JP3570262B2 - 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、希薄燃焼可能な内燃機関より排出される排気ガスから窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化することができる排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
希薄燃焼可能な内燃機関より排出される排気ガスからＮＯｘを浄化する排気浄化装置として、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に代表されるＮＯｘ吸収剤がある。ＮＯｘ吸収剤は、流入排気ガスの空燃比がリーン（即ち、酸素過剰雰囲気下）のときにＮＯｘを吸収し、流入排気ガスの酸素濃度が低下したときに吸収したＮＯｘを放出するものであり、このＮＯｘ吸収剤の一種である吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、流入排気ガスの空燃比がリーン（即ち、酸素過剰雰囲気下）のときにＮＯｘを吸収し、流入排気ガスの酸素濃度が低下したときに吸収したＮＯｘを放出しＮ２に還元する触媒である。
【０００３】
この吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、単に触媒あるいはＮＯｘ触媒ということもある）を希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に配置すると、リーン空燃比の排気ガスが流れたときには排気ガス中のＮＯｘが触媒に吸収され、ストイキ（理論空燃比）あるいはリッチ空燃比の排気ガスが流れたときに触媒に吸収されていたＮＯｘがＮＯ２として放出され、さらに排気ガス中のＨＣやＣＯなどの還元成分によってＮ２に還元され、即ちＮＯｘが浄化される。
【０００４】
ところで、一般に、内燃機関の燃料には硫黄分が含まれており、内燃機関で燃料を燃焼すると、燃料中の硫黄分が燃焼してＳＯ２やＳＯ３などの硫黄酸化物（ＳＯｘ）が発生する。前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、ＮＯｘの吸収作用を行うのと同じメカニズムで排気ガス中のＳＯｘの吸収を行うので、内燃機関の排気通路にこのＮＯｘ触媒を配置すると、このＮＯｘ触媒にはＮＯｘのみならずＳＯｘも吸収される。
【０００５】
ところが、前記ＮＯｘ触媒に吸収されたＳＯｘは時間経過とともに安定な硫酸塩を形成するため、前記ＮＯｘ触媒からＮＯｘの放出・還元を行うのと同じ条件下では、分解、放出されにくく触媒内に蓄積され易い傾向がある。ＮＯｘ触媒内のＳＯｘ蓄積量が増大すると、触媒のＮＯｘ吸収容量が減少して排気ガス中のＮＯｘの除去を十分に行うことができなくなりＮＯｘ浄化効率が低下する。これが所謂ＳＯｘ被毒である。
【０００６】
そこで、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能を長期に亘って高く維持するために、ＮＯｘ触媒よりも上流に、排気ガス中のＳＯｘを主に吸収するＳＯｘ吸収剤を配置し、ＮＯｘ触媒にＳＯｘが流れ込まないようにしてＳＯｘ被毒の防止を図った排気浄化装置が開発されている。
【０００７】
前記ＳＯｘ吸収剤は、流入ガスの空燃比がリーンのときにＳＯｘを吸収し、流入ガスの酸素濃度が低いときに吸収したＳＯｘをＳＯ２として放出するものであるが、このＳＯｘ吸収剤のＳＯｘ吸収容量にも限りがあるため、ＳＯｘ吸収剤がＳＯｘで飽和する前にＳＯｘ吸収剤からＳＯｘを放出させる処理、即ち再生処理を実行する必要がある。
【０００８】
ＳＯｘ吸収剤の再生処理技術については、例えば特許番号第２６０５５８０号の特許公報に開示されている。この公報によれば、ＳＯｘ吸収剤に吸収されたＳＯｘを放出させるには、流入排気ガスの空燃比をストイキまたはリッチにして酸素濃度を低下させる必要があり、また、ＮＯｘ触媒の温度が高い方がＳＯｘが放出され易いとされている。
【０００９】
さらに、この公報に開示された再生処理技術では、ＳＯｘ吸収剤からＳＯｘを放出させたときに、放出されたＳＯｘが下流に配置されているＮＯｘ触媒に吸収されるのを防止するために、ＳＯｘ吸収剤とＮＯｘ触媒とを接続する排気管から分岐してＮＯｘ触媒を迂回するバイパス通路を設けるとともに、排気ガスをＮＯｘ触媒とバイパス通路のいずれに流すか選択的に切り替える排気切替弁を設け、ＳＯｘ吸収剤からＳＯｘを放出させる再生処理実行中は排気切替弁により排気ガスをバイパス通路に流れるようにしてＮＯｘ触媒には流れないようにし、再生処理を実行していない時には排気切替弁により排気ガスをＮＯｘ触媒に流れるようにしてバイパス通路には流れないようにしている。このようにすると、再生処理実行中においては、ＳＯｘ吸収剤から放出されたＳＯｘがＮＯｘ触媒に流れ込まなくなるので、ＮＯｘ触媒がＳＯｘ被毒するのを阻止することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の排気浄化装置では、再生処理を実行していない時には常に排気ガスをＮＯｘ触媒に流すようにしているため、例えば車両駆動用の内燃機関の場合、車両の運転状態からの要求（例えば、始動時や加速時など）により内燃機関の燃焼室に供給される混合気の空燃比がストイキまたはリッチの運転が継続して行われ、その結果、ストイキまたはリッチ空燃比の排気ガスが内燃機関から継続して排出され、このストイキまたはリッチ空燃比の排気ガスがＳＯｘ吸収剤に流れてＳＯｘ吸収剤からＳＯｘが放出された場合には、放出されたＳＯｘがＮＯｘ触媒に流入して吸収され、ＮＯｘ触媒がＳＯｘ被毒する虞れがあった。特に、前記運転状態において排気ガス温度が高温になったときには、ＳＯｘ吸収剤からＳＯｘが放出され易くなり、ＳＯｘ被毒の可能性が大きくなるので、改善の余地があった。
【００１１】
本発明はこのような従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、ＳＯｘ吸収剤の再生処理実行中に限らず排気ガスの空燃比がストイキまたはリッチになったときには排気ガスをＮＯｘ吸収剤を迂回して流すことにより、ＮＯｘ吸収剤のＳＯｘ被毒を確実に阻止することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。
（１）本出願の第１の発明は、（イ）希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に配置され流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＳＯｘを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸収したＳＯｘを放出するＳＯｘ吸収剤と、（ロ）前記ＳＯｘ吸収剤よりも下流の前記排気通路に配置され流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収剤と、（ハ）前記ＳＯｘ吸収剤と前記ＮＯｘ吸収剤との間の前記排気通路から分岐して前記ＮＯｘ吸収剤を迂回して排気ガスを流すバイパス通路と、（ニ）前記ＳＯｘ吸収剤からＳＯｘを放出すべき再生処理実行期間中はＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスを前記バイパス通路に導いて排気ガスが前記ＮＯｘ吸収剤に流入するのを阻止し、前記再生処理実行期間以外はＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスを前記ＮＯｘ吸収剤に導いて排気ガスが前記バイパス通路を流通するのを阻止する排気流れ切替手段と、を備える内燃機関の排気浄化装置において、（ホ）前記ＮＯ ｘ 吸収剤よりも下流の排気通路に三元触媒を備え、前記バイパス通路は、前記ＳＯ ｘ 吸収剤から前記ＮＯ ｘ 吸収剤の間と、前記ＮＯ ｘ 吸収剤から前記三元触媒の間と、を接続するように設けられていることを特徴とする。
【００１３】
第１の発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、ＳＯｘ吸収剤に対して再生処理を実行しているときには、排気流れ切替手段により内燃機関の排気ガスはＳＯｘ吸収剤からバイパス通路を通って排出されるので、ＮＯｘ吸収剤に排気ガスが流入することがない。これにより、ＳＯｘ吸収剤の再生排気に含まれるＳＯｘがＮＯｘ吸収剤に吸収されることがなく、ＮＯｘ吸収剤がＳＯｘ被毒することはない。
【００１４】
一方、ＳＯｘ吸収剤に対して再生処理を実行していないときには、排気流れ切替手段により内燃機関の排気ガスはＳＯｘ吸収剤からＮＯｘ吸収剤を通って排出される。このときには、排気ガスに含まれるＳＯｘはＳＯｘ吸収剤に吸収されるので、ＮＯｘ吸収剤では排気ガス中のＮＯｘだけが吸収され、ＮＯｘ吸収剤がＳＯｘ被毒することはない。
【００１５】
また、ＳＯｘ吸収剤を再生処理していないときであっても、内燃機関の運転状態からの要求により排気ガスの空燃比がストイキまたはリッチになったときには、前記作動制御手段が排気流れ切替手段を作動して、排気ガスをＳＯｘ吸収剤からバイパス通路に流れるようにし、ＮＯｘ吸収剤に排気ガスが流れないようにする。したがって、ＳＯｘ吸収剤からＳＯｘが放出されても、そのＳＯｘがＮＯｘ吸収剤に流入することがないので、ＮＯｘ吸収剤がＳＯｘ被毒することはない。
【００１６】
（２）本出願の第２の発明は、（イ）希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に配置され流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＳＯｘを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸収したＳＯｘを放出するＳＯｘ吸収剤と、（ロ）前記ＳＯｘ吸収剤よりも下流の前記排気通路に配置され流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収剤と、（ハ）前記ＳＯｘ吸収剤と前記ＮＯｘ吸収剤との間の前記排気通路から分岐して前記ＮＯｘ吸収剤を迂回して排気ガスを流すバイパス通路と、（ニ）前記ＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスを前記ＮＯｘ吸収剤とバイパス通路のいずれかに流すか選択的に切り替える排気流れ切替手段と、（ホ）排気ガスの空燃比をリーン制御しているときには前記ＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスを前記ＮＯｘ吸収剤に導いて排気ガスが前記バイパス通路を流通するのを阻止し、排気ガスの空燃比をストイキ制御またはリッチ制御しているときには前記ＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスを前記バイパス通路に導いて排気ガスが前記ＮＯｘ吸収剤に流入するのを阻止するように前記排気流れ切替手段の作動を制御する作動制御手段と、（へ）前記ＮＯ ｘ 吸収剤よりも下流の排気通路配置された三元触媒と、を備え、前記バイパス通路は、前記ＳＯ ｘ 吸収剤から前記ＮＯ ｘ 吸収剤の間と、前記ＮＯ ｘ 吸収剤から前記三元触媒の間と、を接続するように設けられていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。
【００１７】
第２の発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、排気ガスの空燃比をリーン制御しているときには、ＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスをＮＯｘ吸収剤に導くとともに排気ガスがバイパス通路に流れないように、作動制御手段が排気流れ切替手段を作動制御する。したがって、このときにはＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスはＮＯｘ吸収剤を通って排出され、排気ガスに含まれるＳＯｘはＳＯｘ吸収剤に吸収されるので、ＮＯｘ吸収剤では排気ガス中のＮＯｘだけが吸収され、ＮＯｘ吸収剤がＳＯｘ被毒することはない。
【００１８】
一方、排気ガスの空燃比をストイキ制御またはリッチ制御しているときには、ＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスをバイパス通路に導くとともに排気ガスが前記ＮＯｘ吸収剤に流れないように、作動手段が排気流れ切替手段を作動制御する。したがって、このときにはＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスはバイパス通路を通って排出され、ＮＯｘ吸収剤に排気ガスが流入することがないので、ＳＯｘ吸収剤からＳＯｘが放出されてもそのＳＯｘがＮＯｘ吸収剤に吸収されることがなく、ＮＯｘ吸収剤がＳＯｘ被毒することはない。
【００１９】
前記第１の発明あるいは第２の発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、希薄燃焼可能な内燃機関としては、筒内直接噴射式のリーンバーンガソリンエンジンやディーゼルエンジンを例示することができる。リーンバーンガソリンエンジンの場合には、排気ガスの空燃比制御は燃焼室に供給される混合気の空燃比制御により実現可能である。ディーゼルエンジンの場合の排気ガスの空燃比制御は、吸気行程または膨張行程または排気行程で燃料を噴射する所謂副噴射を行うか、あるいは、ＳＯｘ吸収剤よりも上流の排気通路内に還元剤を供給することにより実現可能である。
ここで、排気ガスの空燃比とは、機関吸気通路及びＳＯｘ吸収剤よりも上流での排気通路内に供給された空気及び燃料（炭化水素）の比をいう。
【００２０】
前記第１の発明あるいは第２の発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、ＳＯｘ吸収剤としては、アルミナからなる担体上に銅Ｃｕ、鉄Ｆｅ、マンガンＭｎ、ニッケルＮｉのような遷移金属、ナトリウムＮａ、チタンＴｉおよびリチウムＬｉから選ばれた少なくとも一つを坦持したものを例示することができる。また、ＳＯｘを硫酸イオンＳＯ４ ２−の形でＳＯｘ吸収剤内に吸収され易くするために、ＳＯｘ吸収剤の担体上に、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈのいずれかを坦持させるのが好ましい。
【００２１】
前記第１の発明あるいは第２の発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯｘ吸収剤としては、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を例示することができる。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸収し、流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出し、Ｎ２に還元する触媒である。この吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、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と、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されてなるもの例示することができる。
【００２２】
前記第１の発明あるいは第２の発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、前記バイパス通路の終端はＮＯｘ吸収剤の下流の排気通路に連結しても連結しなくてもいずれでもよい。
【００２３】
前記第１の発明あるいは第２の発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、前記排気流れ切替手段は、バイパス通路の分岐部に設けた切替弁で構成することもできるし、あるいは、分岐部よりもＮＯｘ吸収剤に近い位置にある排気通路に第１の開閉弁を設けバイパス通路に第２の開閉弁を設けて一方の開閉弁が開くと他方の開閉弁が閉じるように制御して構成することもできる。
【００２４】
前記第１の発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、「内燃機関の運転状態からの要求」とは、例えば、内燃機関の高負荷運転時、全負荷運転時、始動時の暖機運転時、加速時、高速の定速運転時などが考えられる。
【００２５】
前記第１の発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、前記ＳＯｘ吸収剤の温度を計測または予測する温度検出手段を備え、温度検出手段で計測または予測した温度が所定温度以上のときに前記作動制御手段が排気流れ切替手段を排気ガスが前記バイパス通路に導かれるように作動制御するようにすることができる。
【００２６】
ＳＯｘ吸収剤の温度を計測する温度検出手段は、ＳＯｘ吸収剤の温度を直接検出する温度センサで構成することができる。ＳＯｘ吸収剤の温度の予測には、ＳＯｘ吸収剤の入口あるいは出口に設けた温度センサで排気ガス温度を検出し、この排気ガス温度をＳＯｘ吸収剤の温度として代用する場合、あるいは内燃機関の運転状態から排気ガス温度を予測し、この排気ガス温度をＳＯｘ吸収剤の温度として代用する場合などが含まれる。
【００２７】
前記第１の発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、前記ＮＯｘ吸収剤よりも下流の排気通路に三元触媒を備え、前記バイパス通路は、前記ＳＯｘ吸収剤から前記ＮＯｘ吸収剤の間と、前記ＮＯｘ吸収剤から前記三元触媒の間とを接続するように設けることが可能である。このようにすると、排気ガスをバイパス通路に流しているときに、排気ガスに含まれる未燃ＨＣ，ＣＯやＮＯｘに対する浄化率が向上する。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の一実施の形態を図１から図６の図面に基いて説明する。
【００２９】
〔第１の実施の形態〕
図１は本発明を希薄燃焼可能な車両用ガソリンエンジンに適用した場合の概略構成を示す図である。この図において、符号１は機関本体、符号２はピストン、符号３は燃焼室、符号４は点火栓、符号５は吸気弁、符号６は吸気ポート、符号７は排気弁、符号８は排気ポートを夫々示す。
【００３０】
吸気ポート６は対応する枝管９を介してサージタンク１０に連結され、各枝管９には夫々吸気ポート６内に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁１１が取り付けられている。サージタンク１０は吸気ダクト１２およびエアフロメータ１３を介してエアクリーナ１４に連結され、吸気ダクト１２内にはスロットル弁１５が配置されている。
【００３１】
一方、排気ポート８は排気マニホルド１６を介してＳＯｘ吸収剤１７を内蔵したケーシング１８に連結され、ケーシング１８の出口部は排気管１９を介して吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ吸収剤）２０を内蔵したケーシング２１に連結されている。以下、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒２０をＮＯｘ触媒２０と略す。ケーシング２１は排気管２２を介して三元触媒２３を内蔵したケーシング２４に連結され、このケーシング２４は排気管２５を介して図示しないマフラーに接続されている。
【００３２】
ケーシング２１の入口部２１ａと排気管２２はバイパス管２６によって連結されており、バイパス管２６の分岐部であるケーシング２１の入口部２１ａには、アクチュエータ２７によって弁体が作動される排気切替弁（排気流れ切替手段）２８が設けられている。この排気切替弁２８はアクチュエータ２７によって、図１の実線で示されるようにバイパス管２６の入口部を閉鎖し且つＮＯｘ触媒２０への入口部を全開にするバイパス閉位置と、図１の破線で示されるようにＮＯｘ触媒２０への入口部を閉鎖し且つバイパス管２６の入口部を全開にするバイパス開位置のいずれか一方の位置を選択して作動せしめられる。
【００３３】
エンジンコントロール用の電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０はデジタルコンピュータからなり、双方向バス３１によって相互に接続された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（セントラルプロセッサユニット）３４、入力ポート３５、出力ポート３６を具備する。エアフロメータ１３は吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧がＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、スロットル弁１５にはスロットル弁１５がアイドリング開度であることを検出するアイドルスイッチ４０が取り付けられ、このアイドルスイッチ４０の出力信号が入力ポート３５に入力される。
【００３４】
一方、ＳＯｘ吸収剤１７の下流の排気管１９内にはＳＯｘ吸収剤１７を出た排気ガスの温度に比例した出力電圧を発生する温度センサ２９が取り付けられ、この温度センサ２９の出力電圧がＡＤ変換器３８を介して入力ポート３５に入力される。また、入力ポート３５には機関回転数を表す出力パルスを発生する回転数センサ４１が接続されている。出力ポート３６は対応する駆動回路３９を介して夫々点火栓４および燃料噴射弁１１、アクチュエータ２７に接続されている。
【００３５】
このガソリンエンジンでは、例えば次式に基づいて燃料噴射時間ＴＡＵが算出される。
ＴＡＵ＝ＴＰ・Ｋ
ここで、ＴＰは基本燃料噴射時間を示しており、Ｋは補正係数を示している。基本燃料噴射時間ＴＰは機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比を理論空燃比とするのに必要な燃料噴射時間を示している。この基本燃料噴射時間ＴＰは予め実験により求められ、機関負荷Ｑ／Ｎ（吸入空気量Ｑ／機関回転数Ｎ）および機関回転数Ｎの関数として図２に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。補正係数Ｋは機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比を制御するための係数であって、Ｋ＝１．０であれば機関シリンダ内に供給される混合気は理論空燃比となる。これに対してＫ＜１．０になれば機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比は理論空燃比よりも大きくなり、即ちリーンとなり、Ｋ＞１．０になれば機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比は理論空燃比よりも小さくなり、即ちリッチとなる。
【００３６】
この実施の形態のガソリンエンジンでは、機関低中負荷運転領域では補正係数Ｋの値が１．０よりも小さい値とされてリーン空燃比制御が行われ、機関高負荷運転領域、エンジン始動時の暖機運転時、加速時、及び１２０ｋｍ／ｈ以上の定速運転時には補正係数Ｋの値が１．０とされてストイキ制御が行われ、機関全負荷運転領域では補正係数Ｋの値は１．０よりも大きな値とされてリッチ空燃比制御が行われるように設定してある。
【００３７】
内燃機関では通常、低中負荷運転される頻度が最も高く、したがって運転期間中の大部分において補正係数Ｋの値が１．０よりも小さくされて、リーン混合気が燃焼せしめられることになる。
【００３８】
図３は燃焼室３から排出される排気ガス中の代表的な成分の濃度を概略的に示している。この図からわかるように、燃焼室３から排出される排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯの濃度は燃焼室３内に供給される混合気の空燃比がリッチになるほど増大し、燃焼室３から排出される排気ガス中の酸素Ｏ２の濃度は燃焼室３内に供給される混合気の空燃比がリーンになるほど増大する。
【００３９】
ケーシング２１内に収容されているＮＯｘ触媒２０は、例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、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と、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されてなる。機関吸気通路およびＮＯｘ触媒２０より上流の排気通路内に供給された空気および燃料（炭化水素）の比をＮＯｘ触媒２０への流入排気ガスの空燃比と称する（以下、排気空燃比と略称する）と、このＮＯｘ触媒２０は、排気空燃比がリーンのときにはＮＯｘを吸収し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘの吸放出作用を行う。
【００４０】
なお、ＮＯｘ触媒２０より上流の排気通路内に燃料（炭化水素）あるいは空気が供給されない場合には、排気空燃比は燃焼室３内に供給される混合気の空燃比に一致し、したがってこの場合には、ＮＯｘ触媒２０は燃焼室３内に供給される混合気の空燃比がリーンのときにはＮＯｘを吸収し、燃焼室３内に供給される混合気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出することになる。
【００４１】
上述のＮＯｘ触媒２０を機関排気通路内に配置すればこのＮＯｘ触媒２０は実際にＮＯｘの吸放出作用を行うが、この吸放出作用の詳細なメカニズムについては明かでない部分もある。しかしながら、この吸放出作用は図４に示すようなメカニズムで行われているものと考えられる。次に、このメカニズムについて担体上に白金ＰｔおよびバリウムＢａを担持させた場合を例にとって説明するが、他の貴金属，アルカリ金属，アルカリ土類，希土類を用いても同様なメカニズムとなる。
【００４２】
即ち、流入排気ガスがかなりリーンになると流入排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大し、図４（Ａ）に示されるように酸素Ｏ２ がＯ２ −又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入排気ガスに含まれるＮＯは、白金Ｐｔの表面上でＯ２ −又はＯ２−と反応し、ＮＯ２ となる（２ＮＯ＋Ｏ２ →２ＮＯ２ ）。
【００４３】
次いで、生成されたＮＯ２の一部は、白金Ｐｔ上で酸化されつつＮＯｘ触媒２０内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、図４（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ３ −の形でＮＯｘ触媒２０内に拡散する。このようにしてＮＯｘがＮＯｘ触媒２０内に吸収される。
【００４４】
流入排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔの表面でＮＯ２が生成され、ＮＯｘ触媒２０のＮＯｘ 吸収能力が飽和しない限り、ＮＯ２がＮＯｘ触媒２０内に吸収されて硝酸イオンＮＯ３ −が生成される。
【００４５】
これに対して、流入排気ガス中の酸素濃度が低下してＮＯ２の生成量が低下すると反応が逆方向（ＮＯ３ −→ＮＯ２）に進み、ＮＯｘ触媒２０内の硝酸イオンＮＯ３ −がＮＯ２またはＮＯの形でＮＯｘ触媒２０から放出される。即ち、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると、ＮＯｘ触媒２０からＮＯｘが放出されることになる。図３に示されるように、流入排気ガスのリーンの度合いが低くなれば流入排気ガス中の酸素濃度が低下し、したがって流入排気ガスのリーンの度合いを低くすればＮＯｘ触媒２０からＮＯｘが放出されることとなる。
【００４６】
一方、このとき、燃焼室３内に供給される混合気がストイキまたはリッチにされて排気空燃比がストイキまたはリッチになると、図３に示されるように機関からは多量の未燃ＨＣ，ＣＯが排出され、これら未燃ＨＣ，ＣＯは、白金Ｐｔ上の酸素Ｏ２ −又はＯ２−と反応して酸化せしめられる。
【００４７】
また、排気空燃比がストイキまたはリッチになると流入排気ガス中の酸素濃度が極度に低下するためにＮＯｘ触媒２０からＮＯ２またはＮＯが放出され、このＮＯ２またはＮＯは、図４（Ｂ）に示されるように未燃ＨＣ、ＣＯと反応して還元せしめられてＮ２となる。
【００４８】
即ち、流入排気ガス中のＨＣ，ＣＯは、まず白金Ｐｔ上の酸素Ｏ２ −又はＯ２−とただちに反応して酸化せしめられ、次いで白金Ｐｔ上の酸素Ｏ２ −又はＯ２−が消費されてもまだＨＣ，ＣＯが残っていれば、このＨＣ，ＣＯによってＮＯｘ触媒から放出されたＮＯｘおよびエンジンから排出されたＮＯｘがＮ２に還元せしめられる。
【００４９】
このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯ２またはＮＯが存在しなくなると、ＮＯｘ触媒２０から次から次へとＮＯ２またはＮＯが放出され、さらにＮ２に還元せしめられる。したがって、排気空燃比をストイキまたはリッチにすると短時間の内にＮＯｘ触媒２０からＮＯｘが放出されることになる。
【００５０】
このように、排気空燃比がリーンになるとＮＯｘがＮＯｘ触媒２０に吸収され、排気空燃比をストイキあるいはリッチにするとＮＯｘがＮＯｘ触媒２０から短時間のうちに放出され、Ｎ２に還元される。したがって、大気中へのＮＯｘの排出を阻止することができる。
【００５１】
ところで、この実施の形態では前述したように、全負荷運転時には燃焼室３内に供給される混合気がリッチとされ、また高負荷運転時、エンジン始動時の暖機運転時、加速時、及び１２０ｋｍ／ｈ以上の定速運転時には混合気が理論空燃比とされ、低中負荷運転時には混合気がリーンとされるので、低中負荷運転時に排気ガス中のＮＯｘがＮＯｘ触媒２０に吸収され、全負荷運転時及び高負荷運転時にＮＯｘ触媒２０からＮＯｘが放出され還元されることになる。しかしながら、全負荷運転あるいは高負荷運転の頻度が少なく、低中負荷運転の頻度が多くその運転時間が長ければ、ＮＯｘの放出・還元が間に合わなくなり、ＮＯｘ触媒２０のＮＯｘの吸収能力が飽和してＮＯｘを吸収できなくなってしまう。
【００５２】
そこで、この実施の形態では、リーン混合気の燃焼が行われている場合、即ち中低負荷運転を行っているときには、比較的に短い周期でスパイク的（短時間）にストイキまたはリッチ混合気の燃焼が行われるように混合気の空燃比を制御し、短周期的にＮＯｘの放出・還元を行っている。このようにＮＯｘの吸放出のために、排気空燃比（この実施の形態では混合気の空燃比）が比較的に短い周期で「リーン」と「スパイク的なストイキまたはリッチ」を交互に繰り返されるように制御することを、以下の説明ではリーン・リッチスパイク制御と称す。尚、この出願においては、リーン・リッチスパイク制御はリーン空燃比制御に含まれるものとする。
【００５３】
一方、燃料には硫黄（Ｓ）が含まれており、燃料中の硫黄が燃焼するとＳＯ２やＳＯ３などの硫黄酸化物（ＳＯｘ）が発生し、ＮＯｘ触媒２０は排気ガス中のこれらＳＯｘも吸収する。ＮＯｘ触媒２０のＳＯｘ吸収メカニズムはＮＯｘ吸収メカニズムと同じであると考えられる。即ち、ＮＯｘの吸収メカニズムを説明したときと同様に担体上に白金ＰｔおよびバリウムＢａを坦持させた場合を例にとって説明すると、前述したように、排気空燃比がリーンのときには、酸素Ｏ２がＯ２ −又はＯ２−の形でＮＯｘ触媒２０の白金Ｐｔの表面に付着しており、流入排気ガス中のＳＯｘ（例えばＳＯ２）は白金Ｐｔの表面上で酸化されてＳＯ３となる。
【００５４】
その後、生成されたＳＯ３は、白金Ｐｔの表面で更に酸化されながらＮＯｘ触媒２０内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合し、硫酸イオンＳＯ４ ２−の形でＮＯｘ触媒２０内に拡散し硫酸塩ＢａＳＯ４を生成する。この硫酸塩ＢａＳＯ４は安定していて分解しずらく、流入排気ガスの空燃比をリッチにしても分解されずにＮＯｘ触媒２０内に残ってしまう。したがって、時間経過に伴いＮＯｘ触媒２０内のＢａＳＯ４の生成量が増大するとＮＯｘ触媒２０の吸収に関与できるＢａＯの量が減少してＮＯｘの吸収能力が低下してしまう。これが即ちＳＯｘ被毒である。
【００５５】
そこで、この実施の形態ではＮＯｘ吸収剤２０にＳＯｘが流入しないように、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＳＯｘを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸収したＳＯｘを放出し且つ三元触媒の機能を有するＳＯｘ吸収剤１７を、ＮＯｘ吸収剤２０よりも上流に配置しているのである。このＳＯｘ吸収剤１７は、ＳＯｘ吸収剤１７に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにはＳＯｘと共にＮＯｘも吸収するが、流入する排気ガスの空燃比をストイキまたはリッチにし酸素濃度が低くなると吸収したＳＯｘばかりでなくＮＯｘも放出する。
【００５６】
前述したように、ＮＯｘ触媒２０ではＳＯｘが吸収されると安定した硫酸塩ＢａＳＯ４が生成され、その結果、ＮＯｘ触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をストイキまたはリッチにしてもＳＯｘがＮＯｘ触媒２０から放出されなくなる。したがって、ＳＯｘ吸収剤１７に流入する排気ガスの空燃比をストイキまたはリッチにしたときにＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘが放出されるようにするためには、吸収したＳＯｘが硫酸イオンＳＯ４ ２−の形でＳＯｘ吸収剤１７内に存在するようにするか、あるいは、硫酸塩ＢａＳＯ４が生成されたとしても硫酸塩ＢａＳＯ４が安定しない状態でＳＯｘ吸収剤１７に存在するようにすることが必要となる。これを可能とするＳＯｘ吸収剤１７としては、アルミナからなる担体上に銅Ｃｕ、鉄Ｆｅ、マンガンＭｎ、ニッケルＮｉのような遷移金属、ナトリウムＮａ、チタンＴｉおよびリチウムＬｉから選ばれた少なくとも一つを坦持したＳＯｘ吸収剤１７を用いることができる。
【００５７】
このＳＯｘ吸収剤１７では、ＳＯｘ吸収剤１７に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のＳＯ２がＳＯｘ吸収剤１７の表面で酸化されつつ硫酸イオンＳＯ４ ２−の形でＳＯｘ吸収剤１７内に吸収され、次いでＳＯｘ吸収剤１７内に拡散される。この場合、ＳＯｘ吸収剤１７の担体上に白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈのうちのいずれかを坦持させておくとＳＯ２がＳＯ３ ２−の形で白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ上に吸着し易くなり、かくしてＳＯ２は硫酸イオンＳＯ４ ２−の形でＳＯｘ吸収剤１７内に吸収され易くなる。したがって、ＳＯ２の吸収を促進するためにはＳＯｘ吸収剤１７の担体上に白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈのいずれかを坦持させることが好ましい。
【００５８】
このＳＯｘ吸収剤１７をＮＯｘ触媒２０の上流に配置すると、ＳＯｘ吸収剤１７に流入する排気ガスの空燃比がリーンになると排気ガス中のＳＯｘがＳＯｘ吸収剤１７に吸収され、したがって、下流のＮＯｘ触媒２０にはＳＯｘが流れ込まなくなり、ＮＯｘ触媒２０では排気ガス中のＮＯｘのみが吸収されることになる。
【００５９】
一方、前述したようにＳＯｘ吸収剤１７に吸収されたＳＯｘは硫酸イオンＳＯ４ ２ −の形でＳＯｘ吸収剤１７に拡散しているか、あるいは不安定な状態で硫酸塩ＢａＳＯ４となっている。したがって、ＳＯｘ吸収剤１７に流入する排気ガスの空燃比がストイキまたはリッチになって酸素濃度が低下するとＳＯｘ吸収剤１７に吸収されているＳＯｘがＳＯｘ吸収剤１７から容易に放出されることになる。
【００６０】
ところで、本出願人の研究により、ＳＯｘ吸収剤１７の吸放出作用に関して次のことがわかった。ＳＯｘ吸収剤１７に吸収されているＳＯｘ量が少ないときには、ＳＯｘ吸収剤１７のＳＯｘ吸着力が強いため、ＳＯｘ吸収剤１７にストイキまたはリッチ空燃比の排気ガスを短時間（例えば５秒以下）流したのではＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘは放出されない。これについては、本出願人は、ＳＯｘ吸収剤１７に吸収されているＳＯｘ量が少ないときに、ＮＯｘ触媒２０からＮＯｘを放出させるために行うリーン・リッチスパイク制御のときのストイキまたはリッチ空燃比の継続時間ではＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘが放出されないことを確認している。ただし、ＳＯｘ吸収剤１７に吸収されているＳＯｘ量が少ないときであっても、ＳＯｘ吸収剤１７にストイキまたはリッチ空燃比の排気ガスを長時間流した場合には、ＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘが放出される。
【００６１】
しかしながら、ＳＯｘ吸収剤１７に吸収されているＳＯｘ量が増えたときには、ＳＯｘ吸収剤１７のＳＯｘ吸着力が弱くなるため、ＳＯｘ吸収剤１７にストイキまたはリッチ空燃比の排気ガスを短時間流した場合にもＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘが漏れ出て、下流のＮＯｘ触媒２０を被毒する虞れがある。
【００６２】
そこで、この実施の形態では、エンジンの運転状態の履歴からＳＯｘ吸収剤１７に吸収されたＳＯｘ量を推定し、その推定ＳＯｘ吸収量が所定量に達した時をＳＯｘ吸収剤１７の再生時期と判断して、ＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘを放出させる再生処理を実行する。ＳＯｘ吸収剤１７の再生処理を実行するに際し、ＥＣＵ３０は、機関回転数Ｎと機関負荷Ｑ／Ｎからその時の機関運転状態を判断し、また、温度センサ２９で検出したその時の排気ガス温度をＳＯｘ吸収剤１７の温度として代用し、機関運転状態とＳＯｘ吸収剤１７の温度に基づき燃費悪化が少なく最も効率的にＳＯｘを放出できるストイキまたはリッチ条件を選定し、その条件の排気ガスを長時間ＳＯｘ吸収剤１７に流すことにより実行する。
【００６３】
また、ＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘを放出させるには、ＳＯｘ吸収剤１７の温度を所定温度（例えば、５５０゜Ｃ）以上の高温にする必要があることがわかっており、ＥＣＵ３０は、ＳＯｘ吸収剤１７の再生処理実行中、適宜の手段によって排気ガス温度の温度制御を行い、ＳＯｘ吸収剤１７の温度を前記所定温度（以下、これをＳＯｘ放出温度という）以上に制御する。
【００６４】
ＳＯｘ吸収剤１７を再生すると、ＳＯｘ吸収剤１７から流出した排気ガス（以下、これを再生排気という）にはＳＯｘ吸収剤１７から放出された多量のＳＯｘが含まれることとなるため、この再生排気がＮＯｘ触媒２０に流入すると再生排気中のＳＯｘがＮＯｘ触媒２０に吸収され、ＮＯｘ触媒２０がＳＯｘ被毒してしまい、ＳＯｘ吸収剤１７を設けた意味がなくなってしまう。そこで、この実施の形態では、ＳＯｘ吸収剤１７の再生処理時にＳＯｘ吸収剤１７から放出されたＳＯｘがＮＯｘ触媒２０に吸収されるのを阻止するために、ＳＯｘ吸収剤１７の再生処理時にはＳＯｘ吸収剤１７から流出した再生排気をバイパス管２６内に導くようにしている。
【００６５】
詳述すると、排気ガス中のＮＯｘをＮＯｘ触媒１７で吸放出し還元浄化するために空燃比のリーン・リッチスパイク制御を実行しているときには、排気切替弁２８が図１において実線で示すようにバイパス閉位置に保持され、したがって、このときにはＳＯｘ吸収剤１７から流出した排気ガスはＮＯｘ触媒２０に流入する。そして、排気ガス中のＳＯｘはＳＯｘ吸収剤１７に吸収され、排気ガス中のＮＯｘのみがＮＯｘ触媒２０で吸放出されて、還元浄化されることになる。
【００６６】
次いで、ＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘを放出すべきとき、即ちＳＯｘ吸収剤１７の再生処理を実行するときには、空燃比制御はリーン・リッチスパイク制御からストイキまたはリッチ制御に切り替えられ、同時に排気切替弁２８がバイパス閉位置から図１において破線で示すバイパス開位置に切り替えられ保持される。ストイキまたはリッチ空燃比の排気ガスがＳＯｘ吸収剤１７に流入するとＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘが放出されるが、このときＳＯｘ吸収剤１７から流出した再生排気はＮＯｘ触媒２０内には流入せず、バイパス管２６内に流入する。したがって、ＮＯｘ触媒２０が再生排気中のＳＯｘによってＳＯｘ被毒するのを阻止することができる。尚、排気ガス（再生排気）中のＳＯｘは排気ガス中の未燃ＨＣ、ＣＯによって還元せしめられ、ＳＯ２となって放出される。
【００６７】
次いで、ＳＯｘ吸収剤１７の再生処理を停止すべきときには、空燃比制御がストイキまたはリッチ制御からリーン・リッチスパイク制御に切り替えられ、同時に、排気切替弁２８がバイパス開位置から図１において実線で示すバイパス閉位置に切り替えられる。排気ガスの空燃比がリーン・リッチスパイク制御になると、ＳＯｘ吸収剤１７からのＳＯｘ放出作用が停止せしめられる。
【００６８】
ＳＯｘ吸収剤１７の再生処理中には、機関本体１から未燃ＨＣ，ＣＯおよびＮＯｘが排出されるが、ＳＯｘ吸収剤１７は三元触媒の機能を有しているのでこれら未燃ＨＣ，ＣＯおよびＮＯｘはＳＯｘ吸収剤１７においてかなり浄化せしめられる。さらに、この実施の形態では、バイパス管２６よりも下流に三元触媒２３が配置されているので、ＳＯｘ吸収剤１７で浄化されなかった未燃ＨＣ，ＣＯおよびＮＯｘは下流の三元触媒２３によって浄化せしめられ、したがって、これら未燃ＨＣ，ＣＯおよびＮＯｘが大気中に放出される虞れがない。
【００６９】
図５は、この実施の形態における空燃比制御の一実施例を示したものである。この実施例では、リーン・リッチスパイク制御においては、例えば６０ｋｍ／ｈでの定速走行でリーン運転継続時間を４０秒、ストイキ運転継続時間を２秒程度としてこれを交互に繰り返す。一方、ＳＯｘ吸収剤１７の再生処理時は空燃比をストイキ制御とし、その継続時間はリーン・リッチスパイク制御の時のストイキまたはリッチ空燃比継続時間よりも十分に長い時間、例えば約１時間とした。
【００７０】
ところで、前述したように、このエンジンでは、高負荷運転時、エンジン始動時の暖機運転時、加速時、及び１２０ｋｍ／ｈ以上の定速運転時には空燃比がストイキ制御され、全負荷運転時には空燃比がリッチ制御とされるようになっている。したがって、これら運転状態のときには排気ガスの空燃比がストイキまたはリッチになって、ストイキまたはリッチ空燃比の排気ガスがＳＯｘ吸収剤１７に流入することとなる。
【００７１】
前述したように、ストイキまたはリッチ空燃比の排気ガスがＳＯｘ吸収剤１７に流入しても瞬時であればＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘが放出されることはないので何ら問題は生じないが、ある程度継続して流入した場合には、排気ガス温度が前記ＳＯｘ放出温度以上になるとＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘが放出される虞れがあり、この排気ガスが下流のＮＯｘ触媒２０に流入するとＮＯｘ触媒２０がＳＯｘ被毒する虞れがある。
【００７２】
例えば、エンジン始動時の暖機運転は機関本体１が暖機されるまで継続されるので長時間に亘る場合があり、加速時もある程度の時間継続して行われる場合もあり、１２０ｋｍ／ｈ以上の定速運転も高速道路における走行で長時間継続される場合があり、これらの場合に、前記ＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘが放出される虞れがある。
【００７３】
そこで、この実施の形態では、高負荷運転時、エンジン始動時の暖機運転時、加速時、及び１２０ｋｍ／ｈ以上の定速運転時、全負荷運転時など、エンジンの運転状態からの要求により排気ガスの空燃比がストイキまたはリッチになったときには、ＳＯｘ吸収剤１７から流出した排気をバイパス管２６内に導き、ＮＯｘ触媒２０に流入するのを阻止している。
【００７４】
つまり、ＳＯｘ吸収剤１７の再生処理を実行しているか否かにかかわらず、空燃比をストイキ制御またはリッチ制御しているときには、ＳＯｘ吸収剤１７から流出した排気をバイパス管２６内に導き、ＮＯｘ触媒２０に流入するのを阻止している。
【００７５】
次に、図６を参照して、この実施の形態における排気流れ切替処理実行ルーチンを説明する。このルーチンを構成する各ステップからなるフローチャートはＥＣＵ３０のＲＯＭ３２に記憶してあり、フローチャートの各ステップにおける処理は総てＥＣＵ３０のＣＰＵ３４によって実行される。
【００７６】
＜ステップ１０１＞
まず、ＥＣＵ３０は、ステップ１０１において、現在の空燃比制御がストイキ制御またはリッチ制御か否かを判定する。ＳＯｘ吸収剤１７の再生処理時、エンジンの高負荷運転時、エンジン始動時の暖機運転時、加速時、及び１２０ｋｍ／ｈ以上の定速運転時には空燃比がストイキ制御、または全負荷運転時には空燃比がリッチ制御されるので、これらの場合には、ＥＣＵ３０はステップ１０１において肯定判定してステップ１０２に進む。一方、エンジンの低中負荷運転時には空燃比がリーン・リッチスパイク制御されるので、この場合にはＥＣＵ３０は否定判定してステップ１０４に進む。
【００７７】
＜ステップ１０２＞
ＥＣＵ３０は、ステップ１０１で肯定判定してステップ１０２に進むと、ＳＯｘ吸収剤１７の温度がＳＯｘ放出温度以上か否かを判定する。尚、この実施の形態では、温度センサ２９で検出されるＳＯｘ吸収剤１７出口の排気ガス温度をＳＯｘ吸収剤１７の温度として代用する。
【００７８】
＜ステップ１０３＞
ステップ１０２で肯定判定した場合にはＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘが放出される虞れがあるので、ＥＣＵ３０は、ステップ１０３に進んで、ＳＯｘ吸収剤１７から流出する排気ガスをバイパス管２６内に導き、ＮＯｘ触媒２０に流入しないようにする。即ち、ＥＣＵ３０は、排気切替弁２８を図１において破線で示すバイパス開位置に保持する。これにより、ＳＯｘ吸収剤１７から流出した排気ガスはＮＯｘ触媒２０内には流入せず、バイパス管２６を通り、三元触媒２３を通って大気に放出される。したがって、ＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘが放出されたとしても、そのＳＯｘがＮＯｘ触媒２０に吸収されることはなく、ＮＯｘ触媒２０がＳＯｘ被毒するのを阻止することができる。
【００７９】
尚、ＳＯｘ吸収剤１７から放出されたＳＯｘは排気ガス中の未燃ＨＣ、ＣＯによって還元せしめられ、ＳＯ２となって放出される。また、空燃比をストイキまたはリッチ制御しているときには機関本体１から未燃ＨＣ，ＣＯおよびＮＯｘが排出されるが、これらは三元触媒の機能を有するＳＯｘ吸収剤１７あるいはその下流の三元触媒２３によって浄化せしめられ、大気中に放出される虞れはない。
【００８０】
＜ステップ１０４＞
ステップ１０１で否定判定された場合およびステップ１０２で否定判定した場合にはＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘが放出される虞れがないので、ＥＣＵ３０はステップ１０４に進んで、ＳＯｘ吸収剤１７から流出する排気ガスをＮＯｘ触媒２０内に導き、バイパス管２６に流入しないようにする。即ち、ＥＣＵ３０は、排気切替弁２８を図１において実線で示すバイパス閉位置に保持する。これにより、ＳＯｘ吸収剤１７から流出した排気ガスはＮＯｘ触媒２０内に流入し、ＮＯｘ触媒２０を通った後、三元触媒２３を通って大気に放出される。このとき、排気ガス中のＳＯｘはＳＯｘ吸収剤１７に吸収され、排気ガス中のＮＯｘのみがＮＯｘ触媒２０で吸放出されて、還元浄化されることになる。
尚、ステップ１０３，１０４の後、リターンになる。この実施の形態においてＥＣＵ３０による一連の信号処理のうちステップ１０３及びステップ１０４を実行する部分は、排気切替弁（排気流れ切替手段）の作動を制御する作動制御手段ということができる。
【００８１】
このように、この実施の形態によれば、ＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘが放出される虞れがあるときには、ＳＯｘ吸収剤１７から流出する排気ガスがバイパス管２６に流れ、ＮＯｘ触媒２０には流入しなくなるので、ＮＯｘ触媒２０がＳＯｘ被毒するのを確実に阻止することができる。その結果、ＮＯｘ触媒２０のＮＯｘ浄化率を常に高い状態に維持することができる。
【００８２】
〔他の実施の形態〕
前述した実施の形態では本発明をガソリンエンジンに適用した例で説明したが、本発明をディーゼルエンジンに適用することができることは勿論である。ディーゼルエンジンの場合は、燃焼室での燃焼がストイキよりもはるかにリーン域で行われるので、通常の機関運転状態ではＳＯｘ吸収剤１７およびＮＯｘ触媒２０に流入する排気ガスの空燃比は非常にリーンであり、ＳＯｘおよびＮＯｘの吸収は行われるものの、ＳＯｘおよびＮＯｘの放出が行われることは殆どない。
【００８３】
また、ガソリンエンジンの場合には、前述したように燃焼室３に供給する混合気をストイキあるいはリッチにすることによりＳＯｘ吸収剤１７およびＮＯｘ触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をストイキあるいはリッチにし、ＳＯｘ吸収剤１７やＮＯｘ触媒２０に吸収されているＳＯｘやＮＯｘを放出させることができるが、ディーゼルエンジンの場合には、燃焼室に供給する混合気をストイキあるいはリッチにすると燃焼の際に煤が発生するなどの問題があり採用することはできない。
【００８４】
したがって、本発明をディーゼルエンジンに適用する場合、流入する排気ガスの空燃比をストイキあるいはリッチにするためには、機関出力を得るために燃料を燃焼するのとは別に、還元剤（例えば燃料である軽油）を排気ガス中に供給する必要がある。排気ガスへの還元剤の供給は、吸気行程や膨張行程や排気行程において気筒内に燃料を副噴射することによっても可能であるし、あるいは、ＳＯｘ吸収剤１７の上流の排気通路内に還元剤を供給することによっても可能である。
【００８５】
尚、ディーゼルエンジンであっても排気再循環装置（所謂、ＥＧＲ装置）を備えている場合には、排気再循環ガスを多量に燃焼室に導入することによって、排気ガスの空燃比をストイキまたはリッチにすることが可能である。
【００８６】
【発明の効果】
本出願の第１の発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、（イ）希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に配置され流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＳＯｘを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸収したＳＯｘを放出するＳＯｘ吸収剤と、（ロ）前記ＳＯｘ吸収剤よりも下流の前記排気通路に配置され流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収剤と、（ハ）前記ＳＯｘ吸収剤と前記ＮＯｘ吸収剤との間の前記排気通路から分岐して前記ＮＯｘ吸収剤を迂回して排気ガスを流すバイパス通路と、（ニ）前記ＳＯｘ吸収剤からＳＯｘを放出すべき再生処理実行期間中はＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスを前記バイパス通路に導いて排気ガスが前記ＮＯｘ吸収剤に流入するのを阻止し、前記再生処理実行期間以外はＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスを前記ＮＯｘ吸収剤に導いて排気ガスが前記バイパス通路を流通するのを阻止する排気流れ切替手段と、を備える内燃機関の排気浄化装置において、（ホ）前記ＮＯ ｘ 吸収剤よりも下流の排気通路に三元触媒を備え、前記バイパス通路は、前記ＳＯ ｘ 吸収剤から前記ＮＯ ｘ 吸収剤の間と、前記ＮＯ ｘ 吸収剤から前記三元触媒の間と、を接続するように設けられていることにより、ＳＯｘ吸収剤から放出されたＳＯｘがＮＯｘ吸収剤に流入するのを阻止することができるので、ＮＯｘ吸収剤がＳＯｘ被毒するのを確実に阻止することができるという優れた効果が奏される。
【００８７】
また、本発明に係る前記内燃機関の排気浄化装置において、前記ＳＯｘ吸収剤の温度を計測または予測する温度検出手段を備え、温度検出手段で計測または予測した温度が所定温度以上のときに前記作動制御手段が排気流れ切替手段を排気ガスが前記バイパス通路に導かれるように作動制御した場合には、ＳＯｘ吸収剤からＳＯｘが放出される温度以上のときだけＳＯｘ吸収剤から放出されたＳＯｘがＮＯｘ吸収剤に流入するのを阻止することができ、ＳＯｘ吸収剤からＳＯｘが放出されない温度のときには排気ガスをＮＯｘ吸収剤に流して浄化することができる。
【００８８】
また、本発明に係る前記内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯｘ吸収剤よりも下流の排気通路に三元触媒を備え、前記バイパス通路が、前記ＳＯｘ吸収剤から前記ＮＯｘ吸収剤の間と、前記ＮＯｘ吸収剤から前記三元触媒の間とを接続するように設けられている場合には、排気ガスをバイパス通路に流しているときに、排気ガスに含まれる未燃ＨＣ，ＣＯやＮＯｘに対する浄化率が向上する。
【００８９】
また、本出願の第２の発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、（イ）希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に配置され流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＳＯｘを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸収したＳＯｘを放出するＳＯｘ吸収剤と、（ロ）前記ＳＯｘ吸収剤よりも下流の前記排気通路に配置され流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収剤と、（ハ）前記ＳＯｘ吸収剤と前記ＮＯｘ吸収剤との間の前記排気通路から分岐して前記ＮＯｘ吸収剤を迂回して排気ガスを流すバイパス通路と、（ニ）前記ＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスを前記ＮＯｘ吸収剤とバイパス通路のいずれかに流すか選択的に切り替える排気流れ切替手段と、（ホ）排気ガスの空燃比をリーン制御しているときには前記ＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスを前記ＮＯｘ吸収剤に導いて排気ガスが前記バイパス通路を流通するのを阻止し、排気ガスの空燃比をストイキ制御またはリッチ制御しているときには前記ＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスを前記バイパス通路に導いて排気ガスが前記ＮＯｘ吸収剤に流入するのを阻止するように前記排気流れ切替手段の作動を制御する作動制御手段と、（へ）前記ＮＯ ｘ 吸収剤よりも下流の排気通路配置された三元触媒と、を備え、前記バイパス通路は、前記ＳＯ ｘ 吸収剤から前記ＮＯ ｘ 吸収剤の間と、前記ＮＯ ｘ 吸収剤から前記三元触媒の間と、を接続するように設けられていることにより、ＮＯｘ吸収剤がＳＯｘ被毒するのを確実に阻止することができるという優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の一実施の形態の概略構成図である。
【図２】基本燃料噴射時間のマップの一例を示す図である。
【図３】機関から排出される排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯおよび酸素の濃度を概略的に示す線図である。
【図４】吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸放出作用を説明するための図であ
【図５】前記実施の形態における空燃比制御の一例を示す図である。
る。
【図６】前記実施の形態の排気流れ切替処理実行ルーチンである。
【符号の説明】
１ 機関本体（内燃機関）
３ 燃焼室
４ 点火栓
１１ 燃料噴射弁
１６，２２，２５ 排気管（排気通路）
１７ ＳＯｘ吸収剤
２０ 吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ吸収剤）
２３ 三元触媒
２６ バイパス管（バイパス通路）
２８ 排気切替弁（排気流れ切替手段）
２９ 温度センサ（温度検出手段）
３０ ＥＣＵ
【発明の属する技術分野】
本発明は、希薄燃焼可能な内燃機関より排出される排気ガスから窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化することができる排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
希薄燃焼可能な内燃機関より排出される排気ガスからＮＯｘを浄化する排気浄化装置として、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に代表されるＮＯｘ吸収剤がある。ＮＯｘ吸収剤は、流入排気ガスの空燃比がリーン（即ち、酸素過剰雰囲気下）のときにＮＯｘを吸収し、流入排気ガスの酸素濃度が低下したときに吸収したＮＯｘを放出するものであり、このＮＯｘ吸収剤の一種である吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、流入排気ガスの空燃比がリーン（即ち、酸素過剰雰囲気下）のときにＮＯｘを吸収し、流入排気ガスの酸素濃度が低下したときに吸収したＮＯｘを放出しＮ２に還元する触媒である。
【０００３】
この吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、単に触媒あるいはＮＯｘ触媒ということもある）を希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に配置すると、リーン空燃比の排気ガスが流れたときには排気ガス中のＮＯｘが触媒に吸収され、ストイキ（理論空燃比）あるいはリッチ空燃比の排気ガスが流れたときに触媒に吸収されていたＮＯｘがＮＯ２として放出され、さらに排気ガス中のＨＣやＣＯなどの還元成分によってＮ２に還元され、即ちＮＯｘが浄化される。
【０００４】
ところで、一般に、内燃機関の燃料には硫黄分が含まれており、内燃機関で燃料を燃焼すると、燃料中の硫黄分が燃焼してＳＯ２やＳＯ３などの硫黄酸化物（ＳＯｘ）が発生する。前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、ＮＯｘの吸収作用を行うのと同じメカニズムで排気ガス中のＳＯｘの吸収を行うので、内燃機関の排気通路にこのＮＯｘ触媒を配置すると、このＮＯｘ触媒にはＮＯｘのみならずＳＯｘも吸収される。
【０００５】
ところが、前記ＮＯｘ触媒に吸収されたＳＯｘは時間経過とともに安定な硫酸塩を形成するため、前記ＮＯｘ触媒からＮＯｘの放出・還元を行うのと同じ条件下では、分解、放出されにくく触媒内に蓄積され易い傾向がある。ＮＯｘ触媒内のＳＯｘ蓄積量が増大すると、触媒のＮＯｘ吸収容量が減少して排気ガス中のＮＯｘの除去を十分に行うことができなくなりＮＯｘ浄化効率が低下する。これが所謂ＳＯｘ被毒である。
【０００６】
そこで、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能を長期に亘って高く維持するために、ＮＯｘ触媒よりも上流に、排気ガス中のＳＯｘを主に吸収するＳＯｘ吸収剤を配置し、ＮＯｘ触媒にＳＯｘが流れ込まないようにしてＳＯｘ被毒の防止を図った排気浄化装置が開発されている。
【０００７】
前記ＳＯｘ吸収剤は、流入ガスの空燃比がリーンのときにＳＯｘを吸収し、流入ガスの酸素濃度が低いときに吸収したＳＯｘをＳＯ２として放出するものであるが、このＳＯｘ吸収剤のＳＯｘ吸収容量にも限りがあるため、ＳＯｘ吸収剤がＳＯｘで飽和する前にＳＯｘ吸収剤からＳＯｘを放出させる処理、即ち再生処理を実行する必要がある。
【０００８】
ＳＯｘ吸収剤の再生処理技術については、例えば特許番号第２６０５５８０号の特許公報に開示されている。この公報によれば、ＳＯｘ吸収剤に吸収されたＳＯｘを放出させるには、流入排気ガスの空燃比をストイキまたはリッチにして酸素濃度を低下させる必要があり、また、ＮＯｘ触媒の温度が高い方がＳＯｘが放出され易いとされている。
【０００９】
さらに、この公報に開示された再生処理技術では、ＳＯｘ吸収剤からＳＯｘを放出させたときに、放出されたＳＯｘが下流に配置されているＮＯｘ触媒に吸収されるのを防止するために、ＳＯｘ吸収剤とＮＯｘ触媒とを接続する排気管から分岐してＮＯｘ触媒を迂回するバイパス通路を設けるとともに、排気ガスをＮＯｘ触媒とバイパス通路のいずれに流すか選択的に切り替える排気切替弁を設け、ＳＯｘ吸収剤からＳＯｘを放出させる再生処理実行中は排気切替弁により排気ガスをバイパス通路に流れるようにしてＮＯｘ触媒には流れないようにし、再生処理を実行していない時には排気切替弁により排気ガスをＮＯｘ触媒に流れるようにしてバイパス通路には流れないようにしている。このようにすると、再生処理実行中においては、ＳＯｘ吸収剤から放出されたＳＯｘがＮＯｘ触媒に流れ込まなくなるので、ＮＯｘ触媒がＳＯｘ被毒するのを阻止することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の排気浄化装置では、再生処理を実行していない時には常に排気ガスをＮＯｘ触媒に流すようにしているため、例えば車両駆動用の内燃機関の場合、車両の運転状態からの要求（例えば、始動時や加速時など）により内燃機関の燃焼室に供給される混合気の空燃比がストイキまたはリッチの運転が継続して行われ、その結果、ストイキまたはリッチ空燃比の排気ガスが内燃機関から継続して排出され、このストイキまたはリッチ空燃比の排気ガスがＳＯｘ吸収剤に流れてＳＯｘ吸収剤からＳＯｘが放出された場合には、放出されたＳＯｘがＮＯｘ触媒に流入して吸収され、ＮＯｘ触媒がＳＯｘ被毒する虞れがあった。特に、前記運転状態において排気ガス温度が高温になったときには、ＳＯｘ吸収剤からＳＯｘが放出され易くなり、ＳＯｘ被毒の可能性が大きくなるので、改善の余地があった。
【００１１】
本発明はこのような従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、ＳＯｘ吸収剤の再生処理実行中に限らず排気ガスの空燃比がストイキまたはリッチになったときには排気ガスをＮＯｘ吸収剤を迂回して流すことにより、ＮＯｘ吸収剤のＳＯｘ被毒を確実に阻止することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。
（１）本出願の第１の発明は、（イ）希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に配置され流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＳＯｘを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸収したＳＯｘを放出するＳＯｘ吸収剤と、（ロ）前記ＳＯｘ吸収剤よりも下流の前記排気通路に配置され流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収剤と、（ハ）前記ＳＯｘ吸収剤と前記ＮＯｘ吸収剤との間の前記排気通路から分岐して前記ＮＯｘ吸収剤を迂回して排気ガスを流すバイパス通路と、（ニ）前記ＳＯｘ吸収剤からＳＯｘを放出すべき再生処理実行期間中はＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスを前記バイパス通路に導いて排気ガスが前記ＮＯｘ吸収剤に流入するのを阻止し、前記再生処理実行期間以外はＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスを前記ＮＯｘ吸収剤に導いて排気ガスが前記バイパス通路を流通するのを阻止する排気流れ切替手段と、を備える内燃機関の排気浄化装置において、（ホ）前記ＮＯ ｘ 吸収剤よりも下流の排気通路に三元触媒を備え、前記バイパス通路は、前記ＳＯ ｘ 吸収剤から前記ＮＯ ｘ 吸収剤の間と、前記ＮＯ ｘ 吸収剤から前記三元触媒の間と、を接続するように設けられていることを特徴とする。
【００１３】
第１の発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、ＳＯｘ吸収剤に対して再生処理を実行しているときには、排気流れ切替手段により内燃機関の排気ガスはＳＯｘ吸収剤からバイパス通路を通って排出されるので、ＮＯｘ吸収剤に排気ガスが流入することがない。これにより、ＳＯｘ吸収剤の再生排気に含まれるＳＯｘがＮＯｘ吸収剤に吸収されることがなく、ＮＯｘ吸収剤がＳＯｘ被毒することはない。
【００１４】
一方、ＳＯｘ吸収剤に対して再生処理を実行していないときには、排気流れ切替手段により内燃機関の排気ガスはＳＯｘ吸収剤からＮＯｘ吸収剤を通って排出される。このときには、排気ガスに含まれるＳＯｘはＳＯｘ吸収剤に吸収されるので、ＮＯｘ吸収剤では排気ガス中のＮＯｘだけが吸収され、ＮＯｘ吸収剤がＳＯｘ被毒することはない。
【００１５】
また、ＳＯｘ吸収剤を再生処理していないときであっても、内燃機関の運転状態からの要求により排気ガスの空燃比がストイキまたはリッチになったときには、前記作動制御手段が排気流れ切替手段を作動して、排気ガスをＳＯｘ吸収剤からバイパス通路に流れるようにし、ＮＯｘ吸収剤に排気ガスが流れないようにする。したがって、ＳＯｘ吸収剤からＳＯｘが放出されても、そのＳＯｘがＮＯｘ吸収剤に流入することがないので、ＮＯｘ吸収剤がＳＯｘ被毒することはない。
【００１６】
（２）本出願の第２の発明は、（イ）希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に配置され流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＳＯｘを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸収したＳＯｘを放出するＳＯｘ吸収剤と、（ロ）前記ＳＯｘ吸収剤よりも下流の前記排気通路に配置され流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収剤と、（ハ）前記ＳＯｘ吸収剤と前記ＮＯｘ吸収剤との間の前記排気通路から分岐して前記ＮＯｘ吸収剤を迂回して排気ガスを流すバイパス通路と、（ニ）前記ＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスを前記ＮＯｘ吸収剤とバイパス通路のいずれかに流すか選択的に切り替える排気流れ切替手段と、（ホ）排気ガスの空燃比をリーン制御しているときには前記ＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスを前記ＮＯｘ吸収剤に導いて排気ガスが前記バイパス通路を流通するのを阻止し、排気ガスの空燃比をストイキ制御またはリッチ制御しているときには前記ＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスを前記バイパス通路に導いて排気ガスが前記ＮＯｘ吸収剤に流入するのを阻止するように前記排気流れ切替手段の作動を制御する作動制御手段と、（へ）前記ＮＯ ｘ 吸収剤よりも下流の排気通路配置された三元触媒と、を備え、前記バイパス通路は、前記ＳＯ ｘ 吸収剤から前記ＮＯ ｘ 吸収剤の間と、前記ＮＯ ｘ 吸収剤から前記三元触媒の間と、を接続するように設けられていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。
【００１７】
第２の発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、排気ガスの空燃比をリーン制御しているときには、ＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスをＮＯｘ吸収剤に導くとともに排気ガスがバイパス通路に流れないように、作動制御手段が排気流れ切替手段を作動制御する。したがって、このときにはＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスはＮＯｘ吸収剤を通って排出され、排気ガスに含まれるＳＯｘはＳＯｘ吸収剤に吸収されるので、ＮＯｘ吸収剤では排気ガス中のＮＯｘだけが吸収され、ＮＯｘ吸収剤がＳＯｘ被毒することはない。
【００１８】
一方、排気ガスの空燃比をストイキ制御またはリッチ制御しているときには、ＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスをバイパス通路に導くとともに排気ガスが前記ＮＯｘ吸収剤に流れないように、作動手段が排気流れ切替手段を作動制御する。したがって、このときにはＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスはバイパス通路を通って排出され、ＮＯｘ吸収剤に排気ガスが流入することがないので、ＳＯｘ吸収剤からＳＯｘが放出されてもそのＳＯｘがＮＯｘ吸収剤に吸収されることがなく、ＮＯｘ吸収剤がＳＯｘ被毒することはない。
【００１９】
前記第１の発明あるいは第２の発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、希薄燃焼可能な内燃機関としては、筒内直接噴射式のリーンバーンガソリンエンジンやディーゼルエンジンを例示することができる。リーンバーンガソリンエンジンの場合には、排気ガスの空燃比制御は燃焼室に供給される混合気の空燃比制御により実現可能である。ディーゼルエンジンの場合の排気ガスの空燃比制御は、吸気行程または膨張行程または排気行程で燃料を噴射する所謂副噴射を行うか、あるいは、ＳＯｘ吸収剤よりも上流の排気通路内に還元剤を供給することにより実現可能である。
ここで、排気ガスの空燃比とは、機関吸気通路及びＳＯｘ吸収剤よりも上流での排気通路内に供給された空気及び燃料（炭化水素）の比をいう。
【００２０】
前記第１の発明あるいは第２の発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、ＳＯｘ吸収剤としては、アルミナからなる担体上に銅Ｃｕ、鉄Ｆｅ、マンガンＭｎ、ニッケルＮｉのような遷移金属、ナトリウムＮａ、チタンＴｉおよびリチウムＬｉから選ばれた少なくとも一つを坦持したものを例示することができる。また、ＳＯｘを硫酸イオンＳＯ４ ２−の形でＳＯｘ吸収剤内に吸収され易くするために、ＳＯｘ吸収剤の担体上に、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈのいずれかを坦持させるのが好ましい。
【００２１】
前記第１の発明あるいは第２の発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯｘ吸収剤としては、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を例示することができる。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸収し、流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出し、Ｎ２に還元する触媒である。この吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、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と、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されてなるもの例示することができる。
【００２２】
前記第１の発明あるいは第２の発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、前記バイパス通路の終端はＮＯｘ吸収剤の下流の排気通路に連結しても連結しなくてもいずれでもよい。
【００２３】
前記第１の発明あるいは第２の発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、前記排気流れ切替手段は、バイパス通路の分岐部に設けた切替弁で構成することもできるし、あるいは、分岐部よりもＮＯｘ吸収剤に近い位置にある排気通路に第１の開閉弁を設けバイパス通路に第２の開閉弁を設けて一方の開閉弁が開くと他方の開閉弁が閉じるように制御して構成することもできる。
【００２４】
前記第１の発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、「内燃機関の運転状態からの要求」とは、例えば、内燃機関の高負荷運転時、全負荷運転時、始動時の暖機運転時、加速時、高速の定速運転時などが考えられる。
【００２５】
前記第１の発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、前記ＳＯｘ吸収剤の温度を計測または予測する温度検出手段を備え、温度検出手段で計測または予測した温度が所定温度以上のときに前記作動制御手段が排気流れ切替手段を排気ガスが前記バイパス通路に導かれるように作動制御するようにすることができる。
【００２６】
ＳＯｘ吸収剤の温度を計測する温度検出手段は、ＳＯｘ吸収剤の温度を直接検出する温度センサで構成することができる。ＳＯｘ吸収剤の温度の予測には、ＳＯｘ吸収剤の入口あるいは出口に設けた温度センサで排気ガス温度を検出し、この排気ガス温度をＳＯｘ吸収剤の温度として代用する場合、あるいは内燃機関の運転状態から排気ガス温度を予測し、この排気ガス温度をＳＯｘ吸収剤の温度として代用する場合などが含まれる。
【００２７】
前記第１の発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、前記ＮＯｘ吸収剤よりも下流の排気通路に三元触媒を備え、前記バイパス通路は、前記ＳＯｘ吸収剤から前記ＮＯｘ吸収剤の間と、前記ＮＯｘ吸収剤から前記三元触媒の間とを接続するように設けることが可能である。このようにすると、排気ガスをバイパス通路に流しているときに、排気ガスに含まれる未燃ＨＣ，ＣＯやＮＯｘに対する浄化率が向上する。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の一実施の形態を図１から図６の図面に基いて説明する。
【００２９】
〔第１の実施の形態〕
図１は本発明を希薄燃焼可能な車両用ガソリンエンジンに適用した場合の概略構成を示す図である。この図において、符号１は機関本体、符号２はピストン、符号３は燃焼室、符号４は点火栓、符号５は吸気弁、符号６は吸気ポート、符号７は排気弁、符号８は排気ポートを夫々示す。
【００３０】
吸気ポート６は対応する枝管９を介してサージタンク１０に連結され、各枝管９には夫々吸気ポート６内に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁１１が取り付けられている。サージタンク１０は吸気ダクト１２およびエアフロメータ１３を介してエアクリーナ１４に連結され、吸気ダクト１２内にはスロットル弁１５が配置されている。
【００３１】
一方、排気ポート８は排気マニホルド１６を介してＳＯｘ吸収剤１７を内蔵したケーシング１８に連結され、ケーシング１８の出口部は排気管１９を介して吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ吸収剤）２０を内蔵したケーシング２１に連結されている。以下、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒２０をＮＯｘ触媒２０と略す。ケーシング２１は排気管２２を介して三元触媒２３を内蔵したケーシング２４に連結され、このケーシング２４は排気管２５を介して図示しないマフラーに接続されている。
【００３２】
ケーシング２１の入口部２１ａと排気管２２はバイパス管２６によって連結されており、バイパス管２６の分岐部であるケーシング２１の入口部２１ａには、アクチュエータ２７によって弁体が作動される排気切替弁（排気流れ切替手段）２８が設けられている。この排気切替弁２８はアクチュエータ２７によって、図１の実線で示されるようにバイパス管２６の入口部を閉鎖し且つＮＯｘ触媒２０への入口部を全開にするバイパス閉位置と、図１の破線で示されるようにＮＯｘ触媒２０への入口部を閉鎖し且つバイパス管２６の入口部を全開にするバイパス開位置のいずれか一方の位置を選択して作動せしめられる。
【００３３】
エンジンコントロール用の電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０はデジタルコンピュータからなり、双方向バス３１によって相互に接続された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（セントラルプロセッサユニット）３４、入力ポート３５、出力ポート３６を具備する。エアフロメータ１３は吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧がＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、スロットル弁１５にはスロットル弁１５がアイドリング開度であることを検出するアイドルスイッチ４０が取り付けられ、このアイドルスイッチ４０の出力信号が入力ポート３５に入力される。
【００３４】
一方、ＳＯｘ吸収剤１７の下流の排気管１９内にはＳＯｘ吸収剤１７を出た排気ガスの温度に比例した出力電圧を発生する温度センサ２９が取り付けられ、この温度センサ２９の出力電圧がＡＤ変換器３８を介して入力ポート３５に入力される。また、入力ポート３５には機関回転数を表す出力パルスを発生する回転数センサ４１が接続されている。出力ポート３６は対応する駆動回路３９を介して夫々点火栓４および燃料噴射弁１１、アクチュエータ２７に接続されている。
【００３５】
このガソリンエンジンでは、例えば次式に基づいて燃料噴射時間ＴＡＵが算出される。
ＴＡＵ＝ＴＰ・Ｋ
ここで、ＴＰは基本燃料噴射時間を示しており、Ｋは補正係数を示している。基本燃料噴射時間ＴＰは機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比を理論空燃比とするのに必要な燃料噴射時間を示している。この基本燃料噴射時間ＴＰは予め実験により求められ、機関負荷Ｑ／Ｎ（吸入空気量Ｑ／機関回転数Ｎ）および機関回転数Ｎの関数として図２に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。補正係数Ｋは機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比を制御するための係数であって、Ｋ＝１．０であれば機関シリンダ内に供給される混合気は理論空燃比となる。これに対してＫ＜１．０になれば機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比は理論空燃比よりも大きくなり、即ちリーンとなり、Ｋ＞１．０になれば機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比は理論空燃比よりも小さくなり、即ちリッチとなる。
【００３６】
この実施の形態のガソリンエンジンでは、機関低中負荷運転領域では補正係数Ｋの値が１．０よりも小さい値とされてリーン空燃比制御が行われ、機関高負荷運転領域、エンジン始動時の暖機運転時、加速時、及び１２０ｋｍ／ｈ以上の定速運転時には補正係数Ｋの値が１．０とされてストイキ制御が行われ、機関全負荷運転領域では補正係数Ｋの値は１．０よりも大きな値とされてリッチ空燃比制御が行われるように設定してある。
【００３７】
内燃機関では通常、低中負荷運転される頻度が最も高く、したがって運転期間中の大部分において補正係数Ｋの値が１．０よりも小さくされて、リーン混合気が燃焼せしめられることになる。
【００３８】
図３は燃焼室３から排出される排気ガス中の代表的な成分の濃度を概略的に示している。この図からわかるように、燃焼室３から排出される排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯの濃度は燃焼室３内に供給される混合気の空燃比がリッチになるほど増大し、燃焼室３から排出される排気ガス中の酸素Ｏ２の濃度は燃焼室３内に供給される混合気の空燃比がリーンになるほど増大する。
【００３９】
ケーシング２１内に収容されているＮＯｘ触媒２０は、例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、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と、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されてなる。機関吸気通路およびＮＯｘ触媒２０より上流の排気通路内に供給された空気および燃料（炭化水素）の比をＮＯｘ触媒２０への流入排気ガスの空燃比と称する（以下、排気空燃比と略称する）と、このＮＯｘ触媒２０は、排気空燃比がリーンのときにはＮＯｘを吸収し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘの吸放出作用を行う。
【００４０】
なお、ＮＯｘ触媒２０より上流の排気通路内に燃料（炭化水素）あるいは空気が供給されない場合には、排気空燃比は燃焼室３内に供給される混合気の空燃比に一致し、したがってこの場合には、ＮＯｘ触媒２０は燃焼室３内に供給される混合気の空燃比がリーンのときにはＮＯｘを吸収し、燃焼室３内に供給される混合気中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出することになる。
【００４１】
上述のＮＯｘ触媒２０を機関排気通路内に配置すればこのＮＯｘ触媒２０は実際にＮＯｘの吸放出作用を行うが、この吸放出作用の詳細なメカニズムについては明かでない部分もある。しかしながら、この吸放出作用は図４に示すようなメカニズムで行われているものと考えられる。次に、このメカニズムについて担体上に白金ＰｔおよびバリウムＢａを担持させた場合を例にとって説明するが、他の貴金属，アルカリ金属，アルカリ土類，希土類を用いても同様なメカニズムとなる。
【００４２】
即ち、流入排気ガスがかなりリーンになると流入排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大し、図４（Ａ）に示されるように酸素Ｏ２ がＯ２ −又はＯ２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入排気ガスに含まれるＮＯは、白金Ｐｔの表面上でＯ２ −又はＯ２−と反応し、ＮＯ２ となる（２ＮＯ＋Ｏ２ →２ＮＯ２ ）。
【００４３】
次いで、生成されたＮＯ２の一部は、白金Ｐｔ上で酸化されつつＮＯｘ触媒２０内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、図４（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ３ −の形でＮＯｘ触媒２０内に拡散する。このようにしてＮＯｘがＮＯｘ触媒２０内に吸収される。
【００４４】
流入排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔの表面でＮＯ２が生成され、ＮＯｘ触媒２０のＮＯｘ 吸収能力が飽和しない限り、ＮＯ２がＮＯｘ触媒２０内に吸収されて硝酸イオンＮＯ３ −が生成される。
【００４５】
これに対して、流入排気ガス中の酸素濃度が低下してＮＯ２の生成量が低下すると反応が逆方向（ＮＯ３ −→ＮＯ２）に進み、ＮＯｘ触媒２０内の硝酸イオンＮＯ３ −がＮＯ２またはＮＯの形でＮＯｘ触媒２０から放出される。即ち、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると、ＮＯｘ触媒２０からＮＯｘが放出されることになる。図３に示されるように、流入排気ガスのリーンの度合いが低くなれば流入排気ガス中の酸素濃度が低下し、したがって流入排気ガスのリーンの度合いを低くすればＮＯｘ触媒２０からＮＯｘが放出されることとなる。
【００４６】
一方、このとき、燃焼室３内に供給される混合気がストイキまたはリッチにされて排気空燃比がストイキまたはリッチになると、図３に示されるように機関からは多量の未燃ＨＣ，ＣＯが排出され、これら未燃ＨＣ，ＣＯは、白金Ｐｔ上の酸素Ｏ２ −又はＯ２−と反応して酸化せしめられる。
【００４７】
また、排気空燃比がストイキまたはリッチになると流入排気ガス中の酸素濃度が極度に低下するためにＮＯｘ触媒２０からＮＯ２またはＮＯが放出され、このＮＯ２またはＮＯは、図４（Ｂ）に示されるように未燃ＨＣ、ＣＯと反応して還元せしめられてＮ２となる。
【００４８】
即ち、流入排気ガス中のＨＣ，ＣＯは、まず白金Ｐｔ上の酸素Ｏ２ −又はＯ２−とただちに反応して酸化せしめられ、次いで白金Ｐｔ上の酸素Ｏ２ −又はＯ２−が消費されてもまだＨＣ，ＣＯが残っていれば、このＨＣ，ＣＯによってＮＯｘ触媒から放出されたＮＯｘおよびエンジンから排出されたＮＯｘがＮ２に還元せしめられる。
【００４９】
このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯ２またはＮＯが存在しなくなると、ＮＯｘ触媒２０から次から次へとＮＯ２またはＮＯが放出され、さらにＮ２に還元せしめられる。したがって、排気空燃比をストイキまたはリッチにすると短時間の内にＮＯｘ触媒２０からＮＯｘが放出されることになる。
【００５０】
このように、排気空燃比がリーンになるとＮＯｘがＮＯｘ触媒２０に吸収され、排気空燃比をストイキあるいはリッチにするとＮＯｘがＮＯｘ触媒２０から短時間のうちに放出され、Ｎ２に還元される。したがって、大気中へのＮＯｘの排出を阻止することができる。
【００５１】
ところで、この実施の形態では前述したように、全負荷運転時には燃焼室３内に供給される混合気がリッチとされ、また高負荷運転時、エンジン始動時の暖機運転時、加速時、及び１２０ｋｍ／ｈ以上の定速運転時には混合気が理論空燃比とされ、低中負荷運転時には混合気がリーンとされるので、低中負荷運転時に排気ガス中のＮＯｘがＮＯｘ触媒２０に吸収され、全負荷運転時及び高負荷運転時にＮＯｘ触媒２０からＮＯｘが放出され還元されることになる。しかしながら、全負荷運転あるいは高負荷運転の頻度が少なく、低中負荷運転の頻度が多くその運転時間が長ければ、ＮＯｘの放出・還元が間に合わなくなり、ＮＯｘ触媒２０のＮＯｘの吸収能力が飽和してＮＯｘを吸収できなくなってしまう。
【００５２】
そこで、この実施の形態では、リーン混合気の燃焼が行われている場合、即ち中低負荷運転を行っているときには、比較的に短い周期でスパイク的（短時間）にストイキまたはリッチ混合気の燃焼が行われるように混合気の空燃比を制御し、短周期的にＮＯｘの放出・還元を行っている。このようにＮＯｘの吸放出のために、排気空燃比（この実施の形態では混合気の空燃比）が比較的に短い周期で「リーン」と「スパイク的なストイキまたはリッチ」を交互に繰り返されるように制御することを、以下の説明ではリーン・リッチスパイク制御と称す。尚、この出願においては、リーン・リッチスパイク制御はリーン空燃比制御に含まれるものとする。
【００５３】
一方、燃料には硫黄（Ｓ）が含まれており、燃料中の硫黄が燃焼するとＳＯ２やＳＯ３などの硫黄酸化物（ＳＯｘ）が発生し、ＮＯｘ触媒２０は排気ガス中のこれらＳＯｘも吸収する。ＮＯｘ触媒２０のＳＯｘ吸収メカニズムはＮＯｘ吸収メカニズムと同じであると考えられる。即ち、ＮＯｘの吸収メカニズムを説明したときと同様に担体上に白金ＰｔおよびバリウムＢａを坦持させた場合を例にとって説明すると、前述したように、排気空燃比がリーンのときには、酸素Ｏ２がＯ２ −又はＯ２−の形でＮＯｘ触媒２０の白金Ｐｔの表面に付着しており、流入排気ガス中のＳＯｘ（例えばＳＯ２）は白金Ｐｔの表面上で酸化されてＳＯ３となる。
【００５４】
その後、生成されたＳＯ３は、白金Ｐｔの表面で更に酸化されながらＮＯｘ触媒２０内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合し、硫酸イオンＳＯ４ ２−の形でＮＯｘ触媒２０内に拡散し硫酸塩ＢａＳＯ４を生成する。この硫酸塩ＢａＳＯ４は安定していて分解しずらく、流入排気ガスの空燃比をリッチにしても分解されずにＮＯｘ触媒２０内に残ってしまう。したがって、時間経過に伴いＮＯｘ触媒２０内のＢａＳＯ４の生成量が増大するとＮＯｘ触媒２０の吸収に関与できるＢａＯの量が減少してＮＯｘの吸収能力が低下してしまう。これが即ちＳＯｘ被毒である。
【００５５】
そこで、この実施の形態ではＮＯｘ吸収剤２０にＳＯｘが流入しないように、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＳＯｘを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸収したＳＯｘを放出し且つ三元触媒の機能を有するＳＯｘ吸収剤１７を、ＮＯｘ吸収剤２０よりも上流に配置しているのである。このＳＯｘ吸収剤１７は、ＳＯｘ吸収剤１７に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにはＳＯｘと共にＮＯｘも吸収するが、流入する排気ガスの空燃比をストイキまたはリッチにし酸素濃度が低くなると吸収したＳＯｘばかりでなくＮＯｘも放出する。
【００５６】
前述したように、ＮＯｘ触媒２０ではＳＯｘが吸収されると安定した硫酸塩ＢａＳＯ４が生成され、その結果、ＮＯｘ触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をストイキまたはリッチにしてもＳＯｘがＮＯｘ触媒２０から放出されなくなる。したがって、ＳＯｘ吸収剤１７に流入する排気ガスの空燃比をストイキまたはリッチにしたときにＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘが放出されるようにするためには、吸収したＳＯｘが硫酸イオンＳＯ４ ２−の形でＳＯｘ吸収剤１７内に存在するようにするか、あるいは、硫酸塩ＢａＳＯ４が生成されたとしても硫酸塩ＢａＳＯ４が安定しない状態でＳＯｘ吸収剤１７に存在するようにすることが必要となる。これを可能とするＳＯｘ吸収剤１７としては、アルミナからなる担体上に銅Ｃｕ、鉄Ｆｅ、マンガンＭｎ、ニッケルＮｉのような遷移金属、ナトリウムＮａ、チタンＴｉおよびリチウムＬｉから選ばれた少なくとも一つを坦持したＳＯｘ吸収剤１７を用いることができる。
【００５７】
このＳＯｘ吸収剤１７では、ＳＯｘ吸収剤１７に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のＳＯ２がＳＯｘ吸収剤１７の表面で酸化されつつ硫酸イオンＳＯ４ ２−の形でＳＯｘ吸収剤１７内に吸収され、次いでＳＯｘ吸収剤１７内に拡散される。この場合、ＳＯｘ吸収剤１７の担体上に白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈのうちのいずれかを坦持させておくとＳＯ２がＳＯ３ ２−の形で白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ上に吸着し易くなり、かくしてＳＯ２は硫酸イオンＳＯ４ ２−の形でＳＯｘ吸収剤１７内に吸収され易くなる。したがって、ＳＯ２の吸収を促進するためにはＳＯｘ吸収剤１７の担体上に白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈのいずれかを坦持させることが好ましい。
【００５８】
このＳＯｘ吸収剤１７をＮＯｘ触媒２０の上流に配置すると、ＳＯｘ吸収剤１７に流入する排気ガスの空燃比がリーンになると排気ガス中のＳＯｘがＳＯｘ吸収剤１７に吸収され、したがって、下流のＮＯｘ触媒２０にはＳＯｘが流れ込まなくなり、ＮＯｘ触媒２０では排気ガス中のＮＯｘのみが吸収されることになる。
【００５９】
一方、前述したようにＳＯｘ吸収剤１７に吸収されたＳＯｘは硫酸イオンＳＯ４ ２ −の形でＳＯｘ吸収剤１７に拡散しているか、あるいは不安定な状態で硫酸塩ＢａＳＯ４となっている。したがって、ＳＯｘ吸収剤１７に流入する排気ガスの空燃比がストイキまたはリッチになって酸素濃度が低下するとＳＯｘ吸収剤１７に吸収されているＳＯｘがＳＯｘ吸収剤１７から容易に放出されることになる。
【００６０】
ところで、本出願人の研究により、ＳＯｘ吸収剤１７の吸放出作用に関して次のことがわかった。ＳＯｘ吸収剤１７に吸収されているＳＯｘ量が少ないときには、ＳＯｘ吸収剤１７のＳＯｘ吸着力が強いため、ＳＯｘ吸収剤１７にストイキまたはリッチ空燃比の排気ガスを短時間（例えば５秒以下）流したのではＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘは放出されない。これについては、本出願人は、ＳＯｘ吸収剤１７に吸収されているＳＯｘ量が少ないときに、ＮＯｘ触媒２０からＮＯｘを放出させるために行うリーン・リッチスパイク制御のときのストイキまたはリッチ空燃比の継続時間ではＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘが放出されないことを確認している。ただし、ＳＯｘ吸収剤１７に吸収されているＳＯｘ量が少ないときであっても、ＳＯｘ吸収剤１７にストイキまたはリッチ空燃比の排気ガスを長時間流した場合には、ＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘが放出される。
【００６１】
しかしながら、ＳＯｘ吸収剤１７に吸収されているＳＯｘ量が増えたときには、ＳＯｘ吸収剤１７のＳＯｘ吸着力が弱くなるため、ＳＯｘ吸収剤１７にストイキまたはリッチ空燃比の排気ガスを短時間流した場合にもＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘが漏れ出て、下流のＮＯｘ触媒２０を被毒する虞れがある。
【００６２】
そこで、この実施の形態では、エンジンの運転状態の履歴からＳＯｘ吸収剤１７に吸収されたＳＯｘ量を推定し、その推定ＳＯｘ吸収量が所定量に達した時をＳＯｘ吸収剤１７の再生時期と判断して、ＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘを放出させる再生処理を実行する。ＳＯｘ吸収剤１７の再生処理を実行するに際し、ＥＣＵ３０は、機関回転数Ｎと機関負荷Ｑ／Ｎからその時の機関運転状態を判断し、また、温度センサ２９で検出したその時の排気ガス温度をＳＯｘ吸収剤１７の温度として代用し、機関運転状態とＳＯｘ吸収剤１７の温度に基づき燃費悪化が少なく最も効率的にＳＯｘを放出できるストイキまたはリッチ条件を選定し、その条件の排気ガスを長時間ＳＯｘ吸収剤１７に流すことにより実行する。
【００６３】
また、ＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘを放出させるには、ＳＯｘ吸収剤１７の温度を所定温度（例えば、５５０゜Ｃ）以上の高温にする必要があることがわかっており、ＥＣＵ３０は、ＳＯｘ吸収剤１７の再生処理実行中、適宜の手段によって排気ガス温度の温度制御を行い、ＳＯｘ吸収剤１７の温度を前記所定温度（以下、これをＳＯｘ放出温度という）以上に制御する。
【００６４】
ＳＯｘ吸収剤１７を再生すると、ＳＯｘ吸収剤１７から流出した排気ガス（以下、これを再生排気という）にはＳＯｘ吸収剤１７から放出された多量のＳＯｘが含まれることとなるため、この再生排気がＮＯｘ触媒２０に流入すると再生排気中のＳＯｘがＮＯｘ触媒２０に吸収され、ＮＯｘ触媒２０がＳＯｘ被毒してしまい、ＳＯｘ吸収剤１７を設けた意味がなくなってしまう。そこで、この実施の形態では、ＳＯｘ吸収剤１７の再生処理時にＳＯｘ吸収剤１７から放出されたＳＯｘがＮＯｘ触媒２０に吸収されるのを阻止するために、ＳＯｘ吸収剤１７の再生処理時にはＳＯｘ吸収剤１７から流出した再生排気をバイパス管２６内に導くようにしている。
【００６５】
詳述すると、排気ガス中のＮＯｘをＮＯｘ触媒１７で吸放出し還元浄化するために空燃比のリーン・リッチスパイク制御を実行しているときには、排気切替弁２８が図１において実線で示すようにバイパス閉位置に保持され、したがって、このときにはＳＯｘ吸収剤１７から流出した排気ガスはＮＯｘ触媒２０に流入する。そして、排気ガス中のＳＯｘはＳＯｘ吸収剤１７に吸収され、排気ガス中のＮＯｘのみがＮＯｘ触媒２０で吸放出されて、還元浄化されることになる。
【００６６】
次いで、ＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘを放出すべきとき、即ちＳＯｘ吸収剤１７の再生処理を実行するときには、空燃比制御はリーン・リッチスパイク制御からストイキまたはリッチ制御に切り替えられ、同時に排気切替弁２８がバイパス閉位置から図１において破線で示すバイパス開位置に切り替えられ保持される。ストイキまたはリッチ空燃比の排気ガスがＳＯｘ吸収剤１７に流入するとＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘが放出されるが、このときＳＯｘ吸収剤１７から流出した再生排気はＮＯｘ触媒２０内には流入せず、バイパス管２６内に流入する。したがって、ＮＯｘ触媒２０が再生排気中のＳＯｘによってＳＯｘ被毒するのを阻止することができる。尚、排気ガス（再生排気）中のＳＯｘは排気ガス中の未燃ＨＣ、ＣＯによって還元せしめられ、ＳＯ２となって放出される。
【００６７】
次いで、ＳＯｘ吸収剤１７の再生処理を停止すべきときには、空燃比制御がストイキまたはリッチ制御からリーン・リッチスパイク制御に切り替えられ、同時に、排気切替弁２８がバイパス開位置から図１において実線で示すバイパス閉位置に切り替えられる。排気ガスの空燃比がリーン・リッチスパイク制御になると、ＳＯｘ吸収剤１７からのＳＯｘ放出作用が停止せしめられる。
【００６８】
ＳＯｘ吸収剤１７の再生処理中には、機関本体１から未燃ＨＣ，ＣＯおよびＮＯｘが排出されるが、ＳＯｘ吸収剤１７は三元触媒の機能を有しているのでこれら未燃ＨＣ，ＣＯおよびＮＯｘはＳＯｘ吸収剤１７においてかなり浄化せしめられる。さらに、この実施の形態では、バイパス管２６よりも下流に三元触媒２３が配置されているので、ＳＯｘ吸収剤１７で浄化されなかった未燃ＨＣ，ＣＯおよびＮＯｘは下流の三元触媒２３によって浄化せしめられ、したがって、これら未燃ＨＣ，ＣＯおよびＮＯｘが大気中に放出される虞れがない。
【００６９】
図５は、この実施の形態における空燃比制御の一実施例を示したものである。この実施例では、リーン・リッチスパイク制御においては、例えば６０ｋｍ／ｈでの定速走行でリーン運転継続時間を４０秒、ストイキ運転継続時間を２秒程度としてこれを交互に繰り返す。一方、ＳＯｘ吸収剤１７の再生処理時は空燃比をストイキ制御とし、その継続時間はリーン・リッチスパイク制御の時のストイキまたはリッチ空燃比継続時間よりも十分に長い時間、例えば約１時間とした。
【００７０】
ところで、前述したように、このエンジンでは、高負荷運転時、エンジン始動時の暖機運転時、加速時、及び１２０ｋｍ／ｈ以上の定速運転時には空燃比がストイキ制御され、全負荷運転時には空燃比がリッチ制御とされるようになっている。したがって、これら運転状態のときには排気ガスの空燃比がストイキまたはリッチになって、ストイキまたはリッチ空燃比の排気ガスがＳＯｘ吸収剤１７に流入することとなる。
【００７１】
前述したように、ストイキまたはリッチ空燃比の排気ガスがＳＯｘ吸収剤１７に流入しても瞬時であればＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘが放出されることはないので何ら問題は生じないが、ある程度継続して流入した場合には、排気ガス温度が前記ＳＯｘ放出温度以上になるとＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘが放出される虞れがあり、この排気ガスが下流のＮＯｘ触媒２０に流入するとＮＯｘ触媒２０がＳＯｘ被毒する虞れがある。
【００７２】
例えば、エンジン始動時の暖機運転は機関本体１が暖機されるまで継続されるので長時間に亘る場合があり、加速時もある程度の時間継続して行われる場合もあり、１２０ｋｍ／ｈ以上の定速運転も高速道路における走行で長時間継続される場合があり、これらの場合に、前記ＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘが放出される虞れがある。
【００７３】
そこで、この実施の形態では、高負荷運転時、エンジン始動時の暖機運転時、加速時、及び１２０ｋｍ／ｈ以上の定速運転時、全負荷運転時など、エンジンの運転状態からの要求により排気ガスの空燃比がストイキまたはリッチになったときには、ＳＯｘ吸収剤１７から流出した排気をバイパス管２６内に導き、ＮＯｘ触媒２０に流入するのを阻止している。
【００７４】
つまり、ＳＯｘ吸収剤１７の再生処理を実行しているか否かにかかわらず、空燃比をストイキ制御またはリッチ制御しているときには、ＳＯｘ吸収剤１７から流出した排気をバイパス管２６内に導き、ＮＯｘ触媒２０に流入するのを阻止している。
【００７５】
次に、図６を参照して、この実施の形態における排気流れ切替処理実行ルーチンを説明する。このルーチンを構成する各ステップからなるフローチャートはＥＣＵ３０のＲＯＭ３２に記憶してあり、フローチャートの各ステップにおける処理は総てＥＣＵ３０のＣＰＵ３４によって実行される。
【００７６】
＜ステップ１０１＞
まず、ＥＣＵ３０は、ステップ１０１において、現在の空燃比制御がストイキ制御またはリッチ制御か否かを判定する。ＳＯｘ吸収剤１７の再生処理時、エンジンの高負荷運転時、エンジン始動時の暖機運転時、加速時、及び１２０ｋｍ／ｈ以上の定速運転時には空燃比がストイキ制御、または全負荷運転時には空燃比がリッチ制御されるので、これらの場合には、ＥＣＵ３０はステップ１０１において肯定判定してステップ１０２に進む。一方、エンジンの低中負荷運転時には空燃比がリーン・リッチスパイク制御されるので、この場合にはＥＣＵ３０は否定判定してステップ１０４に進む。
【００７７】
＜ステップ１０２＞
ＥＣＵ３０は、ステップ１０１で肯定判定してステップ１０２に進むと、ＳＯｘ吸収剤１７の温度がＳＯｘ放出温度以上か否かを判定する。尚、この実施の形態では、温度センサ２９で検出されるＳＯｘ吸収剤１７出口の排気ガス温度をＳＯｘ吸収剤１７の温度として代用する。
【００７８】
＜ステップ１０３＞
ステップ１０２で肯定判定した場合にはＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘが放出される虞れがあるので、ＥＣＵ３０は、ステップ１０３に進んで、ＳＯｘ吸収剤１７から流出する排気ガスをバイパス管２６内に導き、ＮＯｘ触媒２０に流入しないようにする。即ち、ＥＣＵ３０は、排気切替弁２８を図１において破線で示すバイパス開位置に保持する。これにより、ＳＯｘ吸収剤１７から流出した排気ガスはＮＯｘ触媒２０内には流入せず、バイパス管２６を通り、三元触媒２３を通って大気に放出される。したがって、ＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘが放出されたとしても、そのＳＯｘがＮＯｘ触媒２０に吸収されることはなく、ＮＯｘ触媒２０がＳＯｘ被毒するのを阻止することができる。
【００７９】
尚、ＳＯｘ吸収剤１７から放出されたＳＯｘは排気ガス中の未燃ＨＣ、ＣＯによって還元せしめられ、ＳＯ２となって放出される。また、空燃比をストイキまたはリッチ制御しているときには機関本体１から未燃ＨＣ，ＣＯおよびＮＯｘが排出されるが、これらは三元触媒の機能を有するＳＯｘ吸収剤１７あるいはその下流の三元触媒２３によって浄化せしめられ、大気中に放出される虞れはない。
【００８０】
＜ステップ１０４＞
ステップ１０１で否定判定された場合およびステップ１０２で否定判定した場合にはＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘが放出される虞れがないので、ＥＣＵ３０はステップ１０４に進んで、ＳＯｘ吸収剤１７から流出する排気ガスをＮＯｘ触媒２０内に導き、バイパス管２６に流入しないようにする。即ち、ＥＣＵ３０は、排気切替弁２８を図１において実線で示すバイパス閉位置に保持する。これにより、ＳＯｘ吸収剤１７から流出した排気ガスはＮＯｘ触媒２０内に流入し、ＮＯｘ触媒２０を通った後、三元触媒２３を通って大気に放出される。このとき、排気ガス中のＳＯｘはＳＯｘ吸収剤１７に吸収され、排気ガス中のＮＯｘのみがＮＯｘ触媒２０で吸放出されて、還元浄化されることになる。
尚、ステップ１０３，１０４の後、リターンになる。この実施の形態においてＥＣＵ３０による一連の信号処理のうちステップ１０３及びステップ１０４を実行する部分は、排気切替弁（排気流れ切替手段）の作動を制御する作動制御手段ということができる。
【００８１】
このように、この実施の形態によれば、ＳＯｘ吸収剤１７からＳＯｘが放出される虞れがあるときには、ＳＯｘ吸収剤１７から流出する排気ガスがバイパス管２６に流れ、ＮＯｘ触媒２０には流入しなくなるので、ＮＯｘ触媒２０がＳＯｘ被毒するのを確実に阻止することができる。その結果、ＮＯｘ触媒２０のＮＯｘ浄化率を常に高い状態に維持することができる。
【００８２】
〔他の実施の形態〕
前述した実施の形態では本発明をガソリンエンジンに適用した例で説明したが、本発明をディーゼルエンジンに適用することができることは勿論である。ディーゼルエンジンの場合は、燃焼室での燃焼がストイキよりもはるかにリーン域で行われるので、通常の機関運転状態ではＳＯｘ吸収剤１７およびＮＯｘ触媒２０に流入する排気ガスの空燃比は非常にリーンであり、ＳＯｘおよびＮＯｘの吸収は行われるものの、ＳＯｘおよびＮＯｘの放出が行われることは殆どない。
【００８３】
また、ガソリンエンジンの場合には、前述したように燃焼室３に供給する混合気をストイキあるいはリッチにすることによりＳＯｘ吸収剤１７およびＮＯｘ触媒２０に流入する排気ガスの空燃比をストイキあるいはリッチにし、ＳＯｘ吸収剤１７やＮＯｘ触媒２０に吸収されているＳＯｘやＮＯｘを放出させることができるが、ディーゼルエンジンの場合には、燃焼室に供給する混合気をストイキあるいはリッチにすると燃焼の際に煤が発生するなどの問題があり採用することはできない。
【００８４】
したがって、本発明をディーゼルエンジンに適用する場合、流入する排気ガスの空燃比をストイキあるいはリッチにするためには、機関出力を得るために燃料を燃焼するのとは別に、還元剤（例えば燃料である軽油）を排気ガス中に供給する必要がある。排気ガスへの還元剤の供給は、吸気行程や膨張行程や排気行程において気筒内に燃料を副噴射することによっても可能であるし、あるいは、ＳＯｘ吸収剤１７の上流の排気通路内に還元剤を供給することによっても可能である。
【００８５】
尚、ディーゼルエンジンであっても排気再循環装置（所謂、ＥＧＲ装置）を備えている場合には、排気再循環ガスを多量に燃焼室に導入することによって、排気ガスの空燃比をストイキまたはリッチにすることが可能である。
【００８６】
【発明の効果】
本出願の第１の発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、（イ）希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に配置され流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＳＯｘを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸収したＳＯｘを放出するＳＯｘ吸収剤と、（ロ）前記ＳＯｘ吸収剤よりも下流の前記排気通路に配置され流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収剤と、（ハ）前記ＳＯｘ吸収剤と前記ＮＯｘ吸収剤との間の前記排気通路から分岐して前記ＮＯｘ吸収剤を迂回して排気ガスを流すバイパス通路と、（ニ）前記ＳＯｘ吸収剤からＳＯｘを放出すべき再生処理実行期間中はＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスを前記バイパス通路に導いて排気ガスが前記ＮＯｘ吸収剤に流入するのを阻止し、前記再生処理実行期間以外はＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスを前記ＮＯｘ吸収剤に導いて排気ガスが前記バイパス通路を流通するのを阻止する排気流れ切替手段と、を備える内燃機関の排気浄化装置において、（ホ）前記ＮＯ ｘ 吸収剤よりも下流の排気通路に三元触媒を備え、前記バイパス通路は、前記ＳＯ ｘ 吸収剤から前記ＮＯ ｘ 吸収剤の間と、前記ＮＯ ｘ 吸収剤から前記三元触媒の間と、を接続するように設けられていることにより、ＳＯｘ吸収剤から放出されたＳＯｘがＮＯｘ吸収剤に流入するのを阻止することができるので、ＮＯｘ吸収剤がＳＯｘ被毒するのを確実に阻止することができるという優れた効果が奏される。
【００８７】
また、本発明に係る前記内燃機関の排気浄化装置において、前記ＳＯｘ吸収剤の温度を計測または予測する温度検出手段を備え、温度検出手段で計測または予測した温度が所定温度以上のときに前記作動制御手段が排気流れ切替手段を排気ガスが前記バイパス通路に導かれるように作動制御した場合には、ＳＯｘ吸収剤からＳＯｘが放出される温度以上のときだけＳＯｘ吸収剤から放出されたＳＯｘがＮＯｘ吸収剤に流入するのを阻止することができ、ＳＯｘ吸収剤からＳＯｘが放出されない温度のときには排気ガスをＮＯｘ吸収剤に流して浄化することができる。
【００８８】
また、本発明に係る前記内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯｘ吸収剤よりも下流の排気通路に三元触媒を備え、前記バイパス通路が、前記ＳＯｘ吸収剤から前記ＮＯｘ吸収剤の間と、前記ＮＯｘ吸収剤から前記三元触媒の間とを接続するように設けられている場合には、排気ガスをバイパス通路に流しているときに、排気ガスに含まれる未燃ＨＣ，ＣＯやＮＯｘに対する浄化率が向上する。
【００８９】
また、本出願の第２の発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、（イ）希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に配置され流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＳＯｘを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸収したＳＯｘを放出するＳＯｘ吸収剤と、（ロ）前記ＳＯｘ吸収剤よりも下流の前記排気通路に配置され流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収剤と、（ハ）前記ＳＯｘ吸収剤と前記ＮＯｘ吸収剤との間の前記排気通路から分岐して前記ＮＯｘ吸収剤を迂回して排気ガスを流すバイパス通路と、（ニ）前記ＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスを前記ＮＯｘ吸収剤とバイパス通路のいずれかに流すか選択的に切り替える排気流れ切替手段と、（ホ）排気ガスの空燃比をリーン制御しているときには前記ＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスを前記ＮＯｘ吸収剤に導いて排気ガスが前記バイパス通路を流通するのを阻止し、排気ガスの空燃比をストイキ制御またはリッチ制御しているときには前記ＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスを前記バイパス通路に導いて排気ガスが前記ＮＯｘ吸収剤に流入するのを阻止するように前記排気流れ切替手段の作動を制御する作動制御手段と、（へ）前記ＮＯ ｘ 吸収剤よりも下流の排気通路配置された三元触媒と、を備え、前記バイパス通路は、前記ＳＯ ｘ 吸収剤から前記ＮＯ ｘ 吸収剤の間と、前記ＮＯ ｘ 吸収剤から前記三元触媒の間と、を接続するように設けられていることにより、ＮＯｘ吸収剤がＳＯｘ被毒するのを確実に阻止することができるという優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の一実施の形態の概略構成図である。
【図２】基本燃料噴射時間のマップの一例を示す図である。
【図３】機関から排出される排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯおよび酸素の濃度を概略的に示す線図である。
【図４】吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸放出作用を説明するための図であ
【図５】前記実施の形態における空燃比制御の一例を示す図である。
る。
【図６】前記実施の形態の排気流れ切替処理実行ルーチンである。
【符号の説明】
１ 機関本体（内燃機関）
３ 燃焼室
４ 点火栓
１１ 燃料噴射弁
１６，２２，２５ 排気管（排気通路）
１７ ＳＯｘ吸収剤
２０ 吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ吸収剤）
２３ 三元触媒
２６ バイパス管（バイパス通路）
２８ 排気切替弁（排気流れ切替手段）
２９ 温度センサ（温度検出手段）
３０ ＥＣＵ
Claims (2)
- （イ）希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に配置され流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＳＯｘを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸収したＳＯｘを放出するＳＯｘ吸収剤と、（ロ）前記ＳＯｘ吸収剤よりも下流の前記排気通路に配置され流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収剤と、（ハ）前記ＳＯｘ吸収剤と前記ＮＯｘ吸収剤との間の前記排気通路から分岐して前記ＮＯｘ吸収剤を迂回して排気ガスを流すバイパス通路と、（ニ）前記ＳＯｘ吸収剤からＳＯｘを放出すべき再生処理実行期間中はＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスを前記バイパス通路に導いて排気ガスが前記ＮＯｘ吸収剤に流入するのを阻止し、前記再生処理実行期間以外はＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスを前記ＮＯｘ吸収剤に導いて排気ガスが前記バイパス通路を流通するのを阻止する排気流れ切替手段と、を備える内燃機関の排気浄化装置において、（ホ）前記ＮＯ ｘ 吸収剤よりも下流の排気通路に三元触媒を備え、前記バイパス通路は、前記ＳＯ ｘ 吸収剤から前記ＮＯ ｘ 吸収剤の間と、前記ＮＯ ｘ 吸収剤から前記三元触媒の間と、を接続するように設けられていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
- （イ）希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に配置され流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＳＯｘを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸収したＳＯｘを放出するＳＯｘ吸収剤と、（ロ）前記ＳＯｘ吸収剤よりも下流の前記排気通路に配置され流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸収し流入する排気ガスの酸素濃度が低いときに吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収剤と、（ハ）前記ＳＯｘ吸収剤と前記ＮＯｘ吸収剤との間の前記排気通路から分岐して前記ＮＯｘ吸収剤を迂回して排気ガスを流すバイパス通路と、（ニ）前記ＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスを前記ＮＯｘ吸収剤とバイパス通路のいずれかに流すか選択的に切り替える排気流れ切替手段と、（ホ）排気ガスの空燃比をリーン制御しているときには前記ＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスを前記ＮＯｘ吸収剤に導いて排気ガスが前記バイパス通路を流通するのを阻止し、排気ガスの空燃比をストイキ制御またはリッチ制御しているときには前記ＳＯｘ吸収剤から流出した排気ガスを前記バイパス通路に導いて排気ガスが前記ＮＯｘ吸収剤に流入するのを阻止するように前記排気流れ切替手段の作動を制御する作動制御手段と、（へ）前記ＮＯ ｘ 吸収剤よりも下流の排気通路配置された三元触媒と、を備え、前記バイパス通路は、前記ＳＯ ｘ 吸収剤から前記ＮＯ ｘ 吸収剤の間と、前記ＮＯ ｘ 吸収剤から前記三元触媒の間と、を接続するように設けられていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35975198A JP3570262B2 (ja) | 1998-12-17 | 1998-12-17 | 内燃機関の排気浄化装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35975198A JP3570262B2 (ja) | 1998-12-17 | 1998-12-17 | 内燃機関の排気浄化装置 |
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Family Applications (1)
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