イオンが再酸化されて、該遷移金属イオンのイオン価数がＮＯ_Ｘ還元に必要なイオン価数に回復する。よって、ＳＣＲ触媒による連続的なＮＯ_Ｘ還元を実現するためには、低下状態に陥った遷移金属イオンのイオン価数をＮＯ_Ｘ還元に必要な価数に回復させる必要がある。

ところで、低下状態に陥った遷移金属イオンのイオン価数の回復（以下、「価数回復」と称する）は、基準状態にある遷移金属イオンによるＮＯ_Ｘ還元が発現し始める温度（活性温度）より高温の雰囲気において発現する。そこで、低下状態に陥った遷移金属イオンの価数回復が必要であると想定されるときに、ＳＣＲ触媒の温度を価数回復の発現する温度まで昇温させる方法が考えられる。しかしながら、ＳＣＲ触媒の温度を上記の価数回復が発現する温度まで昇温させた場合であっても、ＳＣＲ触媒にＯ_２等の酸化成分が存在しなければ、低下状態に陥った遷移金属イオンの価数を効果的に回復させること困難であるため、ＳＣＲ触媒の昇温に要するエネルギが不要に消費される可能性がある。

本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＳＣＲ触媒を具備する排気浄化装置において、ＳＣＲ触媒の昇温に要するエネルギが不要に消費されることを抑制しつつ、ＳＣＲ触媒の具備する遷移金属イオンの回復を図ることができる技術を提供することにある。

本発明は、上記した課題を解決するために、以下のような手段を採用した。すなわち、
本発明に係わる内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に配置される触媒であって、還元剤を利用して排気中のＮＯ_Ｘを選択的に還元させるための遷移金属イオンを具備する選択還元型触媒と、前記選択還元型触媒の温度を検出する検出手段と、前記選択還元型触媒を加熱する加熱装置と、前記選択還元型触媒の具備する遷移金属イオンのうち、価数回復が必要な遷移金属イオンの量である要求回復量を推定する推定手段と、前記検出手段により検出される温度が前記遷移金属イオンの価数回復が発現する温度である回復温度より低く且つ前記推定手段により推定される要求回復量が所定の閾値より多いときに、前記選択還元型触媒がリーン雰囲気にあれば、前記選択還元型触媒を前記回復温度以上まで昇温させ且つ前記選択還元型触媒が前記回復温度以上となる状態が所定期間継続されるように前記加熱装置を制御する処理である回復処理を実行し、前記選択還元型触媒がリッチ雰囲気又はストイキ雰囲気にあれば、前記回復処理を実行しない制御手段と、を備えるようにした。

本発明によれば、ＳＣＲ触媒の昇温に要するエネルギが不要に消費されることを抑制しつつ、ＳＣＲ触媒の具備する遷移金属イオンの回復を図ることができる。

本発明を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。ＳＣＲ触媒におけるＮＯ_Ｘ還元反応を模式的に示す図である。内燃機関の運転中における、要求回復量ΣＡｃｕ^＋、回復処理要求フラグＦｌｒ、ＳＣＲ触媒の空燃比ＡＦｓｃｒ、回復処理実行フラグＦｌｅ、加熱装置の作動状態、及びＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒの経時変化を示すタイミングチャートである。要求回復量ΣＡｃｕ^＋を推定する際にＥＣＵによって実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。回復処理要求フラグＦｌｒ及び回復処理実行フラグＦｌｅを切り替える際にＥＣＵによって実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。回復処理が実行される際にＥＣＵによって実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本発明に係る排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、軽油を燃料とする圧縮着火式の内燃機関（ディーゼルエンジン）である。なお、内燃機関１は、希薄燃焼運転可能な火花点火式の内燃機関（ガソリンエンジン）であってもよい。

内燃機関１には、気筒内から排出される既燃ガス（排気）を流通させるための排気通路２が接続されている。排気通路２の途中には、第１触媒ケーシング３が配置されている。第１触媒ケーシング３より下流の排気通路２には、第２触媒ケーシング４が配置されている。

第１触媒ケーシング３は、筒状のケーシング内にＮＳＲ触媒が担持された触媒担体と、パティキュレートフィルタと、を収容している。ＮＳＲ触媒は、排気の空燃比がリーン空燃比であるときは排気中のＮＯ_Ｘを吸蔵し、且つ排気の空燃比がリッチ空燃比であるときは吸蔵していたＮＯ_Ｘを放出させつつ排気中の還元成分（ＨＣやＣＯ等）と反応させることで、Ｎ_２に還元させる。パティキュレートフィルタは、排気中に含まれるＰＭ（Partic
ulate Matter）を捕集する。

第２触媒ケーシング４は、筒状のケーシング内に、ＳＣＲ触媒が担持された触媒担体を収容している。前記触媒担体は、例えば、ハニカム形状の横断面を有するモノリスタイプの基材に、アルミナ系又はゼオライト系の触媒担体をコーティングしたものである。そして、前記触媒担体には、遷移金属元素である銅（Ｃｕ）や鉄（Ｆｅ）等がイオン交換されて担持されている。このように構成されるＳＣＲ触媒は、排気中に含まれる還元剤を吸着し、且つその吸着された還元剤を利用して排気中のＮＯ_ＸをＮ_２に還元させる。なお、本実施形態では、ＳＣＲ触媒の触媒担体に担持される遷移金属イオンとして、銅イオンを用いるものとする。

また、第２触媒ケーシング４には、ＳＣＲ触媒を加熱するための加熱装置４０が併設されている。加熱装置４０は、電気エネルギを熱エネルギに変換することで、ＳＣＲ触媒を加熱する電気加熱式のヒータである。なお、加熱装置４０は、通電により発生する電磁波を利用して、ＳＣＲ触媒を加熱する電磁加熱器であってもよい。加熱装置４０は、ＳＣＲ触媒を電気加熱式触媒として形成することで実現されてもよい。加熱装置４０は、火炎によりＳＣＲ触媒を加熱するバーナーであってもよい。

第１触媒ケーシング３と第２触媒ケーシング４との間の排気通路２には、還元剤又は還元剤の前駆体である添加剤を排気中へ添加（噴射）するための添加弁５が配置されている。添加弁５は、ポンプ５０を介して添加剤タンク５１に接続されている。ポンプ５０は、添加剤タンク５１に貯留されている添加剤を吸引するとともに、吸引された添加剤を添加弁５へ圧送する。添加弁５は、ポンプ５０から圧送されてくる添加剤を排気通路２内へ噴射する。なお、添加剤タンク５１に貯留される添加剤としては、ＮＨ_３ガス、又は尿素やカルバミン酸アンモニウム等の水溶液を使用することができるが、本実施形態では、尿素水溶液を用いるものとする。

添加弁５から尿素水溶液が噴射されると、該尿素水溶液が排気とともに第２触媒ケーシング４へ流入する。その際、尿素水溶液が排気の熱を受けて熱分解され、又はＳＣＲ触媒により加水分解される。尿素水溶液が熱分解又は加水分解されると、ＮＨ_３が生成される。このようにして生成されたＮＨ_３は、ＳＣＲ触媒に吸着される。ＳＣＲ触媒に吸着されたＮＨ_３は、排気中に含まれるＮＯ_Ｘと反応してＮ_２やＨ_２Ｏを生成する。

このように構成された内燃機関１には、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１０が併
設されている。ＥＣＵ１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ等を備えた電子制御ユニットである。ＥＣＵ１０には、第１ＮＯ_Ｘセンサ６、第２ＮＯ_Ｘセンサ７、排気温度センサ８、空燃比センサ９、クランクポジションセンサ１１、アクセルポジションセンサ１２、及びエアフローメータ１３等の各種センサが電気的に接続されている。

第１ＮＯ_Ｘセンサ６は、第１触媒ケーシング３と第２触媒ケーシング４の間の排気通路２に配置され、第２触媒ケーシング４へ流入する排気のＮＯ_Ｘ濃度に相関する電気信号を出力する。第２ＮＯ_Ｘセンサ７は、第２触媒ケーシング４より下流の排気通路２に配置され、第２触媒ケーシング４から流出する排気のＮＯ_Ｘ濃度に相関する電気信号を出力する。排気温度センサ８は、第２触媒ケーシング４より下流の排気通路２に配置され、第２触媒ケーシング４から流出する排気の温度と相関する電気信号を出力する。空燃比センサ９は、第１触媒ケーシング３と第２触媒ケーシング４との間の排気通路２に配置され、該排気通路２を流れる排気の空燃比に相関する電気信号を出力する。

クランクポジションセンサ１１は、内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）の回転位置に相関する電気信号を出力する。アクセルポジションセンサ１２は、アクセルペダルの
操作量（アクセル開度）に相関する電気信号を出力する。エアフローメータ１３は、内燃機関１に吸入される空気の量（質量）に相関する電気信号を出力する。

また、ＥＣＵ１０は、内燃機関１に取り付けられた各種機器（例えば、燃料噴射弁等）に加え、上記した添加弁５、加熱装置４０、及びポンプ５０等と電気的に接続されている。ＥＣＵ１０は、前記した各種センサの出力信号に基づいて、内燃機関１の各種機器、添加弁５、加熱装置４０、及びポンプ５０等を電気的に制御する。例えば、ＥＣＵ１０は、内燃機関１の機関負荷や機関回転速度に応じて燃料噴射弁の噴射量や噴射時期を制御する燃料噴射制御や、添加弁５から間欠的に添加剤を噴射させる添加制御等の既知の制御に加え、ＳＣＲ触媒の回復処理を実行する。ここでいう回復処理は、ＳＣＲ触媒の具備する銅イオンのイオン価数を、ＮＯ_Ｘ還元に必要な価数に回復させるための処理である。以下では、本実施形態における回復処理について説明する。

先ず、ＳＣＲ触媒におけるＮＯ_Ｘ還元反応について、図２に基づいて説明する。図２は、当該ＮＯ_Ｘ還元反応をその説明のために模式的に示した図である。ＳＣＲ触媒におけるＮＯ_Ｘ還元反応は、触媒担体に担持されている銅イオン上で生じており、それは概略的に４つのステップ(a)〜(d)に分けられると考えられる。先ず、ステップ(a)では、イオン価
数がＮＯ_Ｘ還元に必要な価数（２＋）となっている銅イオン（Ｃｕ^２＋）に対してＮＨ_３が吸着する。続くステップ(b)では、その銅イオンに対してＮＯ_Ｘ（ＮＯ）が吸着する。
その結果、ステップ(c)において、ＮＨ_３とＮＯとの反応が生じることで、Ｎ_２とＨ_２Ｏ
が生成されるとともに、銅イオンのイオン価数が１＋に減少する。銅イオンのイオン価数が１＋に減少すると、該銅イオンのＮＯ_Ｘ還元能力が低下する（低下状態）。ただし、低下状態の銅イオンＣｕ^＋には、ステップ(c)において生成される水素イオンＨ^＋が吸着し
た状態となっている。そして、ステップ(d)で、この状態の銅イオンＣｕ^＋に対して酸素
（１／４Ｏ_２）等の酸化成分が供給されると、該銅イオンＣｕ^＋が再酸化される。銅イオンが再酸化されると、銅イオンのイオン価数がＮＯ_Ｘ還元に必要な２＋に回復した状態になる（基準状態）。これにより、再びステップ(a)からの反応が順次継続できるようにな
り、ＳＣＲ触媒による連続的なＮＯ_Ｘ還元が可能となる。

このようにＳＣＲ触媒において、連続的なＮＯ_Ｘ還元を実現するためには、前記ステップ(d)における銅イオンＣ^＋の価数回復（Ｃｕ^＋→Ｃｕ^２＋）が必要であると考えられる
。しかしながら、低下状態に陥った銅イオンＣｕ^＋の価数回復は、基準状態の銅イオンＣｕ^２＋によるＮＯ_Ｘ還元が発現し始める温度（活性温度）より高温の雰囲気であって、且つＯ_２等の酸化成分の存在する雰囲気において発現する。そのため、内燃機関１の運転状態によっては、基準状態の銅イオンＣｕ^２＋によるＮＯ_Ｘ還元が発現するものの、低下状態の銅イオンＣｕ^＋の価数回復が発現しない状態が続く場合があり得る。例えば、内燃機関１の低負荷運転が続いたり、ＳＣＲ触媒へ流入する排気の空燃比が理論空燃比以下となる状態が続いたりすると、基準状態の銅イオンＣｕ^２＋によるＮＯ_Ｘ還元が発現するものの、低下状態の銅イオンＣｕ^＋の価数回復が発現しない状態が続く可能性が高い。そのような状態が続くと、低下状態の銅イオンＣｕ^＋の量が多くなると同時に基準状態の銅イオンＣｕ^２＋の量が少なくなるため、ＳＣＲ触媒のＮＯ_Ｘ浄化性能が低下したり、ＳＣＲ触媒による連続的なＮＯ_Ｘ還元が困難になったりする可能性がある。

そこで、本実施形態においては、低下状態にある銅イオンＣｕ^＋の量が所定の閾値より多く、且つＳＣＲ触媒の温度が回復温度未満である場合において、ＳＣＲ触媒がリーン雰囲気であれば回復処理が実行され、ＳＣＲ触媒がリッチ雰囲気又はストイキ雰囲気にあれば回復処理が実行されないようにした。本実施形態における回復処理は、ＳＣＲ触媒の温度を回復温度以上まで昇温させ、且つその状態が所定期間継続されるように、加熱装置４０を制御する処理である。ここでいう「回復温度」は、前述したように、低下状態の銅イオンＣｕ^＋の価数回復が発現する温度であり、基準状態の銅イオンＣｕ^２＋によるＮＯ_Ｘ
還元が発現し始める温度（例えば、１５０℃以上）より高い温度（例えば、２００℃以上）である。また、前記所定期間は、低下状態にある銅イオンＣｕ^＋の量が所定の目標値へ減少するまでに要する期間である。

ここで、図３に基づいて、回復処理の実行方法について説明する。図３は、内燃機関１の運転中における、低下状態にある銅イオンＣｕ^＋量（要求回復量）ΣＡｃｕ^＋、回復処理要求フラグＦｌｒ、ＳＣＲ触媒の空燃比ＡＦｓｃｒ、回復処理実行フラグＦｌｅ、加熱装置４０の作動状態、及びＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒの経時変化を示す図である。
回復処理要求フラグＦｌｒは、要求回復量ΣＡｃｕ^＋が所定の閾値Ｔｈｒｅより多くなったときにｏｎにされて、その後に要求回復量ΣＡｃｕ^＋が前記所定の閾値Ｔｈｒｅより小さな所定の目標値Ｔｒｇまで減少したときにｏｆｆにされるフラグである。回復処理実行フラグＦｌｅは、回復処理要求フラグＦｌｒがｏｎである状態において、ＳＣＲ触媒の空燃比ＡＦｓｃｒがリーン雰囲気であり且つＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒが回復温度Ｔｒｅｓ未満であるときにｏｎにされ、ＳＣＲ触媒の空燃比ＡＦｓｃｒがリッチ空燃比又は理論空燃比にあるときにｏｆｆにされるフラグである。なお、回復処理要求フラグＦｌｒがｏｆｆであるときは、回復処理実行フラグＦｌｅもｏｆｆにされる。ここでいう「所定の閾値Ｔｈｒｅ」は、要求回復量ΣＡｃｕ^＋が該所定の閾値Ｔｈｒｅより多くなると、ＳＣＲ触媒のＮＯ_Ｘ浄化性能が低下したり、ＳＣＲ触媒による連続的なＮＯ_Ｘ還元が困難になったりすると想定される量である。また、「所定の目標値Ｔｒｇ」は、要求回復量ΣＡｃｕ^＋が該所定の目標値Ｔｒｇ以下であれば、ＳＣＲ触媒のＮＯ_Ｘ浄化性能が所望のＮＯ_Ｘ浄化性能となり、且つＳＣＲ触媒による連続的なＮＯ_Ｘ還元が可能になると想定される値である。これら所定の閾値Ｔｈｒｅと所定の目標値Ｔｒｇとは、実験やシミュレーション等の結果から求めておくものとする。

図３に示すように、内燃機関１の運転中において、要求回復量ΣＡｃｕ^＋が所定の閾値Ｔｈｒｅより多くなったときに（図３中のｔ１）、回復処理要求フラグＦｌｒがｏｆｆからｏｎへ切り替えられる。その際、図３に示す例では、ＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒが回復温度Ｔｒｅｓ未満であるものの、ＳＣＲ触媒の空燃比ＡＦｓｃｒがリッチ空燃比であるため、回復処理実行フラグＦｌｅはｏｆｆのままとなり、それに伴って加熱装置４０も停止状態のままとなる。その後、ＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒが回復温度Ｔｒｅｓ未満の状態で、該ＳＣＲ触媒の空燃比ＡＦｓｃｒがリーン空燃比になると（図３中のｔ２）、回復処理実行フラグＦｌｅがｏｆｆからｏｎへ切り替えられ、それに伴って加熱装置４０がｏｆｆからｏｎへ切り替えられることで、回復処理が開始される。回復処理が開始されると、ＳＣＲ触媒が加熱装置４０により加熱されるため、該ＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒが上昇し始める。そして、ＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒが回復温度Ｔｒｅｓに達すると（図３中のｔ３）、低下状態の銅イオンＣｕ^＋の価数回復が発現し始めることで、要求回復量ΣＡｃｕ^＋が減少し始める。

また、本実施形態の回復処理では、加熱装置４０がＳＣＲ触媒を加熱することで、該ＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒが回復温度Ｔｒｅｓ以上の目標温度Ｔｔｒｇに達すると（図３中のｔ４）、ＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒが当該目標温度Ｔｔｒｇに維持されるように加熱装置４０が制御される。例えば、ＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒが目標温度Ｔｔｒｇ以上になると加熱装置４０を停止させ、且つＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒが目標温度Ｔｔｒｇ未満になると加熱装置４０を再作動させる処理を繰り返し実行すればよい。なお、ここでいう目標温度Ｔｔｒｇは、消費電力と価数回復速度とのバランス等を考慮して決定される温度である。ところで、回復処理が開始される時点において、銅イオンの少なくとも一部にＮＨ_３が吸着している可能性がある。そのため、回復処理の実行中にＳＣＲ触媒の温度が過剰に高められると、銅イオンに吸着していたＮＨ_３が脱離したり、又は酸化したりする可能性がある。よって、前記目標温度Ｔｔｒｇは、ＮＨ_３の脱離し始める温度（以下、「脱離温度」と称する）未満に制限されるものとする。ＳＣＲ触媒の空燃比ＡＦｓｃｒがリーン空
燃比であるときに、ＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒが上記の目標温度Ｔｔｒｇに維持されると、低下状態にある銅イオンＣｕ^＋の価数回復を効率的に図ることができる。そして、要求回復量ΣＡｃｕ^＋が所定の目標値Ｔｒｇまで減少すると（図３中のｔ５）、回復処理要求フラグＦｌｒ及び回復処理実行フラグＦｌｅがｏｎからｏｆｆへ切り替えられるとともに、加熱装置４０が停止されることで、回復処理が終了する。

なお、上記の図３に示す例では、ｔ２〜ｔ５の期間におけるＳＣＲ触媒の空燃比ＡＦｓｃｒがリーン空燃比に保たれているが、内燃機関１の運転状態によっては上記の期間の途中でＳＣＲ触媒の空燃比ＡＦｓｃｒがリーン空燃比からリッチ空燃比又は理論空燃比へ変化する場合も考えられる。そのような場合は、ＳＣＲ触媒の空燃比ＡＦｓｃｒがリーン空燃比からリッチ空燃比又は理論空燃比へ変化したときに回復処理を中断（回復処理要求フラグＦｌｒをｏｎに維持した状態で、回復処理実行フラグＦｌｅをｏｆｆにし且つ加熱装置４０を停止）して、その後にＳＣＲ触媒の空燃比ＡＦｓｃｒがリッチ空燃比又は理論空燃比からリーン空燃比に復帰したときに回復処理を再開（回復処理実行フラグＦｌｅをｏｎにするとともに、加熱装置４０を再作動）すればよい。

上記した方法により回復処理が実行されると、加熱装置４０を不要に作動させることなく、低下状態の銅イオンＣｕ^＋の価数回復を図ることができる。また、回復処理の実行中におけるＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒが脱離温度未満に制限されるため、ＳＣＲ触媒に吸着していたＮＨ_３が不要に脱離することも抑制される。

以下、本実施形態における回復処理の実行手順について図４〜図６に基づいて説明する。図４は、要求回復量ΣＡｃｕ^＋を推定する際に、ＥＣＵ１０によって実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。この処理ルーチンは、予めＥＣＵ１０のＲＯＭに記憶されており、内燃機関１の運転中に周期的に実行される。

図４の処理ルーチンでは、ＥＣＵ１０は、先ずＳ１０１の処理において、ＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒ、単位時間あたりにＳＣＲ触媒へ流入するＯ_２量（流入Ｏ_２量）Ａｏ２、及び単位時間あたりにＳＣＲ触媒へ流入するＮＯ_Ｘ量（流入ＮＯ_Ｘ量）Ａｎｏｘを取得する。その際、ＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒは、排気温度センサ８の出力信号から推定される。なお、第１触媒ケーシング３より下流の排気通路２に加え、第１触媒ケーシング３と第２触媒ケーシング４との間の排気通路２にも排気温度センサが配置される場合は、２つの排気温度センサの出力信号の差と排気流量（エアフローメータ１３により測定される吸入空気量と燃料噴射量との総和）とに基づいて、ＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒが推定されてもよい。流入Ｏ_２量Ａｏ２は、第１触媒ケーシング３に収容されるＮＳＲ触媒の温度や内燃機関１の運転条件（例えば、吸入空気量、燃料噴射量、機関回転速度、機関温度等）に基づいて推定される。なお、第１触媒ケーシング３と第２触媒ケーシング４との間の排気通路２にＯ_２濃度センサを取り付けて、該Ｏ_２濃度センサの測定値と排気流量とから流入Ｏ_２量Ａｏ２を演算してもよい。流入ＮＯ_Ｘ量Ａｎｏｘは、第１ＮＯ_Ｘセンサ６の測定値と排気流量とに基づいて演算される。ＥＣＵ１０は、該Ｓ１０１の処理を実行し終えると、Ｓ１０２の処理へ進む。

Ｓ１０２の処理では、ＥＣＵ１０は、単位時間あたりに、低下状態から基準状態へ移行する銅イオン量（以下、「回復イオン量」と称する）Ａｃｕ^２＋を演算する。前述したように、ＳＣＲ触媒の温度が回復温度以上であり、且つＳＣＲ触媒内にＯ_２が存在するときに、低下状態にある銅イオンの価数回復が発現する。よって、回復イオン量Ａｃｕ^２＋は、ＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒと流入Ｏ_２量Ａｏ２とに相関すると言える。本実施形態では、それらの相関を実験又はシミュレーションの結果に基づいて求めておくとともに、その求められた相関をマップ化しておくものとする。そして、該Ｓ１０２の処理では、ＥＣＵ１０は、前記Ｓ１０１の処理で取得されたＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒと流入Ｏ_２量Ａｏ２
とを引数として、前記マップへアクセスすることにより、回復イオン量Ａｃｕ^２＋を導出する。ＥＣＵ１０は、Ｓ１０２の処理を実行し終えると、Ｓ１０３の処理へ進む。

Ｓ１０３の処理では、ＥＣＵ１０は、単位時間あたりに、基準状態から低下状態へ移行する銅イオン量（以下、「低下イオン量」と称する）Ａｃｕ^＋を演算する。基準状態の銅イオンＣｕ^２＋によるＮＯ_Ｘ還元は、ＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒが前記活性温度以上であり、且つＮＯ_ＸがＳＣＲ触媒へ流入するときに発現する。よって、低下イオン量Ａｃｕ^＋は、ＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒと流入ＮＯ_Ｘ量Ａｎｏｘとに相関すると言える。そこで、本実施形態では、それらの相関を実験又はシミュレーションの結果に基づいて求めておくとともに、その求められた相関をマップ化しておくものとする。そして、該Ｓ１０３の処理では、ＥＣＵ１０は、前記Ｓ１０１の処理で取得されたＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒと流入ＮＯ_Ｘ量Ａｎｏｘとを引数として、前記マップへアクセスすることにより、低下イオン量Ａｃｕ^＋を導出する。

Ｓ１０４の処理では、ＥＣＵ１０は、前記Ｓ１０３の処理で求められた低下イオン量Ａｃｕ^＋から、前記Ｓ１０２の処理で求められた回復イオン量Ａｃｕ^２＋を減算することにより、低下状態にある銅イオン量の単位時間あたりの変化分ΔＡｃｕ^＋（＝Ａｃｕ^＋−Ａｃｕ^２＋）を演算する。ここで、低下イオン量Ａｃｕ^＋が回復イオン量Ａｃｕ^２＋より多ければ、前記変化分ΔＡｃｕ^＋が正の値となるが、回復イオン量Ａｃｕ^２＋が低下イオン量Ａｃｕ^＋より多ければ、前記変化分ΔＡｃｕ^＋が負の値となる。

Ｓ１０５の処理では、その時点において低下状態に陥っている銅イオン量（要求回復量）ΣＡｃｕ^＋を演算する。詳細には、ＥＣＵ１０は、要求回復量の前回値ΣＡｃｕ^＋ｏｌｄに、前記Ｓ１０４の処理で算出された変化分ΔＡｃｕ^＋を加算することにより、要求回復量ΣＡｃｕ^＋を算出する。このようにして算出された要求回復量ΣＡｃｕ^＋は、内燃機関１の運転停止中もデータを保持可能なバックアップＲＡＭに記憶される。

上記したように、ＥＣＵ１０が図４の処理ルーチンを実行することにより、本発明に係わる「推定手段」が実現される。

図５は、回復処理要求フラグＦｌｒ及び回復処理実行フラグＦｌｅのｏｎ／ｏｆｆを切り替える際に、ＥＣＵ１０によって実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。この処理ルーチンは、予めＥＣＵ１０のＲＯＭに記憶されており、内燃機関１の運転中に周期的に実行される。

図５の処理ルーチンでは、ＥＣＵ１０は、先ずＳ２０１の処理において、低下状態にある銅イオンＣｕ^＋の量である、要求回復量ΣＡｃｕ^＋を取得する。具体的には、ＥＣＵ１０は、前述した図４の処理ルーチンで推定された要求回復量ΣＡｃｕ＋を、バックアップＲＡＭから読み出す。ＥＣＵ１０は、該Ｓ２０１の処理を実行し終えると、Ｓ２０２の処理へ進む。

Ｓ２０２の処理では、ＥＣＵ１０は、Ｓ２０１の処理で取得された要求回復量ΣＡｃｕ^＋が所定の閾値Ｔｈｒｅより多いか否かを判別する。該Ｓ２０２の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ２０３の処理へ進む。

Ｓ２０３の処理では、ＥＣＵ１０は、回復処理要求フラグＦｌｒをｏｎにする。その際、回復処理要求フラグＦｌｒが既にｏｎであれば、ＥＣＵ１０は、該回復処理要求フラグＦｌｒを引き続きｏｎ状態に維持すればよい。ＥＣＵ１０は、該Ｓ２０３の処理を実行した後に、Ｓ２０４の処理へ進む。

Ｓ２０４の処理では、ＥＣＵ１０は、ＳＣＲ触媒の空燃比ＡＦｓｃｒを取得する。本実施形態では、ＳＣＲ触媒の空燃比ＡＦｓｃｒとして、空燃比センサ９の出力信号（ＳＣＲ触媒へ流入する排気の空燃比）を用いるものとする。なお、空燃比センサ９の代わりに、第２触媒ケーシング４より下流の排気通路２に空燃比センサが配置されている場合は、ＥＣＵ１０は、その空燃比センサの出力信号（ＳＣＲ触媒から流出する排気の空燃比）を用いてもよい。また、ＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転状態や第１触媒ケーシング３のＮＳＲ触媒の状態等に基づいて、ＳＣＲ触媒の空燃比ＡＦｓｃｒを推定してもよい。Ｓ２０４の処理を実行し終えると、ＥＣＵ１０は、Ｓ２０５の処理へ進む。

Ｓ２０５の処理では、ＥＣＵ１０は、前記Ｓ２０４の処理で取得された空燃比ＡＦｓｃｒがリーン空燃比であるか否かを判別する。該Ｓ２０５の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ２０６の処理へ進む。

Ｓ２０６の処理では、ＥＣＵ１０は、ＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒを取得する。ＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒは、前述した図４におけるＳ１０１の処理と同様の方法によって取得される。なお、ＥＣＵ１０が該Ｓ２０６の処理を実行することにより、本発明に係わる「検出手段」が実現される。ＥＣＵ１０は、該Ｓ２０６の処理を実行し終えると、Ｓ２０７の処理へ進む。

Ｓ２０７の処理では、ＥＣＵ１０は、前記Ｓ２０６の処理で取得された温度Ｔｓｃｒが回復温度Ｔｒｅｓ未満であるか否かを判別する。該Ｓ２０７の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ２０８の処理へ進む。

ここで、前記Ｓ２０７の処理で肯定判定された場合は、回復処理要求フラグＦｌｒがｏｎである状態において、ＳＣＲ触媒の空燃比ＡＦｓｃｒがリーン雰囲気であり且つＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒが回復温度Ｔｒｅｓ未満であることになる。そのため、Ｓ２０８の処理では、ＥＣＵ１０は、回復処理実行フラグＦｌｅをｏｎにする。その際、回復処理実行フラグＦｌｅが既にｏｎであれば、ＥＣＵ１０は、該回復処理実行フラグＦｌｅを引き続きｏｎ状態に維持すればよい。ＥＣＵ１０は、該Ｓ２０８の処理を実行し終えると、該処理ルーチンの実行を一旦終了する。

また、前記Ｓ２０５の処理において否定判定された場合は、回復処理要求フラグＦｌｒがｏｎであるものの、ＳＣＲ触媒の空燃比ＡＦｓｃｒがリッチ空燃比若しくは理論空燃比であったるため、回復処理を効率的に行うことが困難となる。よって、前記Ｓ２０５の処理において否定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ２０９の処理へ進み、回復処理実行フラグＦｌｅをｏｆｆにする。その際、回復処理実行フラグＦｌｅが既にｏｆｆであれば、ＥＣＵ１０は、該回復処理実行フラグＦｌｅを引き続きｏｆｆ状態に維持すればよい。ＥＣＵ１０は、該Ｓ２０９の処理を実行し終えると、該処理ルーチンの実行を一旦終了する。

前記Ｓ２０７の処理において否定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ２１０の処理へ進み、回復処理実行フラグＦｌｅが既にｏｎにされているか否かを判別する。つまり、Ｓ２１０の処理では、回復処理（加熱装置４０によるＳＣＲ触媒の加熱）が既に開始されていることに起因して、ＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒが回復温度Ｔｒｅｓ以上に上昇しているか否かを判別する。該Ｓ２１０の処理で肯定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ２０８の処理へ進み、回復処理実行フラグＦｌｅをｏｎ状態に維持する。一方、該Ｓ２１０の処理で否定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ２０９の処理へ進み、回復処理実行フラグＦｌｅをｏｆｆ状態に維持する。

また、前記Ｓ２０２の処理で否定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ２１１の処理へ
進む。Ｓ２１１の処理では、前記Ｓ２０１の処理で取得された要求回復量ΣＡｃｕ^＋が所定の目標値Ｔｒｇ以下であるか否かを判別する。該Ｓ２１１の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ２１２の処理へ進む。

Ｓ２１２の処理では、ＥＣＵ１０は、回復処理要求フラグＦｌｒ及び回復処理実行フラグＦｌｅの双方をｏｆｆにする。その際、上記した２つのフラグのうち、既にｏｆｆにされているフラグがあれば、ＥＣＵ１０は、そのフラグを引き続きｏｆｆに維持すればよい。該Ｓ２１２の処理を実行し終えると、ＥＣＵ１０は、本処理ルーチンの実行を一旦終了する。

また、前記Ｓ２１１の処理において否定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ２１３の処理へ進む。Ｓ２１３の処理では、ＥＣＵ１０は、回復処理要求フラグＦｌｒがｏｎであるか否かを判別する。該Ｓ２１３の処理において肯定判定された場合は、回復処理が既に開始されているものの、要求回復量ΣＡｃｕ^＋が所定の目標値Ｔｒｇまで減少していないとみなすことができるため、ＥＣＵ１０は、Ｓ２０４の処理へ進む。一方、該Ｓ２１３の処理において否定判定された場合は、前回の回復処理の終了後において、要求回復量ΣＡｃｕ^＋が所定の閾値Ｔｈｒｅを超えるまで増加していないとみなすことができる（すなわち、回復処理要求フラグＦｌｒ及び回復処理実行フラグＦｌｅの双方がｏｆｆであるとみなすことができる）。よって、該Ｓ２１３の処理において否定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、本処理ルーチンの実行を一旦終了する。

図６は、回復処理が実行される際にＥＣＵ１０によって実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。この処理ルーチンは、予めＥＣＵ１０のＲＯＭに記憶されており、内燃機関１の運転中に周期的に実行される。

図６の処理ルーチンでは、ＥＣＵ１０は、先ずＳ３０１の処理において、回復処理実行フラグＦｌｅがｏｎであるか否かを判別する。該Ｓ３０１の処理において否定判定された場合は、回復処理を実行する必要がないため、ＥＣＵ１０は、Ｓ３０５の処理へ進み、加熱装置４０をｏｆｆにする。その際、加熱装置４０が既にｏｆｆにされている場合は、ＥＣＵ１０は、加熱装置４０のｏｆｆ状態を維持する。

前記Ｓ３０１の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ３０２の処理へ進み、ＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒを取得する。ＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒは、前述した図４中のＳ１０１の処理、及び図５中のＳ２０６の処理と同様の方法によって取得される。該Ｓ３０２の処理を実行し終えると、ＥＣＵ１０は、Ｓ３０３の処理へ進む。

Ｓ３０３の処理では、ＥＣＵ１０は、前記Ｓ３０２の処理で取得された温度Ｔｓｃｒが目標温度Ｔｔｒｇより低いか否かを判別する。目標温度Ｔｔｒｇは、前述したように、回復温度Ｔｒｅｓ以上且つ脱離温度未満の温度範囲において、消費電力と価数回復速度とのバランス等を考慮して決定される温度である。

前記Ｓ３０３において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ３０４の処理へ進み、加熱装置４０をｏｎにする。その際、ＥＣＵ１０は、ＳＣＲ触媒を流れるガス量に応じて、加熱装置４０の通電量を調整してもよい。すなわち、ＳＣＲ触媒を流れるガス量が少ない場合は多い場合に比べ、加熱装置４０の通電量を少なくしてもよい。これは、ＳＣＲ触媒を流れるガス量が少ない場合は多い場合に比べ、ＳＣＲ触媒からガスへ放熱される熱量が少なくなるため、より少ない通電量でＳＣＲ触媒を昇温させることができるからである。一方、前記Ｓ３０３の処理で否定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ３０５の処理へ進み、加熱装置４０をｏｆｆにする。

上記した図６の処理ルーチンに従って回復処理が実行されると、回復処理実行フラグＦｌｅがｏｎである状態において、ＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒが目標温度Ｔｔｒｇ以上になると加熱装置４０をｏｆｆにし、その後にＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒが目標温度Ｔｔｒｇ未満へ低下すると加熱装置４０をｏｎにする処理が繰り返されることになるため、ＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒを目標温度Ｔｔｒｇに維持することが可能となる。

以上述べたように図４〜図６の処理ルーチンに従って回復処理が実行されると、要求回復量ΣＡｃｕ^＋が所定の閾値Ｔｈｒｅより多く且つＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒが回復温度Ｔｒｅｓより低い場合において、ＳＣＲ触媒の空燃比ＡＦｓｃｒがリーン空燃比であれば回復処理が実行されるが、ＳＣＲ触媒の空燃比ＡＦｓｃｒｇがリッチ空燃比又は理論空燃比であれば回復処理が実行されないため、加熱装置４０の不要な作動に伴うエネルギ消費量の増加を抑制しつつ、低下状態にある銅イオンＣｕ^＋の価数回復を図ることが可能になる。

なお、ＥＣＵ１０が図５〜図６の処理ルーチンを実行することにより、本発明に係わる「制御手段」が実現される。

＜他の実施形態＞
前述した実施形態では、内燃機関１の運転中に回復処理を行う例について述べたが、内燃機関１の運転中に加え、内燃機関１の運転停止直後に回復処理が行われてもよい。例えば、内燃機関１の運転停止時における要求回復量ΣＡｃｕ^＋が所定の閾値Ｔｈｒｅより多く且つＳＣＲ触媒の温度Ｔｓｃｒが回復温度Ｔｒｅｓ未満である場合において、運転停止直前のＳＣＲ触媒の空燃比ＡＦｓｃｒがリーン空燃比であれば回復処理を運転停止直後に実行し、運転停止直前のＳＣＲ触媒の空燃比ＡＦｓｃｒがリッチ空燃比又は理論空燃比であれば回復処理を運転停止直後に実行しないようにすればよい。

また、前述した実施形態では、ＳＣＲ触媒に担持される遷移金属イオンとして、銅イオンを用いる例について述べたが、鉄イオンがＳＣＲ触媒に担持される場合においても、同様の方法によって回復処理を実行することができる。鉄イオンを具備するＳＣＲ触媒においては、ＮＯ_Ｘ還元に必要なイオン価数（３＋）を有する鉄イオンＦｅ^３＋に吸着したＮＨ_３と排気中のＮＯ_Ｘとが反応することで、該鉄イオンの価数が３＋から２＋に減少する。このようにして低下状態に陥った鉄イオンＦｅ^２＋は、該鉄イオンＦｅ^２＋に吸着した水素イオン（Ｈ^＋）と酸素（１／４Ｏ_２）とが反応する際に再酸化されて、該鉄イオンのイオン価数がＮＯ_Ｘ還元に必要なイオン価数（３＋）に回復する。よって、銅イオンが担持されたＳＣＲ触媒においても、前述した実施形態と同様の方法で回復処理を実行することで、低下状態に陥った鉄イオンＦｅ^２＋の略全量の価数回復を図ることができる。ただし、鉄イオンの価数回復が発現する温度は、銅イオンの価数回復が発現する温度より高いため（例えば、約３００℃）、それに適合するように目標温度Ｔｔｒｇを定めればよい。

１内燃機関
２排気通路
３第１触媒ケーシング
４第２触媒ケーシング
５添加弁
６第１ＮＯ_Ｘセンサ
７第２ＮＯ_Ｘセンサ
８排気温度センサ
９空燃比センサ
１０ＥＣＵ
１３エアフローメータ
４０加熱装置

Claims

内燃機関の排気通路に配置される触媒であって、還元剤を利用して排気中のＮＯ_Ｘを選択的に還元させるための遷移金属イオンを具備する選択還元型触媒と、
前記選択還元型触媒の温度を検出する検出手段と、
前記選択還元型触媒を加熱する加熱装置と、
前記選択還元型触媒の具備する遷移金属イオンのうち、価数回復が必要な遷移金属イオンの量である要求回復量を推定する推定手段と、
前記検出手段により検出される温度が前記遷移金属イオンの価数回復が発現する温度である回復温度より低く且つ前記推定手段により推定される要求回復量が所定の閾値より多いときに、前記選択還元型触媒がリーン雰囲気にあれば、前記選択還元型触媒を前記回復温度以上まで昇温させ且つ前記選択還元型触媒が前記回復温度以上となる状態が所定期間継続されるように前記加熱装置を制御する処理である回復処理を実行し、前記選択還元型触媒がリッチ雰囲気又はストイキ雰囲気にあれば、前記回復処理を実行しない制御手段と、
を備える内燃機関の排気浄化装置。