JP3539286B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気通路に吸蔵型ＮＯｘ触媒を有する内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内燃機関をリーン空燃比で運転して燃費の向上を図るようにした希薄燃焼内燃機関が実用化されている。この希薄燃焼内燃機関では、リーン空燃比で運転すると、三元触媒がその浄化特性から排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を充分に浄化できないという問題があり、最近では、リーン空燃比で運転中に排ガス中のＮＯｘを吸蔵し、ストイキオまたはリッチ空燃比で運転中に吸蔵されたＮＯｘを放出還元する吸蔵型ＮＯｘ触媒が採用されてきている。
【０００３】
この吸蔵型ＮＯｘ触媒は、内燃機関の酸素の過剰状態で排ガス中のＮＯｘを硝酸塩（Ｘ−ＮＯ3 ）として吸蔵し、吸蔵したＮＯｘを一酸化炭素（ＣＯ）の過剰状態で放出して窒素（Ｎ2 ）に還元させる特性（同時に炭酸塩Ｘ−ＣＯ3 が生成される）を有した触媒である。ところが、燃料中にはイオウ（Ｓ）成分が含まれており、このＳ成分は酸素と反応して硫黄酸化物（ＳＯｘ）となり、このＳＯｘがＮＯｘの代わりに硫酸塩として硝酸塩の代わりに吸蔵型ＮＯｘ触媒に吸蔵されてしまい、触媒の浄化効率が低下してしまうという問題がある。しかしながら、触媒に吸蔵されたＳＯｘは、空燃比をリッチ状態にして触媒を高温状態にすることで除去（Ｓパージ）されることがわかっている。例えば、特開平７−２１７４７４号公報では、触媒に吸蔵されるＳＯｘ量を推定し、このＳＯｘの吸蔵量が許容量を越え、触媒温度が予め設定された所定温度よりも低いときに、触媒を昇温させると共に空燃比を一時的にリッチにすることで、ＳＯｘを放出して吸蔵型ＮＯｘ触媒の浄化効率を復活させるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、触媒に吸蔵されるＳＯｘ量は、触媒温度、排気空燃比、燃料中Ｓ濃度（燃料種別）、機関運転状態などの様々な要因によって大きく変化する。そのため、実際には、触媒でのＳＯｘ吸蔵量を精度良く推定するのは困難である。上述した公報のように、触媒に吸蔵されるＳＯｘ量を推定し、このＳＯｘ吸蔵量に基づいて吸蔵型ＮＯｘ触媒からＳＯｘを放出させる場合、触媒でのＳＯｘ吸蔵量を精度良く推定できなかったときは、排ガス特性が悪化する虞がある。また、排ガス特性が悪化しないようにＳＯｘ吸蔵量の推定誤差を見込んで設定した場合には、ＳＯｘの放出が不要なときにＳＯｘ放出制御を実行してしまい、燃費が悪化してしまうという問題がある。
【０００５】
本発明はこのような問題を解決するものであって、安定した触媒装置の再生を可能と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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための請求項１の発明の内燃機関の排気浄化装置では、内燃機関の排気通路に設けられて排気空燃比が少なくともリーン空燃比のときに排気ガス中のイオウ成分を吸蔵すると共に吸蔵されたイオウ成分を高温且つ還元雰囲気で放出する特性を有する触媒装置と、該触媒装置を高温且つ還元雰囲気として吸蔵されたイオウ成分を脱離させる再生手段と、吸蔵されたイオウ成分が放出される状態になった頻度を推定する頻度推定手段と、該頻度推定手段の出力に基づいて前記再生手段の作動を制御する作動制御手段とを具えると共に、前記作動制御手段は前記触媒装置の温度が前記頻度推定手段により推定された再生頻度に対応する昇温設定温度を越えた場合、前記再生手段を作動させることを特徴とする。
【０００７】
また、前記昇温設定温度は前記頻度の増加に伴い高温に設定されていることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。
【０００９】
図１に本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成、図２に本実施形態の排気浄化装置によるＳパージ制御のフローチャート、図３にＳパージ制御のタイムチャート、図４にＳ再生頻度に対する昇温設定温度を表すグラフ、図５に触媒温度推定値に対する反映係数を表すグラフ、図６にＳ再生頻度とＮＯｘ排出量との関係を表すグラフ、図７にＳ再生Ａ／Ｆに対するＳ再生後の回復したＮＯｘ吸蔵触媒を表すグラフ、図８に一般走行において本実施形態を使用したときと使用しなかったときの触媒温度の時間頻度を表すグラフを示す。
【００１０】
本実施形態の内燃機関（以下、エンジンと称する。）は、例えば、燃料噴射モード（運転モード）を切換えることで、吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射モード）または圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射モード）を実施可能な筒内噴射型火花点火式直列４気筒ガソリンエンジンである。そして、この筒内噴射型のエンジン１１は、容易にして理論空燃比（ストイキ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）が実現可能となっており、特に圧縮行程噴射モードでは、超リーン空燃比での運転が可能となっている。
【００１１】
本実施形態において、図１に示すように、エンジン１１のシリンダヘッド１２には、各気筒毎に点火プラグ１３と共に電磁式の燃料噴射弁１４が取付けられており、この燃料噴射弁１４によって燃焼室１５内に燃料を直接噴射可能となっている。この燃料噴射弁１４には、図示しない燃料パイプを介して燃料タンクを擁した燃料供給装置（燃料ポンプ）が接続されており、燃料タンク内の燃料が高燃圧で供給され、この燃料を燃料噴射弁１４から燃焼室１５内に向けて所望の燃圧で噴射する。この際、燃料噴射量は燃料ポンプの燃料吐出圧と燃料噴射弁１４の開弁時間（燃料噴射時間）とから決定される。
【００１２】
シリンダヘッド１２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド１６の一端がそれぞれ接続されている。そして、吸気マニホールド１６の他端にはドライブバイワイヤ（ＤＢＷ）方式の電動スロットル弁１７が接続されており、このスロットル弁１７にはスロットル開度θthを検出するスロットルセンサ１８が設けられている。また、シリンダヘッド１２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１９の一端がそれぞれ接続されている。
【００１３】
そして、エンジン１１には、クランク角を検出するクランク角センサ２０が設けられており、このクランク角センサ２０はエンジン回転速度Ｎｅを検出可能となっている。なお、上述した筒内噴射型エンジン１１は既に公知のものであり、その構成の詳細についてはここでは説明を省略する。
【００１４】
また、エンジン１１の排気マニホールド１９には排気管（排気通路）２１が接続されており、この排気管２１にはエンジン１１に近接した小型の三元触媒２２及び排気浄化触媒装置２３を介して図示しないマフラーが接続されている。そして、この排気管２１における三元触媒２２と排気浄化触媒装置２３との間の部分には、排気浄化触媒装置２３の直上流、即ち、後述する吸蔵型ＮＯｘ触媒２５のに直上流に位置して排気温度を検出する高温センサ２４が設けられている。
【００１５】
この排気浄化触媒装置２３は、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５と三元触媒２６との２つの触媒を有して構成されており、三元触媒２６の方が吸蔵型ＮＯｘ触媒２５よりも下流側に配設されている。なお、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が三元触媒の機能を十分に有している場合には、この吸蔵型ＮＯｘ触媒２５だけであってもよい。この吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、酸化雰囲気においてＮＯｘを一旦吸蔵させ、主としてＣＯの存在する還元雰囲気中においてＮＯｘを放出してＮ2 （窒素）等に還元させる機能を持つものである。詳しくは、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、貴金属として白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）等を有した触媒として構成されており、吸蔵剤としてはバリウム（Ｂａ）等のアルカリ金属、アルカリ土類金属が採用されている。そして、排気浄化触媒装置２３の下流にはＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ２７が設けられている。
【００１６】
更に、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を有するＥＣＵ（電子コントロールユニット）２８が設けられており、このＥＣＵ２８によりエンジン１１を含めた本実施形態の排気浄化装置の総合的な制御が行われる。即ち、ＥＣＵ２８の入力側には、上述した高温センサ２４やＮＯｘセンサ２７等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力する。一方、ＥＣＵ２８の出力側には、点火コイルを介して上述した点火プラグ１３や燃料噴射弁１４等が接続されており、これら点火コイル、燃料噴射弁１４等には、各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量や点火時期等の最適値がそれぞれ出力される。これにより、燃料噴射弁１４から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ１３によって適正なタイミングで点火が実施される。
【００１７】
実際に、ＥＣＵ２８では、スロットルセンサ１８からのスロットル開度情報θthとクランク角センサ２０からのエンジン回転速度情報Ｎｅとに基づいてエンジン負荷に対応する目標筒内圧、即ち目標平均有効圧Ｐｅを求めるようにされており、更に、この目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じてマップ（図示せず）より燃料噴射モードを設定するようにされている。例えば、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとが共に小さいときには、燃料噴射モードは圧縮行程噴射モードとされて燃料が圧縮行程で噴射され、一方、目標平均有効圧Ｐｅが大きくなり、あるいはエンジン回転速度Ｎｅが大きくなると燃料噴射モードは吸気行程噴射モードとされ、燃料が吸気行程で噴射される。
【００１８】
そして、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとから制御目標となる目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）が設定され、適正量の燃料噴射量がこの目標Ａ／Ｆに基づいて決定される。また、高温センサ２４により検出された排気温度情報からは触媒温度Ｔcat が推定される。詳しくは、高温センサ２４と吸蔵型ＮＯｘ触媒２５とが多少なりとも離れて配置されていることに起因する誤差を補正するために、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じて温度差マップが予め実験等により設定されており、触媒温度Ｔcat は、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとが決まると一義に推定されるようにされている。
【００１９】
以下、このように構成された本実施形態の内燃機関の排気浄化装置の作用について説明する。
【００２０】
排気浄化触媒装置２３の吸蔵型ＮＯｘ触媒２５では、リーンモードにおける超リーン燃焼運転時のような酸素濃度過剰雰囲気で、排気中のＮＯｘから硝酸塩が生成され、これによりＮＯｘが吸蔵されて排気の浄化が行われる。一方、三元触媒２６では、酸素濃度が低下した雰囲気で、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵した硝酸塩と排気中のＣＯとが反応して炭酸塩が生成されると共にＮＯｘが放出される。従って、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５へのＮＯｘの吸蔵が進むと、空燃比のリッチ化あるいは追加の燃料噴射を行うなどして酸素濃度を低下させてＣＯを排気中に供給し、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘを放出させて機能を維持する。
【００２１】
ところで、燃料や潤滑油内に含まれるイオウ成分（ＳＯｘ）も排気中に存在し、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、酸素濃度過剰雰囲気で、ＮＯｘの吸蔵とともにＳＯｘも吸蔵する。つまり、イオウ成分は酸化されてＳＯｘになり、このＳＯｘの一部は吸蔵型ＮＯｘ触媒２５上でさらに元来ＮＯｘ吸蔵用である吸蔵剤と反応して硫酸塩となってＮＯｘに代わって吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵される。
【００２２】
また、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、酸素濃度が低下すると吸蔵されたＳＯｘを放出する機能を有している。つまり、酸素濃度が低下してＣＯが過剰となった雰囲気では、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵した硫酸塩の一部と排気中のＣＯとが反応して炭酸塩が生成されると共にＳＯｘが脱離される。しかし、硫酸塩は硝酸塩よりも塩としての安定度が高く、酸素濃度が低下した雰囲気になっただけではその一部しか分解されないため、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に残留する硫酸塩の量は時間とともに増加する。これにより、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の吸蔵能力が時間と共に低下し、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５としての性能が悪化することになる（Ｓ被毒）。
【００２３】
ＮＯｘ吸蔵能力を再生するためには吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＳＯｘ量を推定してＳ被毒状況を推定し、Ｓ被毒がある程度以上進行すると、ＳＯｘを放出するようにする方法もあるが、ＳＯｘ吸蔵量は触媒温度、排気空燃比、燃料中Ｓ濃度（燃料種別）、エンジン運転状態などの種々の要因により影響を受けるため、正確にＳＯｘ吸蔵量を推定することは困難を伴う。このため、本実施形態では、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＳＯｘ吸蔵量を推定することはせず、触媒温度Ｔcat が設定温度以上となった場合に、再生手段が触媒を昇温させ、且つ、空燃比をリッチ化して吸蔵したＳＯｘを放出し、ＮＯｘ吸蔵能力を回復するようにしている。この再生手段は、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＳＯｘを放出する再生度合が所定範囲に保たれるように制御する。即ち、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の温度が活性温度（例えば、２５０〜３５０℃）より高く、且つ、吸蔵されたＳＯｘを脱離するのに適した温度（例えば、６５０℃）あるいはそれより低く設定された設定温度（例えば、６００℃〜８００℃）以上となった場合に、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５を昇温させると共に空燃比をリッチ化してＳＯｘを放出するようにしている。即ち、ある程度触媒温度が高いときにアシスト的に僅かに昇温手段を作動させることによりＳ再生速度を速く触媒温度域に到達させ、少ない昇温度合（即ち、少ない燃費悪化度合）で効率よくＳＯｘを放出させるものである。
【００２４】
ここで、Ｓパージ制御について、図２に示すフローチャート及び図３に示すタイムチャートに基づいて詳細に説明する。図２に示すように、まず、ステップＳ１では、高温センサ２４により検出された排気温度情報から吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒温度Ｔcat を推定する。この場合、前述したように、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じて設定された温度差マップに基づいて、高温センサ２４と実際の触媒温度との誤差が補正される。
【００２５】
次に、ステップＳ２にて、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５のＳ被毒からの再生（Ｓ再生）度合を表すＳ再生頻度を算出する（脱離頻度検知手段）が、以下にその算出方法について説明する。このＳ再生頻度は下記式（１）に基づいて算出する。
Ｓ再生頻度（ｓ／km）＝７００℃換算Ｓ再生時間／走行距離 ・・（１）
ここで、７００℃換算Ｓ再生時間とは、推定された触媒温度Ｔcat におけるＳ再生時間を吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒温度Ｔcat が７００℃のときのＳ再生時間に換算した時間の合計であり、この７００℃換算Ｓ再生時間を走行距離で除算することで、走行距離１kmあたりのＳ再生時間、つまり、Ｓ再生頻度を求めることができ、このＳ再生頻度が大きくなるとＳＯｘが良く放出（パージ）され、Ｓ被毒から良く再生されているということである。
【００２６】
この７００℃換算Ｓ再生時間の具体的な算出方法としては、下記式（２）に基づいて算出する。
７００℃換算Ｓ再生時間(n) ＝７００℃換算Ｓ再生時間(n-1) ＋Ｓ再生速度係数×計算周期×Ａ／Ｆ係数 ・・（２）
ここで、Ｓ再生速度係数は、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の温度によりＳ再生速度が異なることを補正するためのもので、各触媒温度でのＳ再生時間を７００℃相当のＳ再生時間に換算するためのものである。Ｓ再生速度は吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の温度が高くなるにつれて指数関数的に増加するので、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒温度Ｔcat が５８０℃以下の低温時では０とし、それよりも高温時では、指数関数により近似した下式（３）をもって算出する。
Ｓ再生速度係数＝exp ｛−ｋｋ×（１／Ｔ1 ）−（１／Ｔ0 ）｝・・（３）
ここで、ｋｋは、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５のＳ再生反応に応じて設定される所定の係数、Ｔ1 は、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒温度Ｔcat （Ｋ）、Ｔ0 は、９７３（７００＋２７３）（Ｋ）である。
なお、本実施形態では、ＥＣＵ２８内では指数関数による計算は行わずに予め計算した値を記憶した触媒温度に対するＳ再生速度係数マップから求めるようにしている。また、前述したＡ／Ｆ係数は、Ａ／ＦによるＳ再生度合を示すもので、空燃比がリーンモードまたは燃料カット時では０とし、それ以外のモードでは１とする。
【００２７】
なお、Ｓ再生頻度は、所定値Ｄ（例えば、１．５ｓ／km）以上でリセットされ、７００℃換算Ｓ再生時間を０ｓ、走行距離を０kmとする。つまり、Ｓ再生頻度が所定値Ｄ以上であれば、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は十分にパージされているとして再生を停止する。Ｓ再生頻度をリセットする際のしきい値Ｄの設定方法としては、次のようにすればよい。即ち、図６に示すように、Ｓ再生頻度が高いほどＮＯｘ排出値は小さくなることがわかっており、ＮＯｘの排出規制値以下となるようにＳ再生頻度を設定すればよい。このしきい値Ｄは、触媒特性やＮＯｘ排出規制値にも影響されるが、一般的に概ね１．５ｓ／km以上に設定すればよいことがわかっている。
【００２８】
このようにＳ再生頻度が求められたら、ステップＳ３にて、昇温設定温度ＺＳＴＥＭＰ（℃）を算出する。この場合、図４に示すように、Ｓ再生頻度に対するＺＳＴＥＭＰのマップが予め設定されている。このマップによれば、Ｓ再生頻度が低いときには、ＺＳＴＥＭＰは６００℃に設定され、Ｓ再生頻度の上昇に伴ってＺＳＴＥＭＰが上昇し、所定値Ｄで８００℃としている。即ち、昇温設定温度ＺＳＴＥＭＰはＳ再生頻度（脱離頻度検知手段の脱離頻度情報）に基づいて変更されるようになっている（設定温度変更手段）。
【００２９】
そして、ステップＳ４において、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒温度Ｔcat がＺＳＴＥＭＰ以上であるかどうかを判定し、触媒温度Ｔcat がＺＳＴＥＭＰより低ければ何もせずにこのルーチンを抜ける。一方、触媒温度Ｔcat がＺＳＴＥＭＰ以上であれば、Ｓ再生頻度がある程度低いと同時に吸蔵型ＮＯｘ触媒２５がある程度昇温されており、Ｓパージしやすい状態にあると推定されるため、ステップＳ５に移行し、制御モードをＳパージモードに切り換える（作動制御手段）。これにより吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＳＯｘの除去（Ｓパージ）が開始される。
【００３０】
即ち、ステップＳ６では、点火時期を制御、つまり、リタード（遅角）させることで吸蔵型ＮＯｘ触媒２５を昇温する（点火時期制御手段）。つまり、点火時期リタードにより吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に流入する排気を十分に加熱させることにより、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５はＳパージに適した温度（例えば、６５０℃〜８００℃）まで迅速に昇温されることになる。この場合、点火時期は下記式（４）によりリタードするように設定される。
点火時期＝ベース点火時期−ＺＳＳＡ×反映係数 ・・（４）
ここで、ＺＳＳＡは、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じて設定されたリタードマップに基づいて設定されるものであり、燃焼限界となるリタード量に余裕量を考慮した量として設定される。また、反映係数は、図５に示すように、触媒温度推定値、つまり、触媒温度Ｔcat に対応したマップに基づいて設定される。なお、この反映係数は燃料のカット時やスロットル開度が所定値以上のときは０としている。
【００３１】
続いて、ステップＳ７では、空燃比を制御する。即ち、リーン運転を禁止し、ストイキＦ／Ｂもしくはオープンループのリッチ運転のみとし、空燃比がストイキもしくはリッチとなるようにする。図７にＳ再生度合い（Ｓ再生後回復したＮＯｘ吸蔵量）とＳ再生時の空燃比（Ｓ再生Ａ／Ｆ）の関係を示すが、リーン以外、即ち、ストイキあるいはリッチであればＳ再生し、ストイキ〜リッチ間ではＳ再生時の空燃比への依存性は小さいことがわかる。ただし、リッチ度合いが大きいほど燃費の悪化度合いが大きく、またリッチ度合いが大きいと臭気の元となるＨ2 Ｓの発生度合いが大きくなる。そのため、Ｓ再生時の空燃比はストイキに近い方が好ましいが、制御誤差も見込んでわずかばかりリッチ（スライトリッチ）に設定するのがよく、即ち、１４〜１４．７とするのが好ましい。尚、図７からＳ再生時の吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の温度が６００℃のときには６５０℃や７００℃の１０倍時間をかけているにもかかわらずＳ再生度合いが小さく、また、７００℃のときにはＳ再生度合いが非常に大きくなっており、Ｓ再生度合いにはＳ再生時の触媒温度の影響が大きいことがわかる。
【００３２】
そして、ステップＳ８では、触媒温度Ｔcat が所定値Ｋ（例えば、６５０℃）よりも低い状態が所定の設定時間Ｃ（例えば、４５sec ）経過したら、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の昇温をやめると共に空燃比をリーン化してこのルーチンを抜ける。つまり、Ｓパージモードにしても触媒温度Ｔcat がイオウ成分の脱離に最適な温度（例えば、６５０℃以上）へなかなか近づかない場合に、燃費悪化を抑制するためにＳパージモードを停止させる（停止手段）ようにしている。一方、触媒温度Ｔcat が所定時間Ｃが経過するまでに所定値Ｋ以上になれば、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の昇温及び空燃比のリッチ化を継続する。
【００３３】
このようにしてＳパージモードでは、Ｓパージ制御のルーチンを繰り返すが、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＳＯｘが放出されると、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５のＳ再生頻度が大きくなり、図４のマップに基づいてＺＳＴＥＭＰも上昇する。そして、ＺＳＴＥＭＰが触媒温度Ｔcat を越えると、ステップＳ４において、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒温度Ｔcat がＺＳＴＥＭＰより低くなってこのルーチンを抜け、Ｓパージモードを停止する。
【００３４】
ここで、上述したＳパージモードへの切換制御を具体的に説明する。図３に示すように、ＳパージモードがＯＦＦで、Ｓ再生頻度が低いとき、昇温設定温度ＺＳＴＥＭＰは６００℃に設定されている。そして、ドライバの運転状態、例えば、加速時あるいは高速道路や山岳道路などを走行して触媒温度Ｔcat が上昇し、この触媒温度Ｔcat がＺＳＴＥＭＰを越えると、ＳパージモードがＯＮ（ステップＳ４でＹｅｓ）なる。すると、点火時期をリタードして吸蔵型ＮＯｘ触媒２５を昇温すると共に空燃比をリッチ化するため、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＳＯｘが放出される。そして、Ｓパージモードが継続するとＳ再生が進み、７００℃換算Ｓ再生時間が増加してＳ再生頻度が大きくなり、このＳ再生頻度が大きくなると、図４のマップに基づいてＺＳＴＥＭＰが上昇し、触媒温度Ｔcat を越える。
【００３５】
すると、ＳパージモードがＯＦＦ（ステップＳ４でＮｏ）となり、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の昇温をやめるため、触媒温度Ｔcat が低下する。その後、触媒温度Ｔcat が低い状態で走行距離が延びると、Ｓ再生頻度が小さくなると共に、ＺＳＴＥＭＰが低下して６００℃に戻る。
【００３６】
また、ドライバの運転状態により触媒温度Ｔcat が再び上昇し、触媒温度Ｔcat がＺＳＴＥＭＰを越えるとＳパージモードがＯＮ（ステップＳ４でＹｅｓ）される。このとき、ドライバが市街地のような場所で加減速を繰り返す運転状態を行っていると、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５はＳＯｘを放出するのに必要な高温状態になりにくい。即ち、この場合、触媒温度Ｔcat は最初ＺＳＴＥＭＰ（６００℃）を越えたものの６５０℃よりも低い状態が継続することとなり、この温度域ではＳ再生はされるもののＳ再生効率が低い。そのため、この状態の継続時間が設定時間Ｃを経過したら、ＳパージモードをＯＦＦ（ステップＳ４でＮｏ）とすることで、点火時期リタード及びリッチ化を中止しＳ再生効率が低い温度域では燃費の悪化を抑制できる。
【００３７】
なお、Ｓパージモードにて、空燃比をリッチ空燃比モードとしてリーン空燃比モードへの移行を禁止しているが、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が高温であるときには、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の熱劣化対策のために既にリーン空燃比モードは禁止となっている場合もある。
【００３８】
また、Ｓパージを行うときに点火時期リタードに応じてスロットル弁１７を作動してベーススロットル開度に対してスロットル開度θthを調整し、吸入空気量を操作しており、これによって点火時期リタードによるトルク低下分を補いトルクがほぼ一定となるように制御している。この場合、スロットル開度は下記式（５）により設定される。
スロットル開度＝ベーススロットル開度−ＺＳＥＴＶ×反映係数・・（５）
ここで、ＺＳＥＴＶは、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じて設定されたスロットル開度補正マップに基づいて設定されるものであり、また、反映係数は、前述したように、図５に示すマップに基づいて設定される。なお、この場合、補正された点火時期（リタード後の点火時期）に対するスロットル開度θthのマップにより設定してもよい。
【００３９】
このように本実施形態では、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＳＯｘを放出する再生度合が所定範囲に保たれるように制御、つまり、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒温度Ｔcat が活性温度（例えば、２５０〜３５０℃）より高く、且つ、吸蔵されたＳＯｘを脱離するのに適した温度（例えば、６５０℃〜８００℃）あるいはそれより低く設定された昇温設定温度ＺＳＴＥＭＰ以上となった場合に、点火時期をリタードして吸蔵型ＮＯｘ触媒２５を昇温させると共に空燃比をリッチ化してＳＯｘを放出する。
【００４０】
従って、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５がある程度高温状態にあるときに、アシスト的に吸蔵型ＮＯｘ触媒２５を昇温してＳ再生速度の遅いＳＯｘ放出速度に適した触媒温度域においてＳＯｘを放出して再生している。そのため、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が低温状態でＳＯｘの放出に最適な温度まで昇温するのに長時間を要するような場合に無理にＳ再生を実施するものではない。これによって長時間のリッチ化及び点火時期リタード、及び低温から大きく昇温しなければならないための大幅なリタードを行う必要がなく、燃費の悪化を抑制できる。
【００４１】
図８に一般的な走行時において本実施形態によるアシスト的な昇温によるＳ再生制御を使用したときと、使用しなかったときの吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒ベット温度の時間頻度の比較を示す。本制御を使用することにより、Ｓ再生速度が速くＳ再生に適した６５０℃以上の時間頻度が大きく増加し、よりＳ再生速度の速い７００℃以上の時間頻度も増加しており、効率よくＳ再生できていることがわかる。
【００４２】
また、Ｓパージモードで触媒温度Ｔcat がイオウ成分の脱離に最適な温度（例えば、６５０℃以上）へ近づかない場合、設定時間Ｃを経過した後にＳパージモードを停止させるようにしている。従って、例えば、車両が市街地のような場所で加減速を繰り返す運転状態のときは、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５がＳＯｘを放出するのに最適な高温状態になりにくいため、設定時間Ｃの経過を待ってＳパージモードを中止させており、これによってＳ再生効率が良くない温度帯ではリッチ化及び昇温の継続に制限を設けることにより燃費の悪化を抑制できる。
【００４３】
なお、本実施形態では、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の温度が活性温度を２５０℃〜３５０℃とし、吸蔵されたＳＯｘを脱離するのに適した温度を６５０℃から８００℃（より好ましくは７００℃以上）、昇温設定温度ＺＳＴＥＭＰを６００℃から開始しＳ再生頻度により変化させるようにしたが、各温度は吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の特性、あるいはエンジン形態や排気温度などにより適宜設定すればよいものである。本発明は再生手段の作動を推定頻度に基づいて制御することが特徴であるため、本実施形態の如く再生手段（昇温手段）の作動を開始する条件に温度条件を設定しなくてもよい。つまり、推定頻度が少なくイオウ成分の放出状態にならない運転が続いた場合に触媒温度に関係なく再生手段を作動させるようにしてもよい。また、本発明の昇温手段も、上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、例えば、膨張行程に追加燃料噴射を行う２段噴射や吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の上流の排気管２１内に直接燃料を噴射するようなものであってもよく、更に、電気加熱触媒等の加熱手段を用いてもよい。また、リッチ化手段としても前述の２段噴射あるいは排気管２１内への直接燃料噴射を用いてもよい。また、運転状態によっては、すでに触媒が高温となっている場合には昇温手段をあらためて作動させなくてもよい場合もあるし、すでにリッチとなっている場合にはあらためてリッチ化手段をさせなくてもよい場合もある。
【００４４】
また、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＳＯｘを放出する再生度合が所定範囲に保たれるようにＳパージを行うようにしたが、これに加えて、従来のような吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＳＯｘ量を推定してＳパージを行う装置を併設してもよい。この場合、従来のＳパージを行う装置は、副次的に使うことが好ましく、例えば、本発明のＳパージ制御に入る運転をドライバが行わなかったときに限り触媒の再生を目的として強制的に、または、ＳＯｘ量の推定結果に基づいて作動させることが燃費等の面で好ましい。更に、上述の実施形態では、エンジン１１を筒内噴射型火花点火式直列ガソリンエンジンとしたが、エンジン１１は吸蔵型ＮＯｘ触媒を有するものであれば、吸気管噴射型のリーンバーンエンジンあるいはディーゼルエンジンであってもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、安定した触媒装置の再生が可能となり、触媒装置の劣化による排ガス特性の悪化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】本実施形態の排気浄化装置によるＳパージ制御のフローチャートである。
【図３】Ｓパージ制御のタイムチャートである。
【図４】Ｓ再生頻度に対する昇温設定温度を表すグラフである。
【図５】触媒温度推定値に対する反映係数を表すグラフである。
【図６】Ｓ再生頻度とＮＯｘ排出量との関係を表すグラフである。
【図７】Ｓ再生Ａ／Ｆに対するＳ再生後の回復したＮＯｘ吸蔵触媒を表すグラフである。
【図８】一般走行において本実施形態を使用したときと使用しなかったときの触媒温度の時間頻度を表すグラフである。
【符号の説明】
１１ エンジン（内燃機関）
１３ 点火プラグ
１４ 燃料噴射弁
１５ 燃焼室
１７ スロットル弁
１８ スロットルセンサ
２０ クランク角センサ
２１ 排気管（排気通路）
２２ 三元触媒
２３ 排気浄化触媒装置（触媒装置）
２４ 高温センサ
２５ 吸蔵型ＮＯｘ触媒
２６ 三元触媒
２８ 電子コントロールユニット，ＥＣＵ（再生手段、作動制御手段、脱離頻度検知手段、設定温度変更手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気通路に吸蔵型ＮＯｘ触媒を有する内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内燃機関をリーン空燃比で運転して燃費の向上を図るようにした希薄燃焼内燃機関が実用化されている。この希薄燃焼内燃機関では、リーン空燃比で運転すると、三元触媒がその浄化特性から排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を充分に浄化できないという問題があり、最近では、リーン空燃比で運転中に排ガス中のＮＯｘを吸蔵し、ストイキオまたはリッチ空燃比で運転中に吸蔵されたＮＯｘを放出還元する吸蔵型ＮＯｘ触媒が採用されてきている。
【０００３】
この吸蔵型ＮＯｘ触媒は、内燃機関の酸素の過剰状態で排ガス中のＮＯｘを硝酸塩（Ｘ−ＮＯ3 ）として吸蔵し、吸蔵したＮＯｘを一酸化炭素（ＣＯ）の過剰状態で放出して窒素（Ｎ2 ）に還元させる特性（同時に炭酸塩Ｘ−ＣＯ3 が生成される）を有した触媒である。ところが、燃料中にはイオウ（Ｓ）成分が含まれており、このＳ成分は酸素と反応して硫黄酸化物（ＳＯｘ）となり、このＳＯｘがＮＯｘの代わりに硫酸塩として硝酸塩の代わりに吸蔵型ＮＯｘ触媒に吸蔵されてしまい、触媒の浄化効率が低下してしまうという問題がある。しかしながら、触媒に吸蔵されたＳＯｘは、空燃比をリッチ状態にして触媒を高温状態にすることで除去（Ｓパージ）されることがわかっている。例えば、特開平７−２１７４７４号公報では、触媒に吸蔵されるＳＯｘ量を推定し、このＳＯｘの吸蔵量が許容量を越え、触媒温度が予め設定された所定温度よりも低いときに、触媒を昇温させると共に空燃比を一時的にリッチにすることで、ＳＯｘを放出して吸蔵型ＮＯｘ触媒の浄化効率を復活させるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、触媒に吸蔵されるＳＯｘ量は、触媒温度、排気空燃比、燃料中Ｓ濃度（燃料種別）、機関運転状態などの様々な要因によって大きく変化する。そのため、実際には、触媒でのＳＯｘ吸蔵量を精度良く推定するのは困難である。上述した公報のように、触媒に吸蔵されるＳＯｘ量を推定し、このＳＯｘ吸蔵量に基づいて吸蔵型ＮＯｘ触媒からＳＯｘを放出させる場合、触媒でのＳＯｘ吸蔵量を精度良く推定できなかったときは、排ガス特性が悪化する虞がある。また、排ガス特性が悪化しないようにＳＯｘ吸蔵量の推定誤差を見込んで設定した場合には、ＳＯｘの放出が不要なときにＳＯｘ放出制御を実行してしまい、燃費が悪化してしまうという問題がある。
【０００５】
本発明はこのような問題を解決するものであって、安定した触媒装置の再生を可能と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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための請求項１の発明の内燃機関の排気浄化装置では、内燃機関の排気通路に設けられて排気空燃比が少なくともリーン空燃比のときに排気ガス中のイオウ成分を吸蔵すると共に吸蔵されたイオウ成分を高温且つ還元雰囲気で放出する特性を有する触媒装置と、該触媒装置を高温且つ還元雰囲気として吸蔵されたイオウ成分を脱離させる再生手段と、吸蔵されたイオウ成分が放出される状態になった頻度を推定する頻度推定手段と、該頻度推定手段の出力に基づいて前記再生手段の作動を制御する作動制御手段とを具えると共に、前記作動制御手段は前記触媒装置の温度が前記頻度推定手段により推定された再生頻度に対応する昇温設定温度を越えた場合、前記再生手段を作動させることを特徴とする。
【０００７】
また、前記昇温設定温度は前記頻度の増加に伴い高温に設定されていることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。
【０００９】
図１に本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成、図２に本実施形態の排気浄化装置によるＳパージ制御のフローチャート、図３にＳパージ制御のタイムチャート、図４にＳ再生頻度に対する昇温設定温度を表すグラフ、図５に触媒温度推定値に対する反映係数を表すグラフ、図６にＳ再生頻度とＮＯｘ排出量との関係を表すグラフ、図７にＳ再生Ａ／Ｆに対するＳ再生後の回復したＮＯｘ吸蔵触媒を表すグラフ、図８に一般走行において本実施形態を使用したときと使用しなかったときの触媒温度の時間頻度を表すグラフを示す。
【００１０】
本実施形態の内燃機関（以下、エンジンと称する。）は、例えば、燃料噴射モード（運転モード）を切換えることで、吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射モード）または圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射モード）を実施可能な筒内噴射型火花点火式直列４気筒ガソリンエンジンである。そして、この筒内噴射型のエンジン１１は、容易にして理論空燃比（ストイキ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）が実現可能となっており、特に圧縮行程噴射モードでは、超リーン空燃比での運転が可能となっている。
【００１１】
本実施形態において、図１に示すように、エンジン１１のシリンダヘッド１２には、各気筒毎に点火プラグ１３と共に電磁式の燃料噴射弁１４が取付けられており、この燃料噴射弁１４によって燃焼室１５内に燃料を直接噴射可能となっている。この燃料噴射弁１４には、図示しない燃料パイプを介して燃料タンクを擁した燃料供給装置（燃料ポンプ）が接続されており、燃料タンク内の燃料が高燃圧で供給され、この燃料を燃料噴射弁１４から燃焼室１５内に向けて所望の燃圧で噴射する。この際、燃料噴射量は燃料ポンプの燃料吐出圧と燃料噴射弁１４の開弁時間（燃料噴射時間）とから決定される。
【００１２】
シリンダヘッド１２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド１６の一端がそれぞれ接続されている。そして、吸気マニホールド１６の他端にはドライブバイワイヤ（ＤＢＷ）方式の電動スロットル弁１７が接続されており、このスロットル弁１７にはスロットル開度θthを検出するスロットルセンサ１８が設けられている。また、シリンダヘッド１２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１９の一端がそれぞれ接続されている。
【００１３】
そして、エンジン１１には、クランク角を検出するクランク角センサ２０が設けられており、このクランク角センサ２０はエンジン回転速度Ｎｅを検出可能となっている。なお、上述した筒内噴射型エンジン１１は既に公知のものであり、その構成の詳細についてはここでは説明を省略する。
【００１４】
また、エンジン１１の排気マニホールド１９には排気管（排気通路）２１が接続されており、この排気管２１にはエンジン１１に近接した小型の三元触媒２２及び排気浄化触媒装置２３を介して図示しないマフラーが接続されている。そして、この排気管２１における三元触媒２２と排気浄化触媒装置２３との間の部分には、排気浄化触媒装置２３の直上流、即ち、後述する吸蔵型ＮＯｘ触媒２５のに直上流に位置して排気温度を検出する高温センサ２４が設けられている。
【００１５】
この排気浄化触媒装置２３は、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５と三元触媒２６との２つの触媒を有して構成されており、三元触媒２６の方が吸蔵型ＮＯｘ触媒２５よりも下流側に配設されている。なお、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が三元触媒の機能を十分に有している場合には、この吸蔵型ＮＯｘ触媒２５だけであってもよい。この吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、酸化雰囲気においてＮＯｘを一旦吸蔵させ、主としてＣＯの存在する還元雰囲気中においてＮＯｘを放出してＮ2 （窒素）等に還元させる機能を持つものである。詳しくは、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、貴金属として白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）等を有した触媒として構成されており、吸蔵剤としてはバリウム（Ｂａ）等のアルカリ金属、アルカリ土類金属が採用されている。そして、排気浄化触媒装置２３の下流にはＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ２７が設けられている。
【００１６】
更に、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を有するＥＣＵ（電子コントロールユニット）２８が設けられており、このＥＣＵ２８によりエンジン１１を含めた本実施形態の排気浄化装置の総合的な制御が行われる。即ち、ＥＣＵ２８の入力側には、上述した高温センサ２４やＮＯｘセンサ２７等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力する。一方、ＥＣＵ２８の出力側には、点火コイルを介して上述した点火プラグ１３や燃料噴射弁１４等が接続されており、これら点火コイル、燃料噴射弁１４等には、各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量や点火時期等の最適値がそれぞれ出力される。これにより、燃料噴射弁１４から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ１３によって適正なタイミングで点火が実施される。
【００１７】
実際に、ＥＣＵ２８では、スロットルセンサ１８からのスロットル開度情報θthとクランク角センサ２０からのエンジン回転速度情報Ｎｅとに基づいてエンジン負荷に対応する目標筒内圧、即ち目標平均有効圧Ｐｅを求めるようにされており、更に、この目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じてマップ（図示せず）より燃料噴射モードを設定するようにされている。例えば、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとが共に小さいときには、燃料噴射モードは圧縮行程噴射モードとされて燃料が圧縮行程で噴射され、一方、目標平均有効圧Ｐｅが大きくなり、あるいはエンジン回転速度Ｎｅが大きくなると燃料噴射モードは吸気行程噴射モードとされ、燃料が吸気行程で噴射される。
【００１８】
そして、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとから制御目標となる目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）が設定され、適正量の燃料噴射量がこの目標Ａ／Ｆに基づいて決定される。また、高温センサ２４により検出された排気温度情報からは触媒温度Ｔcat が推定される。詳しくは、高温センサ２４と吸蔵型ＮＯｘ触媒２５とが多少なりとも離れて配置されていることに起因する誤差を補正するために、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じて温度差マップが予め実験等により設定されており、触媒温度Ｔcat は、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとが決まると一義に推定されるようにされている。
【００１９】
以下、このように構成された本実施形態の内燃機関の排気浄化装置の作用について説明する。
【００２０】
排気浄化触媒装置２３の吸蔵型ＮＯｘ触媒２５では、リーンモードにおける超リーン燃焼運転時のような酸素濃度過剰雰囲気で、排気中のＮＯｘから硝酸塩が生成され、これによりＮＯｘが吸蔵されて排気の浄化が行われる。一方、三元触媒２６では、酸素濃度が低下した雰囲気で、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵した硝酸塩と排気中のＣＯとが反応して炭酸塩が生成されると共にＮＯｘが放出される。従って、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５へのＮＯｘの吸蔵が進むと、空燃比のリッチ化あるいは追加の燃料噴射を行うなどして酸素濃度を低下させてＣＯを排気中に供給し、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘを放出させて機能を維持する。
【００２１】
ところで、燃料や潤滑油内に含まれるイオウ成分（ＳＯｘ）も排気中に存在し、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、酸素濃度過剰雰囲気で、ＮＯｘの吸蔵とともにＳＯｘも吸蔵する。つまり、イオウ成分は酸化されてＳＯｘになり、このＳＯｘの一部は吸蔵型ＮＯｘ触媒２５上でさらに元来ＮＯｘ吸蔵用である吸蔵剤と反応して硫酸塩となってＮＯｘに代わって吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵される。
【００２２】
また、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、酸素濃度が低下すると吸蔵されたＳＯｘを放出する機能を有している。つまり、酸素濃度が低下してＣＯが過剰となった雰囲気では、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵した硫酸塩の一部と排気中のＣＯとが反応して炭酸塩が生成されると共にＳＯｘが脱離される。しかし、硫酸塩は硝酸塩よりも塩としての安定度が高く、酸素濃度が低下した雰囲気になっただけではその一部しか分解されないため、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に残留する硫酸塩の量は時間とともに増加する。これにより、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の吸蔵能力が時間と共に低下し、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５としての性能が悪化することになる（Ｓ被毒）。
【００２３】
ＮＯｘ吸蔵能力を再生するためには吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＳＯｘ量を推定してＳ被毒状況を推定し、Ｓ被毒がある程度以上進行すると、ＳＯｘを放出するようにする方法もあるが、ＳＯｘ吸蔵量は触媒温度、排気空燃比、燃料中Ｓ濃度（燃料種別）、エンジン運転状態などの種々の要因により影響を受けるため、正確にＳＯｘ吸蔵量を推定することは困難を伴う。このため、本実施形態では、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＳＯｘ吸蔵量を推定することはせず、触媒温度Ｔcat が設定温度以上となった場合に、再生手段が触媒を昇温させ、且つ、空燃比をリッチ化して吸蔵したＳＯｘを放出し、ＮＯｘ吸蔵能力を回復するようにしている。この再生手段は、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＳＯｘを放出する再生度合が所定範囲に保たれるように制御する。即ち、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の温度が活性温度（例えば、２５０〜３５０℃）より高く、且つ、吸蔵されたＳＯｘを脱離するのに適した温度（例えば、６５０℃）あるいはそれより低く設定された設定温度（例えば、６００℃〜８００℃）以上となった場合に、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５を昇温させると共に空燃比をリッチ化してＳＯｘを放出するようにしている。即ち、ある程度触媒温度が高いときにアシスト的に僅かに昇温手段を作動させることによりＳ再生速度を速く触媒温度域に到達させ、少ない昇温度合（即ち、少ない燃費悪化度合）で効率よくＳＯｘを放出させるものである。
【００２４】
ここで、Ｓパージ制御について、図２に示すフローチャート及び図３に示すタイムチャートに基づいて詳細に説明する。図２に示すように、まず、ステップＳ１では、高温センサ２４により検出された排気温度情報から吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒温度Ｔcat を推定する。この場合、前述したように、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じて設定された温度差マップに基づいて、高温センサ２４と実際の触媒温度との誤差が補正される。
【００２５】
次に、ステップＳ２にて、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５のＳ被毒からの再生（Ｓ再生）度合を表すＳ再生頻度を算出する（脱離頻度検知手段）が、以下にその算出方法について説明する。このＳ再生頻度は下記式（１）に基づいて算出する。
Ｓ再生頻度（ｓ／km）＝７００℃換算Ｓ再生時間／走行距離 ・・（１）
ここで、７００℃換算Ｓ再生時間とは、推定された触媒温度Ｔcat におけるＳ再生時間を吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒温度Ｔcat が７００℃のときのＳ再生時間に換算した時間の合計であり、この７００℃換算Ｓ再生時間を走行距離で除算することで、走行距離１kmあたりのＳ再生時間、つまり、Ｓ再生頻度を求めることができ、このＳ再生頻度が大きくなるとＳＯｘが良く放出（パージ）され、Ｓ被毒から良く再生されているということである。
【００２６】
この７００℃換算Ｓ再生時間の具体的な算出方法としては、下記式（２）に基づいて算出する。
７００℃換算Ｓ再生時間(n) ＝７００℃換算Ｓ再生時間(n-1) ＋Ｓ再生速度係数×計算周期×Ａ／Ｆ係数 ・・（２）
ここで、Ｓ再生速度係数は、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の温度によりＳ再生速度が異なることを補正するためのもので、各触媒温度でのＳ再生時間を７００℃相当のＳ再生時間に換算するためのものである。Ｓ再生速度は吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の温度が高くなるにつれて指数関数的に増加するので、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒温度Ｔcat が５８０℃以下の低温時では０とし、それよりも高温時では、指数関数により近似した下式（３）をもって算出する。
Ｓ再生速度係数＝exp ｛−ｋｋ×（１／Ｔ1 ）−（１／Ｔ0 ）｝・・（３）
ここで、ｋｋは、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５のＳ再生反応に応じて設定される所定の係数、Ｔ1 は、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒温度Ｔcat （Ｋ）、Ｔ0 は、９７３（７００＋２７３）（Ｋ）である。
なお、本実施形態では、ＥＣＵ２８内では指数関数による計算は行わずに予め計算した値を記憶した触媒温度に対するＳ再生速度係数マップから求めるようにしている。また、前述したＡ／Ｆ係数は、Ａ／ＦによるＳ再生度合を示すもので、空燃比がリーンモードまたは燃料カット時では０とし、それ以外のモードでは１とする。
【００２７】
なお、Ｓ再生頻度は、所定値Ｄ（例えば、１．５ｓ／km）以上でリセットされ、７００℃換算Ｓ再生時間を０ｓ、走行距離を０kmとする。つまり、Ｓ再生頻度が所定値Ｄ以上であれば、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は十分にパージされているとして再生を停止する。Ｓ再生頻度をリセットする際のしきい値Ｄの設定方法としては、次のようにすればよい。即ち、図６に示すように、Ｓ再生頻度が高いほどＮＯｘ排出値は小さくなることがわかっており、ＮＯｘの排出規制値以下となるようにＳ再生頻度を設定すればよい。このしきい値Ｄは、触媒特性やＮＯｘ排出規制値にも影響されるが、一般的に概ね１．５ｓ／km以上に設定すればよいことがわかっている。
【００２８】
このようにＳ再生頻度が求められたら、ステップＳ３にて、昇温設定温度ＺＳＴＥＭＰ（℃）を算出する。この場合、図４に示すように、Ｓ再生頻度に対するＺＳＴＥＭＰのマップが予め設定されている。このマップによれば、Ｓ再生頻度が低いときには、ＺＳＴＥＭＰは６００℃に設定され、Ｓ再生頻度の上昇に伴ってＺＳＴＥＭＰが上昇し、所定値Ｄで８００℃としている。即ち、昇温設定温度ＺＳＴＥＭＰはＳ再生頻度（脱離頻度検知手段の脱離頻度情報）に基づいて変更されるようになっている（設定温度変更手段）。
【００２９】
そして、ステップＳ４において、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒温度Ｔcat がＺＳＴＥＭＰ以上であるかどうかを判定し、触媒温度Ｔcat がＺＳＴＥＭＰより低ければ何もせずにこのルーチンを抜ける。一方、触媒温度Ｔcat がＺＳＴＥＭＰ以上であれば、Ｓ再生頻度がある程度低いと同時に吸蔵型ＮＯｘ触媒２５がある程度昇温されており、Ｓパージしやすい状態にあると推定されるため、ステップＳ５に移行し、制御モードをＳパージモードに切り換える（作動制御手段）。これにより吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＳＯｘの除去（Ｓパージ）が開始される。
【００３０】
即ち、ステップＳ６では、点火時期を制御、つまり、リタード（遅角）させることで吸蔵型ＮＯｘ触媒２５を昇温する（点火時期制御手段）。つまり、点火時期リタードにより吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に流入する排気を十分に加熱させることにより、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５はＳパージに適した温度（例えば、６５０℃〜８００℃）まで迅速に昇温されることになる。この場合、点火時期は下記式（４）によりリタードするように設定される。
点火時期＝ベース点火時期−ＺＳＳＡ×反映係数 ・・（４）
ここで、ＺＳＳＡは、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じて設定されたリタードマップに基づいて設定されるものであり、燃焼限界となるリタード量に余裕量を考慮した量として設定される。また、反映係数は、図５に示すように、触媒温度推定値、つまり、触媒温度Ｔcat に対応したマップに基づいて設定される。なお、この反映係数は燃料のカット時やスロットル開度が所定値以上のときは０としている。
【００３１】
続いて、ステップＳ７では、空燃比を制御する。即ち、リーン運転を禁止し、ストイキＦ／Ｂもしくはオープンループのリッチ運転のみとし、空燃比がストイキもしくはリッチとなるようにする。図７にＳ再生度合い（Ｓ再生後回復したＮＯｘ吸蔵量）とＳ再生時の空燃比（Ｓ再生Ａ／Ｆ）の関係を示すが、リーン以外、即ち、ストイキあるいはリッチであればＳ再生し、ストイキ〜リッチ間ではＳ再生時の空燃比への依存性は小さいことがわかる。ただし、リッチ度合いが大きいほど燃費の悪化度合いが大きく、またリッチ度合いが大きいと臭気の元となるＨ2 Ｓの発生度合いが大きくなる。そのため、Ｓ再生時の空燃比はストイキに近い方が好ましいが、制御誤差も見込んでわずかばかりリッチ（スライトリッチ）に設定するのがよく、即ち、１４〜１４．７とするのが好ましい。尚、図７からＳ再生時の吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の温度が６００℃のときには６５０℃や７００℃の１０倍時間をかけているにもかかわらずＳ再生度合いが小さく、また、７００℃のときにはＳ再生度合いが非常に大きくなっており、Ｓ再生度合いにはＳ再生時の触媒温度の影響が大きいことがわかる。
【００３２】
そして、ステップＳ８では、触媒温度Ｔcat が所定値Ｋ（例えば、６５０℃）よりも低い状態が所定の設定時間Ｃ（例えば、４５sec ）経過したら、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の昇温をやめると共に空燃比をリーン化してこのルーチンを抜ける。つまり、Ｓパージモードにしても触媒温度Ｔcat がイオウ成分の脱離に最適な温度（例えば、６５０℃以上）へなかなか近づかない場合に、燃費悪化を抑制するためにＳパージモードを停止させる（停止手段）ようにしている。一方、触媒温度Ｔcat が所定時間Ｃが経過するまでに所定値Ｋ以上になれば、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の昇温及び空燃比のリッチ化を継続する。
【００３３】
このようにしてＳパージモードでは、Ｓパージ制御のルーチンを繰り返すが、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＳＯｘが放出されると、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５のＳ再生頻度が大きくなり、図４のマップに基づいてＺＳＴＥＭＰも上昇する。そして、ＺＳＴＥＭＰが触媒温度Ｔcat を越えると、ステップＳ４において、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒温度Ｔcat がＺＳＴＥＭＰより低くなってこのルーチンを抜け、Ｓパージモードを停止する。
【００３４】
ここで、上述したＳパージモードへの切換制御を具体的に説明する。図３に示すように、ＳパージモードがＯＦＦで、Ｓ再生頻度が低いとき、昇温設定温度ＺＳＴＥＭＰは６００℃に設定されている。そして、ドライバの運転状態、例えば、加速時あるいは高速道路や山岳道路などを走行して触媒温度Ｔcat が上昇し、この触媒温度Ｔcat がＺＳＴＥＭＰを越えると、ＳパージモードがＯＮ（ステップＳ４でＹｅｓ）なる。すると、点火時期をリタードして吸蔵型ＮＯｘ触媒２５を昇温すると共に空燃比をリッチ化するため、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＳＯｘが放出される。そして、Ｓパージモードが継続するとＳ再生が進み、７００℃換算Ｓ再生時間が増加してＳ再生頻度が大きくなり、このＳ再生頻度が大きくなると、図４のマップに基づいてＺＳＴＥＭＰが上昇し、触媒温度Ｔcat を越える。
【００３５】
すると、ＳパージモードがＯＦＦ（ステップＳ４でＮｏ）となり、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の昇温をやめるため、触媒温度Ｔcat が低下する。その後、触媒温度Ｔcat が低い状態で走行距離が延びると、Ｓ再生頻度が小さくなると共に、ＺＳＴＥＭＰが低下して６００℃に戻る。
【００３６】
また、ドライバの運転状態により触媒温度Ｔcat が再び上昇し、触媒温度Ｔcat がＺＳＴＥＭＰを越えるとＳパージモードがＯＮ（ステップＳ４でＹｅｓ）される。このとき、ドライバが市街地のような場所で加減速を繰り返す運転状態を行っていると、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５はＳＯｘを放出するのに必要な高温状態になりにくい。即ち、この場合、触媒温度Ｔcat は最初ＺＳＴＥＭＰ（６００℃）を越えたものの６５０℃よりも低い状態が継続することとなり、この温度域ではＳ再生はされるもののＳ再生効率が低い。そのため、この状態の継続時間が設定時間Ｃを経過したら、ＳパージモードをＯＦＦ（ステップＳ４でＮｏ）とすることで、点火時期リタード及びリッチ化を中止しＳ再生効率が低い温度域では燃費の悪化を抑制できる。
【００３７】
なお、Ｓパージモードにて、空燃比をリッチ空燃比モードとしてリーン空燃比モードへの移行を禁止しているが、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が高温であるときには、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の熱劣化対策のために既にリーン空燃比モードは禁止となっている場合もある。
【００３８】
また、Ｓパージを行うときに点火時期リタードに応じてスロットル弁１７を作動してベーススロットル開度に対してスロットル開度θthを調整し、吸入空気量を操作しており、これによって点火時期リタードによるトルク低下分を補いトルクがほぼ一定となるように制御している。この場合、スロットル開度は下記式（５）により設定される。
スロットル開度＝ベーススロットル開度−ＺＳＥＴＶ×反映係数・・（５）
ここで、ＺＳＥＴＶは、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じて設定されたスロットル開度補正マップに基づいて設定されるものであり、また、反映係数は、前述したように、図５に示すマップに基づいて設定される。なお、この場合、補正された点火時期（リタード後の点火時期）に対するスロットル開度θthのマップにより設定してもよい。
【００３９】
このように本実施形態では、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＳＯｘを放出する再生度合が所定範囲に保たれるように制御、つまり、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒温度Ｔcat が活性温度（例えば、２５０〜３５０℃）より高く、且つ、吸蔵されたＳＯｘを脱離するのに適した温度（例えば、６５０℃〜８００℃）あるいはそれより低く設定された昇温設定温度ＺＳＴＥＭＰ以上となった場合に、点火時期をリタードして吸蔵型ＮＯｘ触媒２５を昇温させると共に空燃比をリッチ化してＳＯｘを放出する。
【００４０】
従って、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５がある程度高温状態にあるときに、アシスト的に吸蔵型ＮＯｘ触媒２５を昇温してＳ再生速度の遅いＳＯｘ放出速度に適した触媒温度域においてＳＯｘを放出して再生している。そのため、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が低温状態でＳＯｘの放出に最適な温度まで昇温するのに長時間を要するような場合に無理にＳ再生を実施するものではない。これによって長時間のリッチ化及び点火時期リタード、及び低温から大きく昇温しなければならないための大幅なリタードを行う必要がなく、燃費の悪化を抑制できる。
【００４１】
図８に一般的な走行時において本実施形態によるアシスト的な昇温によるＳ再生制御を使用したときと、使用しなかったときの吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒ベット温度の時間頻度の比較を示す。本制御を使用することにより、Ｓ再生速度が速くＳ再生に適した６５０℃以上の時間頻度が大きく増加し、よりＳ再生速度の速い７００℃以上の時間頻度も増加しており、効率よくＳ再生できていることがわかる。
【００４２】
また、Ｓパージモードで触媒温度Ｔcat がイオウ成分の脱離に最適な温度（例えば、６５０℃以上）へ近づかない場合、設定時間Ｃを経過した後にＳパージモードを停止させるようにしている。従って、例えば、車両が市街地のような場所で加減速を繰り返す運転状態のときは、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５がＳＯｘを放出するのに最適な高温状態になりにくいため、設定時間Ｃの経過を待ってＳパージモードを中止させており、これによってＳ再生効率が良くない温度帯ではリッチ化及び昇温の継続に制限を設けることにより燃費の悪化を抑制できる。
【００４３】
なお、本実施形態では、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の温度が活性温度を２５０℃〜３５０℃とし、吸蔵されたＳＯｘを脱離するのに適した温度を６５０℃から８００℃（より好ましくは７００℃以上）、昇温設定温度ＺＳＴＥＭＰを６００℃から開始しＳ再生頻度により変化させるようにしたが、各温度は吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の特性、あるいはエンジン形態や排気温度などにより適宜設定すればよいものである。本発明は再生手段の作動を推定頻度に基づいて制御することが特徴であるため、本実施形態の如く再生手段（昇温手段）の作動を開始する条件に温度条件を設定しなくてもよい。つまり、推定頻度が少なくイオウ成分の放出状態にならない運転が続いた場合に触媒温度に関係なく再生手段を作動させるようにしてもよい。また、本発明の昇温手段も、上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、例えば、膨張行程に追加燃料噴射を行う２段噴射や吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の上流の排気管２１内に直接燃料を噴射するようなものであってもよく、更に、電気加熱触媒等の加熱手段を用いてもよい。また、リッチ化手段としても前述の２段噴射あるいは排気管２１内への直接燃料噴射を用いてもよい。また、運転状態によっては、すでに触媒が高温となっている場合には昇温手段をあらためて作動させなくてもよい場合もあるし、すでにリッチとなっている場合にはあらためてリッチ化手段をさせなくてもよい場合もある。
【００４４】
また、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＳＯｘを放出する再生度合が所定範囲に保たれるようにＳパージを行うようにしたが、これに加えて、従来のような吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＳＯｘ量を推定してＳパージを行う装置を併設してもよい。この場合、従来のＳパージを行う装置は、副次的に使うことが好ましく、例えば、本発明のＳパージ制御に入る運転をドライバが行わなかったときに限り触媒の再生を目的として強制的に、または、ＳＯｘ量の推定結果に基づいて作動させることが燃費等の面で好ましい。更に、上述の実施形態では、エンジン１１を筒内噴射型火花点火式直列ガソリンエンジンとしたが、エンジン１１は吸蔵型ＮＯｘ触媒を有するものであれば、吸気管噴射型のリーンバーンエンジンあるいはディーゼルエンジンであってもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、安定した触媒装置の再生が可能となり、触媒装置の劣化による排ガス特性の悪化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】本実施形態の排気浄化装置によるＳパージ制御のフローチャートである。
【図３】Ｓパージ制御のタイムチャートである。
【図４】Ｓ再生頻度に対する昇温設定温度を表すグラフである。
【図５】触媒温度推定値に対する反映係数を表すグラフである。
【図６】Ｓ再生頻度とＮＯｘ排出量との関係を表すグラフである。
【図７】Ｓ再生Ａ／Ｆに対するＳ再生後の回復したＮＯｘ吸蔵触媒を表すグラフである。
【図８】一般走行において本実施形態を使用したときと使用しなかったときの触媒温度の時間頻度を表すグラフである。
【符号の説明】
１１ エンジン（内燃機関）
１３ 点火プラグ
１４ 燃料噴射弁
１５ 燃焼室
１７ スロットル弁
１８ スロットルセンサ
２０ クランク角センサ
２１ 排気管（排気通路）
２２ 三元触媒
２３ 排気浄化触媒装置（触媒装置）
２４ 高温センサ
２５ 吸蔵型ＮＯｘ触媒
２６ 三元触媒
２８ 電子コントロールユニット，ＥＣＵ（再生手段、作動制御手段、脱離頻度検知手段、設定温度変更手段）
Claims (2)
- 内燃機関の排気通路に設けられて排気空燃比が少なくともリーン空燃比のときに排気ガス中のイオウ成分を吸蔵すると共に吸蔵されたイオウ成分を高温且つ還元雰囲気で放出する特性を有する触媒装置と、該触媒装置を高温且つ還元雰囲気として吸蔵されたイオウ成分を脱離させる再生手段と、吸蔵されたイオウ成分が放出される状態になった頻度を推定する頻度推定手段と、該頻度推定手段の出力に基づいて前記再生手段の作動を制御する作動制御手段とを具えると共に、前記作動制御手段は前記触媒装置の温度が前記頻度推定手段により推定された再生頻度に対応する昇温設定温度を越えた場合、前記再生手段を作動させることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
- 前記昇温設定温度は前記頻度の増加に伴い高温に設定されていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
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