JP3702924B2 - 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、排気浄化装置に関し、特に、浄化能力を速やかに復活できるＮＯｘ吸蔵還元触媒を具備して、希薄燃焼式あるいは筒内噴射式の内燃機関に用いるのに好適な排気浄化装置に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
理論空燃比近傍の領域での内燃機関の運転中に良好な浄化作用を奏する三元触媒とリーン空燃比域での運転中にＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するリーンＮＯｘ触媒とを備えた排気浄化装置が知られている。この種の排気浄化装置において三元触媒を内燃機関の排気管内の上流側に配設することにより、三元触媒を速やかに活性化でき、内燃機関の、特に始動直後での排ガス特性を向上できる。この様な装置構成の場合、排ガス中の炭化水素や一酸化炭素は、三元触媒での排ガス浄化の際に消費されるので、三元触媒の下流に設けたＮＯｘ触媒に排ガスが到達した際には排ガス中の炭化水素や一酸化炭素の濃度は低くなっている。従って、ＮＯｘ触媒を三元触媒の下流に設けた排気浄化装置にあっては、ＮＯｘを炭化水素などと反応させてＮＯｘを除去する選択還元触媒を用いる余地は乏しく、一般には、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が使用される。このＮＯｘ吸蔵還元触媒は、酸化雰囲気において排ガス中のＮＯｘをその酸化生成物の形で吸着させるＮＯｘ吸蔵剤を有し、これに吸着したＮＯｘ酸化生成物を還元雰囲気中で還元させてＮＯｘ吸蔵剤を再生しつつＮＯｘを無害な窒素ガスに分解するようにしている。しかし、この種のＮＯｘ触媒を用いた場合にも、触媒へのＮＯｘ吸着量が飽和量に達するとＮＯｘが触媒に吸着されずに大気中へ排出されてしまう。
【０００３】
そこで、ＷＯ９３／０７３６３号公報等による提案では、飽和Ｎｏｘ吸着量に達する前に内燃機関の運転域をリーン空燃比域からリッチ空燃比域に切換えて触媒の回りに還元雰囲気を形成し、この還元雰囲気中でＮＯｘの酸化生成物を還元するようにしている。
しかしながら、ＮＯｘ触媒にはＮＯｘの酸化生成物が付着するばかりではなく、燃料中に含まれる硫黄分の酸化生成物などが付着する。そして、これらの付着物質は、触媒へのＮＯｘの付着を阻害して、触媒のＮＯｘ浄化能力を低減させる。しかも、触媒に付着した硫黄の酸化生成物を還元除去することは特に困難である。
【０００４】
そこで、ＮＯｘ触媒を高温下においた状態で内燃機関をリッチ空燃比域で運転することにより硫黄の酸化生成物を還元除去し、ＮＯｘ触媒の浄化能力を再生させる技術が特開平６−８８５１８号公報等に開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、硫黄の酸化生成物を還元除去するには空燃比を相当にリッチ化させる必要があり、この触媒再生プロセスが行われている間、燃費や排ガス特性が悪化する。また、内燃機関の通常運転域から再生プロセス運転域への移行時および該プロセス運転域からの離脱時に空燃比が変化して出力トルクが変化する。しかも、上記の再生プロセスによる硫黄の酸化生成物の還元除去には相当に長い時間を要し、この間、再生プロセスの実行に伴う上記の不都合が生じる。
【０００６】
本発明は、ＮＯｘ触媒に付着した硫黄の酸化生成物の還元を促進して、ＮＯｘ触媒の浄化能力を比較的短時間で復活できるようにした排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載した本発明の排気浄化装置は、内燃機関の排気管内に配された三元触媒と、前記排気管内において前記三元触媒の下流に配されると共に酸化雰囲気で排気ガス中のＮＯｘ及びＳＯｘを吸蔵し且つ還元雰囲気で吸蔵したＮＯｘ及びＳＯｘを脱離するＮＯｘ吸蔵還元触媒と、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に付着したＳＯｘを脱離すべく前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度を上昇させると共に前記排気管内を還元雰囲気とするＳＯｘリフレッシュ制御手段とを備え、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒にＮｉ又はＮｉの酸化物を添加し、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒上において、前記ＳＯｘリフレッシュ制御手段の作動中に生成されるＨ2ＳとＮｉ又はＮｉの酸化物とを反応させることによりＮｉＳを生成させ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の浄化能力を低下させる硫黄酸化生成物の還元を促進することを特徴とする。
【０００８】
上記の排気浄化装置によれば、排気管内が酸化雰囲気になると、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の表面に例えば金属酸化物の形で存在するＮＯｘ吸蔵剤（触媒種）が、排ガス中のＮＯｘと反応してＮＯｘの酸化生成物を生成する。また、上記のＮＯｘ吸蔵剤は、燃料中の硫黄分の燃焼により発生したＳＯ2から生成されたＳＯ3と反応して、硫黄（ＳＯｘ）の酸化生成物を生成する。この様にして生成されたＮＯｘの酸化生成物および硫黄の酸化生成物は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に付着してその浄化能力を低下させる。
【０００９】
そこで、ＳＯｘリフレッシュ制御手段は、ＮＯｘ触媒に付着したＳＯｘを脱離させるべくＮＯｘ触媒温度を上昇させると共に排気管内を還元雰囲気にする。
排気管内が還元雰囲気になると、三元触媒およびＮＯｘ触媒では、排ガス中のＳＯ2が還元されて硫化水素が生成される。この硫化水素は、Ｎｉ又はＮｉの酸化物を添加したＮＯｘ触媒上に存在するニッケル酸化物と反応して硫化ニッケルを生成する。また、ＮＯｘの酸化生成物および硫黄の酸化生成物を還元する反応が生じる。
【００１０】
注目すべきは、硫化ニッケルを生成するＮＯｘ触媒での上記の還元反応が進むにつれて、硫化水素が消費されることである。そして、この様に消費される硫化水素を補うため、ＮＯｘ触媒では、ＳＯ2から硫化水素を生成させる上述の還元反応が促進されてＳＯ2が消費される。このＳＯ2の消費を補うために、ＮＯｘ触媒での、硫黄の酸化生成物を還元する反応が促進される。即ち、Ｎｉを添加したＮＯｘ吸蔵還元触媒を用いることにより、還元雰囲気では、硫黄の酸化生成物をＮＯｘ吸蔵剤に転化する反応が速やかに進行するような平衡状態が形成される。この結果、ＮＯｘ触媒の浄化能力低下を招来する硫黄の酸化生成物が比較的短時間内に除去される。
【００１１】
また、ＳＯｘリフレッシュ手段によりＮＯｘ触媒が昇温されるので、硫黄の酸化生成物を還元する還元反応が促進される。
請求項２に記載の排気浄化装置は、ＳＯｘリフレッシュ制御手段が、内燃機関から排気管へ排出される排ガスを昇温させる排気昇温手段を含むことを特徴とする。
【００１２】
この排気浄化装置によれば、触媒加熱ヒータなどを用いることなしに、ＮＯｘ触媒を昇温させることができる。
請求項３に記載の排気浄化装置は、排気昇温手段が、内燃機関の点火時期をリタードさせる点火時期調整手段からなることを特徴とする。
この排気浄化装置によれば、内燃機関の点火時期をリタードさせることにより、排ガスひいてはＮＯｘ触媒を昇温させることができる。
【００１３】
請求項４に記載の排気浄化装置は、燃焼室に燃料を直接に噴射する筒内噴射式内燃機関に装備されるものであり、排気昇温手段を、内燃機関の各気筒に対する燃料噴射を各該気筒の１サイクル中に複数回にわたって行わせる燃料噴射制御手段により構成したことを特徴とする。
この排気浄化装置によれば、内燃機関の各気筒に対して１サイクル中に複数回にわたって燃料を好適なタイミングで噴射することにより、排ガスひいてはＮＯｘ触媒を昇温させることができる。
【００１４】
請求項５に記載の排気浄化装置は、ＳＯｘリフレッシュ制御手段が、内燃機関の空燃比をリッチ空燃比域に入るように制御する空燃比制御手段を含むことを特徴とする。
この排気浄化装置によれば、内燃機関をリッチ燃焼運転させることによりＮＯｘ触媒の回りに還元雰囲気を適宜に形成してＮＯｘ触媒の浄化能力の再生に必要な反応を生起させることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態による排気浄化装置を装備した筒内噴射式内燃機関を説明する。
図１において、参照符号１は、火花点火式筒内噴射型直列４気筒４サイクルガソリンエンジンを示す。このエンジン１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ３５と共に電磁式の燃料噴射弁８が取り付けられ、燃料噴射弁８から燃焼室１ａ内に燃料を直接に噴射するようになっている。シリンダ内に配されたピストン１ｂの頂面には半球状のキャビティ１ｃが形成され、ピストン１が上死点（ＴＤＣ）近傍にあるとき、燃料噴射弁８からの燃料噴霧がキャビティ１ｃ内に到達するようになっている。シリンダヘッドの上部には、エンジン１の吸排気弁４，５をそれぞれ駆動する吸気側および排気側カムシャフトが回転自在に保持されている。
【００１６】
シリンダヘッドには吸気ポート２ａが略直立に形成され、この吸気ポート２ａを通過した吸気流により、燃焼室１ａ内で所謂逆タンブル流を発生可能なようにしている。排気ポート３ａは略水平方向に形成され、この排気ポートから大径のＥＧＲポート（図示せず）が斜めに分岐している。
図１中、符号１９は冷却水温を検出する水温センサ、２１は、各気筒の所定のクランク位置（例えば５°BTDCおよび７５°BTDC）でクランク角信号を出力するクランク角センサ、３４は、点火プラグ３５に高電圧を出力する点火コイルをそれぞれ示す。カムシャフトには、気筒判別信号を出力する気筒判別センサ（図示せず）が配設され、このセンサからの信号によってクランク角信号に対応する気筒を判別するようにしている。
【００１７】
サージタンク２ｂを有する吸気マニホールド２を介して吸気ポート２ａに接続された吸気管６は、エアクリーナ６ａと、スロットルボディ６ｂと、ステッパモータ式のアイドルスピードコントロールバルブ（アイドル調整弁）１６とを備えている。吸気管６には、スロットルボディ６ｂを迂回して吸気マニホールド２に吸入空気を導入する大径のエアバイパスパイプ５０ａが併設され、パイプ５０ａにはリニアソレノイド式で大型のエアバイパスバルブ（ＡＢＶ）５０が設けられている。エアバイパスパイプ５０ａは、吸気管６に準ずる流路面積を有しており、ＡＢＶ５０を全開させた状態では、エンジン低中速域で要求される量の吸入空気をパイプ５０ａを介してエンジン１に供給可能である。アイドル調整弁１６は、ＡＢＶ５０よりも小さい流路面積を有し、この調整弁１６を用いて吸入空気量を精度よく調整可能である。
【００１８】
スロットルボディ６ｂには、スロットル弁７と、スロットル開度を検出するスロットルセンサ１４と、スロットル弁全閉状態を検出するアイドルスイッチ１５とが設けられている。また、エアクリーナ６ａの内部には、吸気密度を求めるための吸気温センサ１２と大気圧センサ１３とが配設され、大気圧および吸気温度をそれぞれ表す出力信号が両センサから出力される。また、吸気管６の入口近傍に配設されたカルマン渦式のエアフローセンサ１１は、一吸気行程当たりの体積空気流量に比例した渦発生信号を出力する。
【００１９】
前述のＥＧＲポートは、大径のＥＧＲパイプ１０ｂを介して、スロットル弁７の下流かつ吸気マニホールド２の上流に接続されている。ＥＧＲパイプ１０ｂにはステッパモータ式のＥＧＲ弁１０ａが配設され、要素１０ｂと共にＥＧＲ装置１０を構成している。
参照符号１７は、排気マニホールド３に取り付けられ排ガス中の酸素濃度を検出するＯ2センサを示し、符号９は、排気パイプ３ｂに設けた排気浄化用の触媒コンバータ（排気浄化装置）を示す。
【００２０】
この触媒コンバータ９は、排気パイプ３ｂ内に配された三元触媒９ａと、排気パイプ３ｂ内において三元触媒９ａの下流に配されたリーンＮＯｘ触媒９ｂとを有している。エンジン１の燃焼室１ａから排気パイプ３ｂへ排出される排ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘの３つの有害成分は、理論空燃比近傍領域でのエンジン運転中、三元触媒９ａにより充分に浄化される。リーンＮＯｘ触媒９ｂは、エンジン１のリーン燃焼運転中、三元触媒９ａによっては充分に浄化できない排ガス中のＮＯｘを浄化する機能を有する。従って、このＮＯｘ触媒９ｂと三元触媒９ａとを含む触媒コンバータ９は、燃費向上などを企図してリーン空燃比域で運転されることが多い筒内噴射式エンジン１や希薄燃焼式エンジンに好適である。また、三元触媒９ａは、排気パイプ３ｂ内の上流側に配することにより早期に活性化可能であり、エンジン１の始動時の排気浄化能力に富む。
【００２１】
リーンＮＯｘ触媒９ｂはＮＯｘ吸蔵還元触媒からなる。このＮＯｘ吸蔵還元触媒９ｂは、例えば、Ａｌ2Ｏ3（アルミナ）などからなる担持層と、この担持層に担持された種々の触媒種とを有している。本実施形態のＮＯｘ触媒９ｂには、アルカリ金属、アルカリ土類、アルカリ希土類などの触媒種、例えば、Ｐt（白金）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｋ（カリウム）、Ｌａ（ランタン）、Ｃｅ（セリウム）等の触媒種が用いられる。このＮＯｘ触媒９ｂは、Ｎｉ（ニッケル）が触媒種として添加されていることに特徴がある。本実施形態では、Ｎｉ微粒子がアルミナ担持層の表面または表層部に分散され保持されている。Ｎｉ微粒子の担持方法としては、他の触媒種内にＮｉを添加して液化させ、その触媒溶液中に担体を浸漬させ、これにより担体表面に触媒層を形成するようにしている。上記の触媒種は、作用時に、金属酸化物の形態をとり得る。例えば、Ｂａは、ＢａＣＯ3の形態をとってＮＯｘ吸蔵剤として機能する。
【００２２】
以下、上記構成の触媒コンバータ９の排ガス浄化機構を説明する。
エンジン１がリーン空燃比域（後述の圧縮行程噴射リーン域、吸気行程リーン域に対応）で運転されて、排気パイプ３ｂ内が酸化雰囲気になると、三元触媒９ａ上では、下記の反応（１）〜（４）が生じるものと考えられる。
ＳＯ2＋１／２Ｏ2 → ＳＯ3 …（１）
３ＳＯ3＋２ＣｅＯ2 → Ｃｅ2(ＳＯ4)３＋１／２Ｏ2 …（２）
２ＨＣ＋５／２Ｏ2 → Ｈ2Ｏ＋２ＣＯ2 …（３）
ＣＯ＋１／２Ｏ2 → ＣＯ2 …（４）
一方、ＮＯｘ触媒９ｂ上では、下記の反応（５）〜（７）が生じるものと解される。
【００２３】
ＳＯ3＋ＢａＣＯ3 → ＢａＳＯ4＋ＣＯ2 …（５）
ＮＯ＋ＢａＣＯ3＋３／２Ｏ2 → Ｂａ(ＮＯ3)2＋ＣＯ2 …（６）
ＮｉＳ＋３／２Ｏ2 → ＮｉＯ＋ＳＯ2 …（７）
上記の反応式に示すように、燃料に含まれていた硫黄分の殆どは燃焼室内で燃焼してＳＯ2の形で排気パイプ３ｂ内へ排出され、三元触媒９ａ上で排ガス中の酸素と反応してＳＯ3になる。このＳＯ3は三元触媒９ａ上のＣｅＯ2と反応してＣｅ2(ＳＯ4)３を生成する。すなわち、ＳＯ3は、Ｃｅ2(ＳＯ4)３の形態で捕捉される。三元触媒により捕捉されなかったＳＯ3は、ＮＯｘ触媒９ｂへ流入してＮＯｘ触媒９ｂ上のＮＯｘ吸蔵剤であるＢａＣＯ3と反応して、硫黄分の酸化生成物である硫酸塩Ｘ−ＳＯ4としてのＢａＳＯ4を生成する。このＢａＳＯ4はＮＯｘ触媒９ｂの表面に付着してＮＯｘ触媒の浄化力を低下させる。
【００２４】
また、排ガス中のＮＯとＢａＣＯ3との反応により、ＮＯｘの酸化生成物である硝酸塩Ｘ−ＮＯｘとしてのＢａ(ＮＯ3)2が生成される。この結果、排ガス中のＮＯｘがＮＯｘ吸蔵剤に吸蔵される。但し、ＳＯ3の存在下では、ＢａＳＯ4を生成する上記の反応（５）が、ＮＯｘ吸蔵のための反応（６）に優先して行われる。Ｂａ(ＮＯ3)2は触媒表面に付着してＮＯｘ触媒の浄化力を低下させる。
【００２５】
式（７）中のＮｉＳは、後述の、還元雰囲気におけるＮＯｘ触媒９ｂ上でのＮｉＯを還元する反応によって生成されるものである。このＮｉＳは排ガス中の余剰酸素と反応してＮｉＯを生成する。ＮｉＯはＮＯｘ触媒の表面に留まる。上記の反応の結果として生じたＣＯ2やＳＯ2は大気中へ排出される。
リッチ空燃比域（後述のオープンループ域およびリフレッシュ運転に対応）でのエンジン運転により排気パイプ３ｂ内が還元雰囲気になると、三元触媒９ａ上では下記の反応（１１）〜（１３）が生じると考えられる。
【００２６】
ＳＯ2＋３Ｈ2 → Ｈ2Ｓ＋２Ｈ2Ｏ …（１１）
Ｃｅ2(ＳＯ4)3＋１１Ｈ2 → ３Ｈ2Ｓ＋２ＣｅＯ2＋８Ｈ2Ｏ…（１２）
ＮＯ＋ＣＯ → １／２Ｎ2＋ＣＯ2 …（１３）
一方、ＮＯｘ触媒９ｂ上では下記の反応（１４）〜（１８）が生じると考えられる。
【００２７】
ＢａＳＯ4＋ＣＯ → ＢａＣＯ3＋ＳＯ2 …（１４）
ＳＯ2＋３Ｈ2 → Ｈ2Ｓ＋２Ｈ2Ｏ …（１５）
ＮｉＯ＋Ｈ2Ｓ → ＮｉＳ＋Ｈ2Ｏ …（１６）
Ｂａ(ＮＯ3)2＋ＣＯ → ＢａＣＯ3＋２ＮＯ＋Ｏ2 …（１７）
ＮＯ＋ＣＯ → １／２Ｎ2＋ＣＯ2 …（１８）
すなわち、還元雰囲気において、三元触媒およびＮＯｘ触媒では、排ガス中のＳＯ2が還元されてＨ2Ｓが生成される。このＨ2Ｓは、ＮＯｘ触媒上でＮｉＯと反応してＮｉＳを生成する。ＮｉＳはＮＯｘ触媒表面に留まるので、臭気を有するＨ2Ｓの大気中への放出が抑制される。
【００２８】
また、式（１４）に示すように、硫黄分の硫酸塩であるＢａＳＯ4は排ガス中のＣＯと反応してＢａＣＯ3（ＮＯｘ吸蔵剤）へ還元される。この還元反応に伴ってＳＯ2が発生する。
上記反応式（１４）に示す還元反応は、一般にはＮＯｘ触媒を高温下においた場合にも進行しにくい。すなわち、ＮＯｘ触媒表面に付着したＢａＳＯ4を短時間内に還元除去することは困難である。従来のＮＯｘ吸蔵還元触媒にあっては、Ｈ2Ｓの存在が、式（１４）に示す硫黄の酸化生成物のＮＯｘ吸収剤への転化を阻むように作用するからである。
【００２９】
本実施形態では、ＮＯｘ触媒９ｂにＮｉを触媒種として添加することにより、反応式（１４）の還元反応を促進して、ＢａＳＯ4を比較的短時間内に除去するようにしている（図６を参照）。
詳しくは、式（１６）で示すＮｉＯをＮｉＳへ還元する反応がＮＯｘ触媒上で進むにつれて、Ｈ2Ｓが消費される。この様に、ＮＯｘ触媒９ｂに添加されたＮｉは、ＮｉＯの形態をとって、硫黄の酸化生成物のＮＯｘ吸収剤への転化を阻むＨ2Ｓを除去する機能を奏する。換言すれば、ＮｉＯは、Ｈ2Ｓの形で現れる硫黄分を吸収するいわば硫黄吸収剤として機能する。
【００３０】
ＮｉＯのＮｉＳへの転化に伴って消費されるＨ2Ｓを補うため、ＮＯｘ触媒では、式（１５）で示すＳＯ2をＨ2Ｓへ還元する反応が促進されて、ＳＯ2が消費される。このＳＯ2の消費を補うために、式（１４）に示すＮＯｘ触媒でのＢａＳＯ4をＢａＣＯ3に還元する反応が促進される。この結果、ＮＯｘ触媒の浄化能力の低下を招来するＢａＳＯ4が比較的短時間内に除去されてＮＯｘ触媒の浄化能力が回復する。
【００３１】
後述のように、本実施形態では、エンジン１の点火時期をリタードさせて排ガスひいてはＮＯｘ触媒を昇温させた状態で、リッチ空燃比域でのエンジン運転を行い、ＢａＳＯ4を除去する式（１４）の還元反応を促進させるようにしている。
なお、三元触媒とその下流に配されたＮＯｘ吸蔵還元触媒とを組み合わせ使用する排気浄化装置において、三元触媒にＮｉを添加することは、ＮＯｘ触媒が硫黄被毒されるので不都合である。すなわち、Ｎｉを添加した三元触媒で上記式（１６）の反応の結果としてＮｉＳが生成されると、酸化雰囲気でＮｉＳが酸化されて式（７）に示すようにＮｉＯおよびＳＯ2を生成し、ＳＯ2が酸化されてＳＯ3になる。このＳＯ3がＮＯｘ触媒へ達すると、上記式（５）に示すＮＯｘ吸蔵剤のＳＯ3被毒が生じる。
【００３２】
以下、エンジン１およびその周辺要素を更に説明する。
図示を省略するが、車体後部に設置された燃料タンク内に貯留された燃料は、電動式の低圧燃料ポンプで吸い上げられ、低圧フィードパイプを介してエンジン１側に送給され、更に、シリンダヘッドに取り付けられた高圧燃料ポンプにより、高圧フィードパイプとデリバリパイプとを介して各燃料噴射弁８に送給される。
【００３３】
車室内には電子制御ユニット（ＥＣＵ）２３が設置されており、このＥＣＵ２３は、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ，不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備え、エンジン１の総合的な制御を行うようになっている。
ＥＣＵ２３の入力側には、作動時にエンジン１の負荷となるエアコン装置、パワーステアリング装置、自動変速装置等の作動状況を検出するスイッチ類等がそれぞれ接続されている。
【００３４】
ＥＣＵ２３は、上記の各種センサ類及びスイッチ類からの入力信号に基づき、後述の燃料噴射モード、燃料噴射量（空燃比）、燃料噴射終了時期、点火時期、ＥＧＲガス導入量などを決定し、燃料噴射弁８、点火コイル３４、ＥＧＲ弁１０ａ等を駆動制御する。
先に述べたように、ＮＯｘ触媒９ｂの浄化能力の低下要因となる硫黄の硫酸塩（ＢａＳＯ4）の還元除去を促進して浄化能力を速やかに再生させるため、本実施形態では、エンジン１の点火時期をリタードさせて排ガスひいてはＮＯｘ触媒を昇温させた状態で、リッチ空燃比域でのエンジン運転を行うようにしている。換言すれば、本実施形態の排気浄化装置は、点火時期をリタードさせる点火時期調整手段と、空燃比をリッチ空燃比に入るように制御する空燃比制御手段とを排気昇温手段として具備している。そして、これら手段の点火時期リタード機能および空燃比制御機能は、後述の如く、リフレッシュ制御手段としてのＥＣＵ２３により実現される。
【００３５】
上記のように構成されたエンジン１の運転は、通常、ＥＣＵ２３により以下のように制御される。
冷機状態でのエンジン始動時および暖機中は、吸気行程噴射モードが選択されて、比較的リッチな空燃比となるように燃料噴射が行われる。また、ＡＢＶ５０は閉鎖され、吸入空気はスロットル弁７の隙間やアイドル調整弁１６から燃焼室１ａへ供給される。また、アイドル回転数制御のため、エアコン等の補機類によるエンジン負荷の増減に応じてアイドル調整弁１６（必要に応じてＡＢＶ５０）が調整される。そして、Ｏ2センサ１７が活性温度に達すると、Ｏ2センサ１７の出力電圧に基づく空燃比フィードバック制御が開始され、有害排出ガス成分は触媒コンバータ９の三元触媒９ａにより浄化される。
【００３６】
エンジン１の暖機が終了すると、スロットル開度θth等から得た目標平均有効圧とエンジン回転速度とに基づき、図示しないマップから現在の燃料噴射制御領域（エンジン運転域）が検索され、検索された領域に適合する燃料噴射モードと燃料噴射量とが決定されて燃料噴射弁８が駆動される。また、ＡＢＶ５０やＥＧＲ弁４５の開弁制御が行われる。
【００３７】
詳しくは、アイドル運転時等の低負荷・低回転運転時には、エンジン運転が圧縮行程噴射リーン域で行われていると判別されて、圧縮行程噴射モードが選択されると共にＡＢＶ５０及びＥＧＲ弁１０ａがエンジン運転状態に応じて開弁され、リーン空燃比（２０〜４０程度）となるように燃料噴射が制御される。
この場合、吸気ポート２ａから流入した吸気流によって燃焼室１ａ内に形成される逆タンブル流により燃料噴霧がピストン１ｂのキャビティ１ｃ内に保存され、点火時点において点火プラグ３５の周囲には理論空燃比近傍の混合気が形成される。この結果、全体として極めてリーンな空燃比でも着火が可能となり、ＣＯおよびＨＣ排出が抑制されると共に燃費が大幅に向上する。また、排ガスの還流によってＮＯｘ排出量も抑えられる。
【００３８】
エンジン中負荷域では、エンジン運転域が、吸気行程リーン域あるいは理論空燃比フィードバック制御域（Ｓ−Ｆ／Ｂ域）となるため、吸気行程噴射モードが選択される。吸気行程リーン域では、比較的リーンな空燃比（例えば、２０〜２３程度）となるようにＡＢＶ５０の開弁量と燃料噴射量とが制御される。Ｓ−Ｆ／Ｂ域では、ＡＢＶ５０とＥＧＲ弁１０ａとを開閉制御するとともに、Ｏ2センサ１７の出力電圧に応じて空燃比フィードバック制御が行われる。
【００３９】
また、エンジンの急加速運転時や高速運転時には、エンジン１がオープンループ域で運転されていることが判別されて、吸気行程噴射モードが選択されると共にＡＢＶ５０が閉鎖され、比較的リッチな空燃比となるように燃料噴射が制御される。
さらに、中高速走行中の惰行運転時等には、運転領域は燃料カット域となるため、燃料噴射は完全に停止される。
【００４０】
以下、図２ないし図４を参照して、ＥＣＵ２３により実行されるリフレッシュ制御について説明する。
このリフレッシュ制御は、排ガス中に含まれるＮＯｘおよびＳＯｘの酸化生成物である硝酸塩Ｘ−ＮＯ3および硫酸塩Ｘ−ＳＯ4（本実施形態ではＢａ(ＮＯ3)2及びＢａＳＯ4）を還元除去して、ＮＯｘ触媒９ｂの浄化能力を再生させることを企図している。後述のように、リフレッシュ制御では、ＮＯｘリフレッシュ運転とＳＯｘリフレッシュ運転とが必要に応じて実施される。
【００４１】
図示しない燃料噴射制御ルーチンにおいて上述のようにエンジン運転域に応じた燃料噴射制御が行われている間にリフレッシュ制御実行時期が到来すると、図２のリフレッシュ制御ルーチンの実行が開始される。
先ず、エンジン１がリーン空燃比域（圧縮行程噴射リーン域または吸気行程リーン域）で運転中であるか否かが判別される（ステップＳ１）。この判別結果が否定、即ち、リーン空燃比運転中でないと判別されると、このリフレッシュ制御ルーチンは一旦終了され、制御ルーチン実行周期Ｔｃが経過したときに本ルーチンがステップＳ１から再度実行される。
【００４２】
なお、リーン空燃比運転中は排気パイプ３ｂ内が酸化雰囲気になって、三元触媒９ａ上およびＮＯｘ触媒９ｂ上では上述の反応（１）〜（４）及び反応（５）〜（７）が生じ、ＢａＳＯ4およびＢａ(ＮＯ3)2がＮＯｘ触媒に徐々に付着して浄化能力を徐々に低下させる。
上記のステップＳ１においてリーン空燃比運転中であることが判別されると、前回のＮＯｘリフレッシュ運転の終了時点以降におけるリーン空燃比運転の合計実行時間を表す第１の計時時間Ｔ１に制御ルーチン実行周期Ｔｃが加算され、また、前回のＳＯｘリフレッシュ運転の終了時点以降におけるリーン空燃比運転の合計実行時間を表す第２の計時時間Ｔ２に制御ルーチン実行周期Ｔｃが加算される（ステップＳ２）。例えば、図示しないＴ１計時用及びＴ２計時用のタイマカウンタのカウント値のそれぞれが周期Ｔｃに対応する値１だけインクリメントされる。なお、時間Ｔ１、Ｔ２の初期値はゼロである。
【００４３】
次に、第１の所定時間Ｔ1refがＥＣＵ２３の記憶装置から読み出され、第１の計時時間Ｔ１が第１の所定時間Ｔ1refに達したか否かが判別される（ステップＳ３）。この判別結果が否定であれば、第２の所定時間Ｔ2refが記憶装置から読み出され、第２の計時時間Ｔ２が第２の所定時間Ｔ2refに達したか否かが判別される（ステップＳ４）。ステップＳ４での判別結果が否定であれば、本ルーチンを一旦終了する。
【００４４】
第１及び第２の所定時間Ｔ1ref、Ｔ2refは、当該時間にわたってリーン空燃比運転が連続的または間欠的に実施された場合にも、また、リーン空燃比運転中のエンジン運転状態が如何なるものであったとしても、Ｂａ(ＮＯ3)2及びＢａＳＯ4のＮＯｘ触媒９ｂへの付着量がそれぞれの許容量を超えないような時間に設定されている。
【００４５】
図５に示すように、第２の所定時間Ｔ2refは第１の所定時間Ｔ1refよりも長くなっている。排ガス中のＳＯｘ含有量はＮＯｘ含有量よりも少なく、リーン燃焼運転の実施に伴うＮＯｘ触媒へのＢａＳＯ4の付着の進行速度が、Ｂａ(ＮＯ3)2の付着の進行速度よりも遅いからである。
上記ステップＳ３での判別結果が肯定、すなわち、前回のＮＯｘリフレッシュ運転の終了時点から第１の所定時間Ｔ1refが経過したことが判別されると、Ｂａ(ＮＯ3)2の付着量が許容量を越えるおそれがあるので、Ｂａ(ＮＯ3)2を還元除去するべく、ＮＯｘリフレッシュ運転が実行される（ステップＳ５）。このＮＯｘリフレッシュ運転では、ＮＯｘ触媒９ｂからＢａ(ＮＯ3)2ひいてはＮＯｘを脱離させるのに適した空燃比で、エンジン１が、ＮＯｘ脱離に要する時間にわたって運転される。
【００４６】
詳しくは、図３に示すＮＯｘリフレッシュ運転サブルーチンにおいて、ＮＯｘ脱離に適した空燃比（例えば、理論空燃比近傍のリッチ空燃比である値１４の空燃比）を達成するための燃料噴射時間が図示しないマップを参照して決定される（ステップＳ５０１）。次に、ステップＳ５０１で決定されたＮＯｘ脱離用の燃料噴射時間にわたる燃料噴射を行うための燃料噴射開始時期および終了時期が決定され（ステップＳ５０２）、更に、点火時期が図示しないマップに基づいて決定される（ステップＳ５０３）。そして、ＮＯｘ脱離に要するエンジン運転時間であるＮＯｘリフレッシュ運転時間ｔｎrefが記憶装置から読み出され（ステップＳ５０４）、ＮＯｘリフレッシュ運転実行時間ｔｎを計時する図示しないタイマカウンタが起動される（ステップＳ５０５）。
【００４７】
次に、ＮＯｘ脱離のための燃料噴射制御の実施が許容される（ステップＳ５０６）。この結果、エンジン運転域に応じた燃料噴射制御からＮＯｘ脱離のための燃料噴射制御へ切り換えられる。従って、ステップＳ５０２で決定された燃料噴射開始時期に達すると、エンジン１の気筒の対応するものの燃料噴射弁８が開弁され、燃料噴射終了時期に達すると閉弁される。また、ステップＳ５０３で決定された点火時期に達すると点火プラグ３５が作動する。
【００４８】
ステップＳ５０７では、上記のタイマカウンタによる計時時間ｔｎがＮＯｘリフレッシュ運転時間ｔｎrefに達したか否かが判別される。この判別結果が否定であれば、ステップＳ５０７を再度実行する。従って、ステップＳ５０７での判別結果が否定である間は、燃料噴射開始時期に達する度に燃料噴射が開始され、また、点火時期に達する度に燃料噴霧への点火が行われる。この結果、エンジン１は、ＮＯｘ脱離に適した理論空燃比近傍のリッチ空燃比で運転され、これにより、ＮＯｘ触媒９ｂに付着したＢａ(ＮＯ3)2のＢａＣＯ3への転化が徐々に進行する（上述の反応式（１７）を参照）。すなわち、ＮＯｘの脱離が進行する。なお、ＮＯｘ触媒が還元雰囲気内におかれるので、上述の式（１４）に従ってＳＯｘの脱離も僅かに進行する。
【００４９】
ＮＯｘリフレッシュ運転が時間ｔｎrefにわたって実施されてステップＳ５０７での判別結果が肯定になると、ＮＯｘの脱離が充分に進行したと判断してＮＯｘ脱離用の燃料噴射の実施が禁止され（ステップＳ５０８）、エンジン運転域に応じた燃料噴射制御が再開される。そして、ステップＳ５０９では、ＮＯｘリフレッシュ運転実行時間ｔｎを計時するタイマがリセットされる。
【００５０】
以上のようにして、ＮＯｘリフレッシュ運転が終了すると、制御プログラムは、図２のリフレッシュ制御ルーチンのステップＳ６に進み、ＮＯｘリフレッシュ運転の終了時点以降におけるリーン空燃比運転の合計実行時間を表す第１の計時時間Ｔ１が０にリセットされる。
なお、ＮＯｘリフレッシュ運転中に加速要求などがあった場合に、ＮＯｘリフレッシュ運転を中止して、加速要求などに適合する燃料噴射制御を実施するようにしても良い。ＳＯｘリフレッシュ運転についても同様である。
【００５１】
図２のリフレッシュ制御ルーチンにおいて、ステップＳ４での判別結果が肯定、すなわち、前回のＳＯｘリフレッシュ運転の終了時点から第２の所定時間Ｔ2refが経過したことが判別されると、許容ＢａＳＯ4付着量を越えるおそれがあるので、ＢａＳＯ4を還元除去してＳＯｘを脱離させるＳＯｘリフレッシュ運転が実行される（ステップＳ７）。このＳＯｘリフレッシュ運転では、ＮＯｘ触媒９ｂからＢａＳＯ4ひいてはＳＯｘを脱離させるのに適した空燃比でのエンジン運転が、ＳＯｘの脱離に要する時間にわたって行われる。また、ＢａＳＯ4をＢａＣＯ3へ転化させる反応を促進させるため、ＮＯｘ触媒の昇温が行われる。本実施形態では、点火時期をリタードさせることにより排ガス温度を上昇させるようにしている。
【００５２】
詳しくは、図４に示すＳＯｘリフレッシュ運転サブルーチンにおいて、ＳＯｘ脱離に適したリッチ空燃比（例えば１１）を達成するための燃料噴射時間が図示しないマップを参照して決定される（ステップＳ７０１）。次に、ステップＳ７０１で決定されたＳＯｘ脱離用の燃料噴射時間にわたる燃料噴射を行うための燃料噴射開始時期および燃料噴射終了時期が決定される（ステップＳ７０２）。そして、点火時期θigが図示しないマップに基づいて仮に決定され（ステップＳ７０３）、排気昇温のための点火時期リタード量Δθigが図示しないマップから求められ（ステップＳ７０４）、次に、ステップＳ７０３で仮に決定した点火時期θigにリタード量Δθigを加算して、点火時期θigを最終的に決定する（ステップＳ７０５）。
【００５３】
次いで、ＳＯｘ脱離に要するエンジン運転時間であるＳＯｘリフレッシュ運転時間ｔｓrefが記憶装置から読み出され（ステップＳ７０６）、ＳＯｘリフレッシュ運転実行時間ｔｓを計時する図示しないタイマカウンタが起動される（ステップＳ７０７）。
次に、ＳＯｘ脱離のための燃料噴射制御の実施が許容される（ステップＳ７０８）。この結果、エンジン運転域に応じた燃料噴射制御からＳＯｘ脱離のための燃料噴射制御へ切り換えられる。
【００５４】
ステップＳ７０９では、タイマカウンタによる計時時間ｔｓがＳＯｘリフレッシュ運転時間ｔｓrefに達したか否かが判別される。この判別結果が否定であれば、ステップＳ７０９を再度実行する。従って、ステップＳ７０９での判別結果が否定である間は、燃料噴射開始時期に達する度に燃料噴射が開始され、燃料終了時期が到来すると燃料噴射が終了される。また、点火時期に達する度に燃料噴霧への点火が行われる。この結果、エンジン１は、ＳＯｘ脱離に適したリッチ空燃比で運転され、これにより、ＮＯｘ触媒９ｂに付着したＢａＳＯ4のＢａＣＯ3への転化が徐々に進行する（上述の式（１４）を参照）。すなわち、ＳＯｘの脱離が進行する。ＳＯｘリフレッシュ運転中、点火時期がリタードされるので排ガス温度が上昇する。これに伴ってＮＯｘ触媒温度が上昇し、ＢａＳＯ4をＢａＣＯ3へ転化させる式（１４）の反応が促進される。しかも、Ｎｉを添加したＮＯｘ触媒９ｂによれば、Ｈ2Ｓを消費する式（１６）の反応が生起するので、式（１４）の反応がさらに促進される。ＳＯｘリフレッシュ運転中はＮＯｘ触媒が還元雰囲気内におかれるので、ＮＯｘの脱離も進行する。
【００５５】
ＳＯｘリフレッシュ運転が時間ｔｓrefにわたって実施されてステップＳ７０９での判別結果が肯定になると、ＳＯｘの脱離が充分に進行したと判断してＳＯｘ脱離用の燃料噴射の実施が禁止され（ステップＳ７１０）、エンジン運転域に応じた燃料噴射制御が再開される。そして、ステップＳ７１１では、ＳＯｘリフレッシュ運転実行時間ｔｓを計時するタイマカウンタがリセットされる。
【００５６】
以上のようにして、ＳＯｘリフレッシュ運転が終了すると、制御プログラムは、図２のリフレッシュ制御ルーチンのステップＳ７に進み、ＳＯｘリフレッシュ運転の終了時点以降におけるリーン空燃比運転の合計実行時間を表す第２の計時時間Ｔ２が０にリセットされる。
上述のとおり、上記実施形態では、Ｎｉを添加したＮＯｘ触媒を還元雰囲気中において硫黄分の酸化生成物を迅速に還元除去し、また、この還元除去の際にＮＯｘ触媒温度を上昇させて還元反応を促進させている。また、ＮＯｘリフレッシュ運転とＳＯｘリフレッシュ運転とを異なるリッチ空燃比かつ異なる周期で実施して、両リフレッシュ運転に使用される燃料量を極力低減させている。
【００５７】
本発明は上記の実施形態に限定されず、種々に変形可能である。
例えば、上記実施形態では、本発明を筒内噴射式４気筒エンジンに適用した場合について説明したが、４気筒以外のエンジンや筒内噴射式エンジン以外のたとえばリーンバーンエンジンにも適用可能である。
また、上記の実施形態では、点火時期のリタードによる排気昇温によりＮＯｘ触媒を昇温させるようにしたが、触媒加熱ヒータ、二次空気供給などのその他のＮＯｘ触媒昇温手段を使用可能である。筒内噴射式エンジンでは、点火時期のリタードに代えて、エンジンの各気筒の１サイクル中に複数回にわたって燃料噴射を行うことによって排気昇温ひいてはＮＯｘ触媒の昇温を実現可能である。この場合、ＥＣＵ２３は、複数回の燃料噴射を行う上での燃料噴射制御手段として機能する。また、この様な複数回の燃料噴射を点火時期リタードと共に実施しても良い。
【００５８】
上記の複数回の燃料噴射は、例えば、特開平８−１００６３８号公報に開示されているように、通常の１回目の燃料噴射及び点火による主燃焼の膨張行程初期から中期において２回目の追加燃料噴射を行なうもので良い。この場合、２回目の追加燃料噴射による燃料は主燃焼の火炎伝幡により着火され、これにより、排気ガス温度が上昇する。
【００５９】
上記実施形態では、ＳＯｘリフレッシュ運転終了後、エンジン運転状態に応じた燃料噴射制御へ直ちに切り換えるようにしたが、ＳＯｘリフレッシュ運転を実施した直後はＮＯｘ触媒温度が比較的高めになり、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能力が低下することがある。この様な浄化能力低下を補うべく、ＳＯｘリフレッシュ運転終了直後に、理論空燃比でのエンジン運転を実施するようにしても良い。この場合、三元触媒９ａの浄化能力が最大限に発揮され、これにより、ＳＯｘリフレッシュ運転終了直後でのＮＯｘ触媒の浄化能力の低下を補うことができる。
【００６０】
上記実施形態では、ＮＯｘおよびＳＯｘリフレッシュ運転開始条件として、固定の第１及び第２の所定時間Ｔ１ref、Ｔ２refを用いたが、マップを参照するなどして、時間Ｔ１ref及びＴ２refを可変設定可能である。例えば、ＮＯｘ触媒９ｂはその使用時間が長くなると劣化が進むため、リフレッシュ運転の実施周期Ｔ1refおよびＴ2refを触媒使用時間に応じて可変設定するのが効果的である。或いは、車両走行距離、車両走行時間、燃料消費量の積算値、吸入空気量の積算値などの各種条件に応じてリフレッシュ運転を開始するようにしても良い。ＮＯｘおよびＳＯｘリフレッシュ運転時間ｔｎrefおよびｔｓrefについても同様である。
【００６１】
なお、上記実施形態においては、Ｎｉを触媒に添加しているが、Ｎｉの酸化物を添加しても良い。この理由は、リーン雰囲気において触媒が活性温度に達するとＮｉはＯ2によって触媒上にＮｉＯとして存在するため、予めＮｉの酸化物を添加しても良いのである。
【００６２】
【発明の効果】
請求項１に記載した本発明の排気浄化装置は、内燃機関の排気管内に配された三元触媒と、前記排気管内において前記三元触媒の下流に配されると共に酸化雰囲気で排気ガス中のＮＯｘ及びＳＯｘを吸蔵し且つ還元雰囲気で吸蔵したＮＯｘ及びＳＯｘを脱離するＮＯｘ吸蔵還元触媒と、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に付着したＳＯｘを脱離すべく前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度を上昇させると共に前記排気管内を還元雰囲気とするＳＯｘリフレッシュ制御手段とを備え、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒にＮｉ又はＮｉの酸化物を添加し、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒上において、前記ＳＯｘリフレッシュ制御手段の作動中に生成されるＨ2ＳとＮｉ又はＮｉの酸化物とを反応させることによりＮｉＳを生成させ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の浄化能力を低下させる硫黄酸化生成物の還元を促進するようにしたので、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の浄化能力低下をさせる硫黄の酸化生成物を比較的短時間内に除去でき、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の浄化能力を速やかに回復させることができる。
【００６３】
請求項２に記載の排気浄化装置は、ＳＯｘリフレッシュ制御手段が、内燃機関から排気管へ排出される排ガスを昇温させる排気昇温手段を含むので、触媒加熱ヒータなどを用いることなしに、ＮＯｘ触媒を昇温させることができる。
【００６４】
請求項３に記載の排気浄化装置は、排気昇温手段が、内燃機関の点火時期をリタードさせる点火時期調整手段からなるので、内燃機関の点火時期をリタードさせることにより、排ガスひいてはＮＯｘ触媒を昇温させることができ、ＮＯｘ触媒の再生が容易になる。
請求項４に記載の排気浄化装置は、燃焼室に燃料を直接に噴射する筒内噴射式内燃機関に装備されるものであり、排気昇温手段を、内燃機関の各気筒に対する燃料噴射を各該気筒の１サイクル中に複数回にわたって行わせる燃料噴射制御手段により構成したので、内燃機関の各気筒に対して１サイクル中に複数回にわたって燃料を好適なタイミングで噴射することにより、排ガスひいてはＮＯｘ触媒を昇温させることができる。
【００６５】
請求項５に記載の排気浄化装置は、ＳＯｘリフレッシュ制御手段が、内燃機関の空燃比をリッチ空燃比域に入るように制御する空燃比制御手段を含むので、内燃機関をリッチ燃焼運転させてＮＯｘ触媒の回りに還元雰囲気を適宜に形成することができ、ＮＯｘ触媒の浄化能力を確実に再生できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による排気浄化装置を備えた希薄燃焼内燃機関の概略構成図である。
【図２】図１の電子制御ユニット（ＥＣＵ）が実行するリフレッシュ制御ルーチンのフローチャートである。
【図３】図２のリフレッシュ制御ルーチンで実行されるＮＯｘリフレッシュ運転サブルーチンのフローチャートである。
【図４】図２のリフレッシュ制御ルーチンで実行されるＳＯｘリフレッシュ運転サブルーチンのフローチャートである。
【図５】ＮＯｘリフレッシュ運転およびＳＯｘリフレッシュ運転のそれぞれの実施時間および実施周期を示す図である。
【図６】Ｎｉを添加したＮＯｘ吸蔵還元触媒上で還元雰囲気中で生起する反応の一部を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１ エンジン
３ｂ 排気パイプ
８ 燃料噴射弁
９ 触媒コンバータ
９ａ 三元触媒
９ｂ ＮＯｘ吸蔵還元触媒
２３ 電子制御ユニット
３５ 点火プラグ
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気浄化装置に関し、特に、浄化能力を速やかに復活できるＮＯｘ吸蔵還元触媒を具備して、希薄燃焼式あるいは筒内噴射式の内燃機関に用いるのに好適な排気浄化装置に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
理論空燃比近傍の領域での内燃機関の運転中に良好な浄化作用を奏する三元触媒とリーン空燃比域での運転中にＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するリーンＮＯｘ触媒とを備えた排気浄化装置が知られている。この種の排気浄化装置において三元触媒を内燃機関の排気管内の上流側に配設することにより、三元触媒を速やかに活性化でき、内燃機関の、特に始動直後での排ガス特性を向上できる。この様な装置構成の場合、排ガス中の炭化水素や一酸化炭素は、三元触媒での排ガス浄化の際に消費されるので、三元触媒の下流に設けたＮＯｘ触媒に排ガスが到達した際には排ガス中の炭化水素や一酸化炭素の濃度は低くなっている。従って、ＮＯｘ触媒を三元触媒の下流に設けた排気浄化装置にあっては、ＮＯｘを炭化水素などと反応させてＮＯｘを除去する選択還元触媒を用いる余地は乏しく、一般には、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が使用される。このＮＯｘ吸蔵還元触媒は、酸化雰囲気において排ガス中のＮＯｘをその酸化生成物の形で吸着させるＮＯｘ吸蔵剤を有し、これに吸着したＮＯｘ酸化生成物を還元雰囲気中で還元させてＮＯｘ吸蔵剤を再生しつつＮＯｘを無害な窒素ガスに分解するようにしている。しかし、この種のＮＯｘ触媒を用いた場合にも、触媒へのＮＯｘ吸着量が飽和量に達するとＮＯｘが触媒に吸着されずに大気中へ排出されてしまう。
【０００３】
そこで、ＷＯ９３／０７３６３号公報等による提案では、飽和Ｎｏｘ吸着量に達する前に内燃機関の運転域をリーン空燃比域からリッチ空燃比域に切換えて触媒の回りに還元雰囲気を形成し、この還元雰囲気中でＮＯｘの酸化生成物を還元するようにしている。
しかしながら、ＮＯｘ触媒にはＮＯｘの酸化生成物が付着するばかりではなく、燃料中に含まれる硫黄分の酸化生成物などが付着する。そして、これらの付着物質は、触媒へのＮＯｘの付着を阻害して、触媒のＮＯｘ浄化能力を低減させる。しかも、触媒に付着した硫黄の酸化生成物を還元除去することは特に困難である。
【０００４】
そこで、ＮＯｘ触媒を高温下においた状態で内燃機関をリッチ空燃比域で運転することにより硫黄の酸化生成物を還元除去し、ＮＯｘ触媒の浄化能力を再生させる技術が特開平６−８８５１８号公報等に開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、硫黄の酸化生成物を還元除去するには空燃比を相当にリッチ化させる必要があり、この触媒再生プロセスが行われている間、燃費や排ガス特性が悪化する。また、内燃機関の通常運転域から再生プロセス運転域への移行時および該プロセス運転域からの離脱時に空燃比が変化して出力トルクが変化する。しかも、上記の再生プロセスによる硫黄の酸化生成物の還元除去には相当に長い時間を要し、この間、再生プロセスの実行に伴う上記の不都合が生じる。
【０００６】
本発明は、ＮＯｘ触媒に付着した硫黄の酸化生成物の還元を促進して、ＮＯｘ触媒の浄化能力を比較的短時間で復活できるようにした排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載した本発明の排気浄化装置は、内燃機関の排気管内に配された三元触媒と、前記排気管内において前記三元触媒の下流に配されると共に酸化雰囲気で排気ガス中のＮＯｘ及びＳＯｘを吸蔵し且つ還元雰囲気で吸蔵したＮＯｘ及びＳＯｘを脱離するＮＯｘ吸蔵還元触媒と、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に付着したＳＯｘを脱離すべく前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度を上昇させると共に前記排気管内を還元雰囲気とするＳＯｘリフレッシュ制御手段とを備え、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒にＮｉ又はＮｉの酸化物を添加し、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒上において、前記ＳＯｘリフレッシュ制御手段の作動中に生成されるＨ2ＳとＮｉ又はＮｉの酸化物とを反応させることによりＮｉＳを生成させ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の浄化能力を低下させる硫黄酸化生成物の還元を促進することを特徴とする。
【０００８】
上記の排気浄化装置によれば、排気管内が酸化雰囲気になると、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の表面に例えば金属酸化物の形で存在するＮＯｘ吸蔵剤（触媒種）が、排ガス中のＮＯｘと反応してＮＯｘの酸化生成物を生成する。また、上記のＮＯｘ吸蔵剤は、燃料中の硫黄分の燃焼により発生したＳＯ2から生成されたＳＯ3と反応して、硫黄（ＳＯｘ）の酸化生成物を生成する。この様にして生成されたＮＯｘの酸化生成物および硫黄の酸化生成物は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に付着してその浄化能力を低下させる。
【０００９】
そこで、ＳＯｘリフレッシュ制御手段は、ＮＯｘ触媒に付着したＳＯｘを脱離させるべくＮＯｘ触媒温度を上昇させると共に排気管内を還元雰囲気にする。
排気管内が還元雰囲気になると、三元触媒およびＮＯｘ触媒では、排ガス中のＳＯ2が還元されて硫化水素が生成される。この硫化水素は、Ｎｉ又はＮｉの酸化物を添加したＮＯｘ触媒上に存在するニッケル酸化物と反応して硫化ニッケルを生成する。また、ＮＯｘの酸化生成物および硫黄の酸化生成物を還元する反応が生じる。
【００１０】
注目すべきは、硫化ニッケルを生成するＮＯｘ触媒での上記の還元反応が進むにつれて、硫化水素が消費されることである。そして、この様に消費される硫化水素を補うため、ＮＯｘ触媒では、ＳＯ2から硫化水素を生成させる上述の還元反応が促進されてＳＯ2が消費される。このＳＯ2の消費を補うために、ＮＯｘ触媒での、硫黄の酸化生成物を還元する反応が促進される。即ち、Ｎｉを添加したＮＯｘ吸蔵還元触媒を用いることにより、還元雰囲気では、硫黄の酸化生成物をＮＯｘ吸蔵剤に転化する反応が速やかに進行するような平衡状態が形成される。この結果、ＮＯｘ触媒の浄化能力低下を招来する硫黄の酸化生成物が比較的短時間内に除去される。
【００１１】
また、ＳＯｘリフレッシュ手段によりＮＯｘ触媒が昇温されるので、硫黄の酸化生成物を還元する還元反応が促進される。
請求項２に記載の排気浄化装置は、ＳＯｘリフレッシュ制御手段が、内燃機関から排気管へ排出される排ガスを昇温させる排気昇温手段を含むことを特徴とする。
【００１２】
この排気浄化装置によれば、触媒加熱ヒータなどを用いることなしに、ＮＯｘ触媒を昇温させることができる。
請求項３に記載の排気浄化装置は、排気昇温手段が、内燃機関の点火時期をリタードさせる点火時期調整手段からなることを特徴とする。
この排気浄化装置によれば、内燃機関の点火時期をリタードさせることにより、排ガスひいてはＮＯｘ触媒を昇温させることができる。
【００１３】
請求項４に記載の排気浄化装置は、燃焼室に燃料を直接に噴射する筒内噴射式内燃機関に装備されるものであり、排気昇温手段を、内燃機関の各気筒に対する燃料噴射を各該気筒の１サイクル中に複数回にわたって行わせる燃料噴射制御手段により構成したことを特徴とする。
この排気浄化装置によれば、内燃機関の各気筒に対して１サイクル中に複数回にわたって燃料を好適なタイミングで噴射することにより、排ガスひいてはＮＯｘ触媒を昇温させることができる。
【００１４】
請求項５に記載の排気浄化装置は、ＳＯｘリフレッシュ制御手段が、内燃機関の空燃比をリッチ空燃比域に入るように制御する空燃比制御手段を含むことを特徴とする。
この排気浄化装置によれば、内燃機関をリッチ燃焼運転させることによりＮＯｘ触媒の回りに還元雰囲気を適宜に形成してＮＯｘ触媒の浄化能力の再生に必要な反応を生起させることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態による排気浄化装置を装備した筒内噴射式内燃機関を説明する。
図１において、参照符号１は、火花点火式筒内噴射型直列４気筒４サイクルガソリンエンジンを示す。このエンジン１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ３５と共に電磁式の燃料噴射弁８が取り付けられ、燃料噴射弁８から燃焼室１ａ内に燃料を直接に噴射するようになっている。シリンダ内に配されたピストン１ｂの頂面には半球状のキャビティ１ｃが形成され、ピストン１が上死点（ＴＤＣ）近傍にあるとき、燃料噴射弁８からの燃料噴霧がキャビティ１ｃ内に到達するようになっている。シリンダヘッドの上部には、エンジン１の吸排気弁４，５をそれぞれ駆動する吸気側および排気側カムシャフトが回転自在に保持されている。
【００１６】
シリンダヘッドには吸気ポート２ａが略直立に形成され、この吸気ポート２ａを通過した吸気流により、燃焼室１ａ内で所謂逆タンブル流を発生可能なようにしている。排気ポート３ａは略水平方向に形成され、この排気ポートから大径のＥＧＲポート（図示せず）が斜めに分岐している。
図１中、符号１９は冷却水温を検出する水温センサ、２１は、各気筒の所定のクランク位置（例えば５°BTDCおよび７５°BTDC）でクランク角信号を出力するクランク角センサ、３４は、点火プラグ３５に高電圧を出力する点火コイルをそれぞれ示す。カムシャフトには、気筒判別信号を出力する気筒判別センサ（図示せず）が配設され、このセンサからの信号によってクランク角信号に対応する気筒を判別するようにしている。
【００１７】
サージタンク２ｂを有する吸気マニホールド２を介して吸気ポート２ａに接続された吸気管６は、エアクリーナ６ａと、スロットルボディ６ｂと、ステッパモータ式のアイドルスピードコントロールバルブ（アイドル調整弁）１６とを備えている。吸気管６には、スロットルボディ６ｂを迂回して吸気マニホールド２に吸入空気を導入する大径のエアバイパスパイプ５０ａが併設され、パイプ５０ａにはリニアソレノイド式で大型のエアバイパスバルブ（ＡＢＶ）５０が設けられている。エアバイパスパイプ５０ａは、吸気管６に準ずる流路面積を有しており、ＡＢＶ５０を全開させた状態では、エンジン低中速域で要求される量の吸入空気をパイプ５０ａを介してエンジン１に供給可能である。アイドル調整弁１６は、ＡＢＶ５０よりも小さい流路面積を有し、この調整弁１６を用いて吸入空気量を精度よく調整可能である。
【００１８】
スロットルボディ６ｂには、スロットル弁７と、スロットル開度を検出するスロットルセンサ１４と、スロットル弁全閉状態を検出するアイドルスイッチ１５とが設けられている。また、エアクリーナ６ａの内部には、吸気密度を求めるための吸気温センサ１２と大気圧センサ１３とが配設され、大気圧および吸気温度をそれぞれ表す出力信号が両センサから出力される。また、吸気管６の入口近傍に配設されたカルマン渦式のエアフローセンサ１１は、一吸気行程当たりの体積空気流量に比例した渦発生信号を出力する。
【００１９】
前述のＥＧＲポートは、大径のＥＧＲパイプ１０ｂを介して、スロットル弁７の下流かつ吸気マニホールド２の上流に接続されている。ＥＧＲパイプ１０ｂにはステッパモータ式のＥＧＲ弁１０ａが配設され、要素１０ｂと共にＥＧＲ装置１０を構成している。
参照符号１７は、排気マニホールド３に取り付けられ排ガス中の酸素濃度を検出するＯ2センサを示し、符号９は、排気パイプ３ｂに設けた排気浄化用の触媒コンバータ（排気浄化装置）を示す。
【００２０】
この触媒コンバータ９は、排気パイプ３ｂ内に配された三元触媒９ａと、排気パイプ３ｂ内において三元触媒９ａの下流に配されたリーンＮＯｘ触媒９ｂとを有している。エンジン１の燃焼室１ａから排気パイプ３ｂへ排出される排ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘの３つの有害成分は、理論空燃比近傍領域でのエンジン運転中、三元触媒９ａにより充分に浄化される。リーンＮＯｘ触媒９ｂは、エンジン１のリーン燃焼運転中、三元触媒９ａによっては充分に浄化できない排ガス中のＮＯｘを浄化する機能を有する。従って、このＮＯｘ触媒９ｂと三元触媒９ａとを含む触媒コンバータ９は、燃費向上などを企図してリーン空燃比域で運転されることが多い筒内噴射式エンジン１や希薄燃焼式エンジンに好適である。また、三元触媒９ａは、排気パイプ３ｂ内の上流側に配することにより早期に活性化可能であり、エンジン１の始動時の排気浄化能力に富む。
【００２１】
リーンＮＯｘ触媒９ｂはＮＯｘ吸蔵還元触媒からなる。このＮＯｘ吸蔵還元触媒９ｂは、例えば、Ａｌ2Ｏ3（アルミナ）などからなる担持層と、この担持層に担持された種々の触媒種とを有している。本実施形態のＮＯｘ触媒９ｂには、アルカリ金属、アルカリ土類、アルカリ希土類などの触媒種、例えば、Ｐt（白金）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｋ（カリウム）、Ｌａ（ランタン）、Ｃｅ（セリウム）等の触媒種が用いられる。このＮＯｘ触媒９ｂは、Ｎｉ（ニッケル）が触媒種として添加されていることに特徴がある。本実施形態では、Ｎｉ微粒子がアルミナ担持層の表面または表層部に分散され保持されている。Ｎｉ微粒子の担持方法としては、他の触媒種内にＮｉを添加して液化させ、その触媒溶液中に担体を浸漬させ、これにより担体表面に触媒層を形成するようにしている。上記の触媒種は、作用時に、金属酸化物の形態をとり得る。例えば、Ｂａは、ＢａＣＯ3の形態をとってＮＯｘ吸蔵剤として機能する。
【００２２】
以下、上記構成の触媒コンバータ９の排ガス浄化機構を説明する。
エンジン１がリーン空燃比域（後述の圧縮行程噴射リーン域、吸気行程リーン域に対応）で運転されて、排気パイプ３ｂ内が酸化雰囲気になると、三元触媒９ａ上では、下記の反応（１）〜（４）が生じるものと考えられる。
ＳＯ2＋１／２Ｏ2 → ＳＯ3 …（１）
３ＳＯ3＋２ＣｅＯ2 → Ｃｅ2(ＳＯ4)３＋１／２Ｏ2 …（２）
２ＨＣ＋５／２Ｏ2 → Ｈ2Ｏ＋２ＣＯ2 …（３）
ＣＯ＋１／２Ｏ2 → ＣＯ2 …（４）
一方、ＮＯｘ触媒９ｂ上では、下記の反応（５）〜（７）が生じるものと解される。
【００２３】
ＳＯ3＋ＢａＣＯ3 → ＢａＳＯ4＋ＣＯ2 …（５）
ＮＯ＋ＢａＣＯ3＋３／２Ｏ2 → Ｂａ(ＮＯ3)2＋ＣＯ2 …（６）
ＮｉＳ＋３／２Ｏ2 → ＮｉＯ＋ＳＯ2 …（７）
上記の反応式に示すように、燃料に含まれていた硫黄分の殆どは燃焼室内で燃焼してＳＯ2の形で排気パイプ３ｂ内へ排出され、三元触媒９ａ上で排ガス中の酸素と反応してＳＯ3になる。このＳＯ3は三元触媒９ａ上のＣｅＯ2と反応してＣｅ2(ＳＯ4)３を生成する。すなわち、ＳＯ3は、Ｃｅ2(ＳＯ4)３の形態で捕捉される。三元触媒により捕捉されなかったＳＯ3は、ＮＯｘ触媒９ｂへ流入してＮＯｘ触媒９ｂ上のＮＯｘ吸蔵剤であるＢａＣＯ3と反応して、硫黄分の酸化生成物である硫酸塩Ｘ−ＳＯ4としてのＢａＳＯ4を生成する。このＢａＳＯ4はＮＯｘ触媒９ｂの表面に付着してＮＯｘ触媒の浄化力を低下させる。
【００２４】
また、排ガス中のＮＯとＢａＣＯ3との反応により、ＮＯｘの酸化生成物である硝酸塩Ｘ−ＮＯｘとしてのＢａ(ＮＯ3)2が生成される。この結果、排ガス中のＮＯｘがＮＯｘ吸蔵剤に吸蔵される。但し、ＳＯ3の存在下では、ＢａＳＯ4を生成する上記の反応（５）が、ＮＯｘ吸蔵のための反応（６）に優先して行われる。Ｂａ(ＮＯ3)2は触媒表面に付着してＮＯｘ触媒の浄化力を低下させる。
【００２５】
式（７）中のＮｉＳは、後述の、還元雰囲気におけるＮＯｘ触媒９ｂ上でのＮｉＯを還元する反応によって生成されるものである。このＮｉＳは排ガス中の余剰酸素と反応してＮｉＯを生成する。ＮｉＯはＮＯｘ触媒の表面に留まる。上記の反応の結果として生じたＣＯ2やＳＯ2は大気中へ排出される。
リッチ空燃比域（後述のオープンループ域およびリフレッシュ運転に対応）でのエンジン運転により排気パイプ３ｂ内が還元雰囲気になると、三元触媒９ａ上では下記の反応（１１）〜（１３）が生じると考えられる。
【００２６】
ＳＯ2＋３Ｈ2 → Ｈ2Ｓ＋２Ｈ2Ｏ …（１１）
Ｃｅ2(ＳＯ4)3＋１１Ｈ2 → ３Ｈ2Ｓ＋２ＣｅＯ2＋８Ｈ2Ｏ…（１２）
ＮＯ＋ＣＯ → １／２Ｎ2＋ＣＯ2 …（１３）
一方、ＮＯｘ触媒９ｂ上では下記の反応（１４）〜（１８）が生じると考えられる。
【００２７】
ＢａＳＯ4＋ＣＯ → ＢａＣＯ3＋ＳＯ2 …（１４）
ＳＯ2＋３Ｈ2 → Ｈ2Ｓ＋２Ｈ2Ｏ …（１５）
ＮｉＯ＋Ｈ2Ｓ → ＮｉＳ＋Ｈ2Ｏ …（１６）
Ｂａ(ＮＯ3)2＋ＣＯ → ＢａＣＯ3＋２ＮＯ＋Ｏ2 …（１７）
ＮＯ＋ＣＯ → １／２Ｎ2＋ＣＯ2 …（１８）
すなわち、還元雰囲気において、三元触媒およびＮＯｘ触媒では、排ガス中のＳＯ2が還元されてＨ2Ｓが生成される。このＨ2Ｓは、ＮＯｘ触媒上でＮｉＯと反応してＮｉＳを生成する。ＮｉＳはＮＯｘ触媒表面に留まるので、臭気を有するＨ2Ｓの大気中への放出が抑制される。
【００２８】
また、式（１４）に示すように、硫黄分の硫酸塩であるＢａＳＯ4は排ガス中のＣＯと反応してＢａＣＯ3（ＮＯｘ吸蔵剤）へ還元される。この還元反応に伴ってＳＯ2が発生する。
上記反応式（１４）に示す還元反応は、一般にはＮＯｘ触媒を高温下においた場合にも進行しにくい。すなわち、ＮＯｘ触媒表面に付着したＢａＳＯ4を短時間内に還元除去することは困難である。従来のＮＯｘ吸蔵還元触媒にあっては、Ｈ2Ｓの存在が、式（１４）に示す硫黄の酸化生成物のＮＯｘ吸収剤への転化を阻むように作用するからである。
【００２９】
本実施形態では、ＮＯｘ触媒９ｂにＮｉを触媒種として添加することにより、反応式（１４）の還元反応を促進して、ＢａＳＯ4を比較的短時間内に除去するようにしている（図６を参照）。
詳しくは、式（１６）で示すＮｉＯをＮｉＳへ還元する反応がＮＯｘ触媒上で進むにつれて、Ｈ2Ｓが消費される。この様に、ＮＯｘ触媒９ｂに添加されたＮｉは、ＮｉＯの形態をとって、硫黄の酸化生成物のＮＯｘ吸収剤への転化を阻むＨ2Ｓを除去する機能を奏する。換言すれば、ＮｉＯは、Ｈ2Ｓの形で現れる硫黄分を吸収するいわば硫黄吸収剤として機能する。
【００３０】
ＮｉＯのＮｉＳへの転化に伴って消費されるＨ2Ｓを補うため、ＮＯｘ触媒では、式（１５）で示すＳＯ2をＨ2Ｓへ還元する反応が促進されて、ＳＯ2が消費される。このＳＯ2の消費を補うために、式（１４）に示すＮＯｘ触媒でのＢａＳＯ4をＢａＣＯ3に還元する反応が促進される。この結果、ＮＯｘ触媒の浄化能力の低下を招来するＢａＳＯ4が比較的短時間内に除去されてＮＯｘ触媒の浄化能力が回復する。
【００３１】
後述のように、本実施形態では、エンジン１の点火時期をリタードさせて排ガスひいてはＮＯｘ触媒を昇温させた状態で、リッチ空燃比域でのエンジン運転を行い、ＢａＳＯ4を除去する式（１４）の還元反応を促進させるようにしている。
なお、三元触媒とその下流に配されたＮＯｘ吸蔵還元触媒とを組み合わせ使用する排気浄化装置において、三元触媒にＮｉを添加することは、ＮＯｘ触媒が硫黄被毒されるので不都合である。すなわち、Ｎｉを添加した三元触媒で上記式（１６）の反応の結果としてＮｉＳが生成されると、酸化雰囲気でＮｉＳが酸化されて式（７）に示すようにＮｉＯおよびＳＯ2を生成し、ＳＯ2が酸化されてＳＯ3になる。このＳＯ3がＮＯｘ触媒へ達すると、上記式（５）に示すＮＯｘ吸蔵剤のＳＯ3被毒が生じる。
【００３２】
以下、エンジン１およびその周辺要素を更に説明する。
図示を省略するが、車体後部に設置された燃料タンク内に貯留された燃料は、電動式の低圧燃料ポンプで吸い上げられ、低圧フィードパイプを介してエンジン１側に送給され、更に、シリンダヘッドに取り付けられた高圧燃料ポンプにより、高圧フィードパイプとデリバリパイプとを介して各燃料噴射弁８に送給される。
【００３３】
車室内には電子制御ユニット（ＥＣＵ）２３が設置されており、このＥＣＵ２３は、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ，不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備え、エンジン１の総合的な制御を行うようになっている。
ＥＣＵ２３の入力側には、作動時にエンジン１の負荷となるエアコン装置、パワーステアリング装置、自動変速装置等の作動状況を検出するスイッチ類等がそれぞれ接続されている。
【００３４】
ＥＣＵ２３は、上記の各種センサ類及びスイッチ類からの入力信号に基づき、後述の燃料噴射モード、燃料噴射量（空燃比）、燃料噴射終了時期、点火時期、ＥＧＲガス導入量などを決定し、燃料噴射弁８、点火コイル３４、ＥＧＲ弁１０ａ等を駆動制御する。
先に述べたように、ＮＯｘ触媒９ｂの浄化能力の低下要因となる硫黄の硫酸塩（ＢａＳＯ4）の還元除去を促進して浄化能力を速やかに再生させるため、本実施形態では、エンジン１の点火時期をリタードさせて排ガスひいてはＮＯｘ触媒を昇温させた状態で、リッチ空燃比域でのエンジン運転を行うようにしている。換言すれば、本実施形態の排気浄化装置は、点火時期をリタードさせる点火時期調整手段と、空燃比をリッチ空燃比に入るように制御する空燃比制御手段とを排気昇温手段として具備している。そして、これら手段の点火時期リタード機能および空燃比制御機能は、後述の如く、リフレッシュ制御手段としてのＥＣＵ２３により実現される。
【００３５】
上記のように構成されたエンジン１の運転は、通常、ＥＣＵ２３により以下のように制御される。
冷機状態でのエンジン始動時および暖機中は、吸気行程噴射モードが選択されて、比較的リッチな空燃比となるように燃料噴射が行われる。また、ＡＢＶ５０は閉鎖され、吸入空気はスロットル弁７の隙間やアイドル調整弁１６から燃焼室１ａへ供給される。また、アイドル回転数制御のため、エアコン等の補機類によるエンジン負荷の増減に応じてアイドル調整弁１６（必要に応じてＡＢＶ５０）が調整される。そして、Ｏ2センサ１７が活性温度に達すると、Ｏ2センサ１７の出力電圧に基づく空燃比フィードバック制御が開始され、有害排出ガス成分は触媒コンバータ９の三元触媒９ａにより浄化される。
【００３６】
エンジン１の暖機が終了すると、スロットル開度θth等から得た目標平均有効圧とエンジン回転速度とに基づき、図示しないマップから現在の燃料噴射制御領域（エンジン運転域）が検索され、検索された領域に適合する燃料噴射モードと燃料噴射量とが決定されて燃料噴射弁８が駆動される。また、ＡＢＶ５０やＥＧＲ弁４５の開弁制御が行われる。
【００３７】
詳しくは、アイドル運転時等の低負荷・低回転運転時には、エンジン運転が圧縮行程噴射リーン域で行われていると判別されて、圧縮行程噴射モードが選択されると共にＡＢＶ５０及びＥＧＲ弁１０ａがエンジン運転状態に応じて開弁され、リーン空燃比（２０〜４０程度）となるように燃料噴射が制御される。
この場合、吸気ポート２ａから流入した吸気流によって燃焼室１ａ内に形成される逆タンブル流により燃料噴霧がピストン１ｂのキャビティ１ｃ内に保存され、点火時点において点火プラグ３５の周囲には理論空燃比近傍の混合気が形成される。この結果、全体として極めてリーンな空燃比でも着火が可能となり、ＣＯおよびＨＣ排出が抑制されると共に燃費が大幅に向上する。また、排ガスの還流によってＮＯｘ排出量も抑えられる。
【００３８】
エンジン中負荷域では、エンジン運転域が、吸気行程リーン域あるいは理論空燃比フィードバック制御域（Ｓ−Ｆ／Ｂ域）となるため、吸気行程噴射モードが選択される。吸気行程リーン域では、比較的リーンな空燃比（例えば、２０〜２３程度）となるようにＡＢＶ５０の開弁量と燃料噴射量とが制御される。Ｓ−Ｆ／Ｂ域では、ＡＢＶ５０とＥＧＲ弁１０ａとを開閉制御するとともに、Ｏ2センサ１７の出力電圧に応じて空燃比フィードバック制御が行われる。
【００３９】
また、エンジンの急加速運転時や高速運転時には、エンジン１がオープンループ域で運転されていることが判別されて、吸気行程噴射モードが選択されると共にＡＢＶ５０が閉鎖され、比較的リッチな空燃比となるように燃料噴射が制御される。
さらに、中高速走行中の惰行運転時等には、運転領域は燃料カット域となるため、燃料噴射は完全に停止される。
【００４０】
以下、図２ないし図４を参照して、ＥＣＵ２３により実行されるリフレッシュ制御について説明する。
このリフレッシュ制御は、排ガス中に含まれるＮＯｘおよびＳＯｘの酸化生成物である硝酸塩Ｘ−ＮＯ3および硫酸塩Ｘ−ＳＯ4（本実施形態ではＢａ(ＮＯ3)2及びＢａＳＯ4）を還元除去して、ＮＯｘ触媒９ｂの浄化能力を再生させることを企図している。後述のように、リフレッシュ制御では、ＮＯｘリフレッシュ運転とＳＯｘリフレッシュ運転とが必要に応じて実施される。
【００４１】
図示しない燃料噴射制御ルーチンにおいて上述のようにエンジン運転域に応じた燃料噴射制御が行われている間にリフレッシュ制御実行時期が到来すると、図２のリフレッシュ制御ルーチンの実行が開始される。
先ず、エンジン１がリーン空燃比域（圧縮行程噴射リーン域または吸気行程リーン域）で運転中であるか否かが判別される（ステップＳ１）。この判別結果が否定、即ち、リーン空燃比運転中でないと判別されると、このリフレッシュ制御ルーチンは一旦終了され、制御ルーチン実行周期Ｔｃが経過したときに本ルーチンがステップＳ１から再度実行される。
【００４２】
なお、リーン空燃比運転中は排気パイプ３ｂ内が酸化雰囲気になって、三元触媒９ａ上およびＮＯｘ触媒９ｂ上では上述の反応（１）〜（４）及び反応（５）〜（７）が生じ、ＢａＳＯ4およびＢａ(ＮＯ3)2がＮＯｘ触媒に徐々に付着して浄化能力を徐々に低下させる。
上記のステップＳ１においてリーン空燃比運転中であることが判別されると、前回のＮＯｘリフレッシュ運転の終了時点以降におけるリーン空燃比運転の合計実行時間を表す第１の計時時間Ｔ１に制御ルーチン実行周期Ｔｃが加算され、また、前回のＳＯｘリフレッシュ運転の終了時点以降におけるリーン空燃比運転の合計実行時間を表す第２の計時時間Ｔ２に制御ルーチン実行周期Ｔｃが加算される（ステップＳ２）。例えば、図示しないＴ１計時用及びＴ２計時用のタイマカウンタのカウント値のそれぞれが周期Ｔｃに対応する値１だけインクリメントされる。なお、時間Ｔ１、Ｔ２の初期値はゼロである。
【００４３】
次に、第１の所定時間Ｔ1refがＥＣＵ２３の記憶装置から読み出され、第１の計時時間Ｔ１が第１の所定時間Ｔ1refに達したか否かが判別される（ステップＳ３）。この判別結果が否定であれば、第２の所定時間Ｔ2refが記憶装置から読み出され、第２の計時時間Ｔ２が第２の所定時間Ｔ2refに達したか否かが判別される（ステップＳ４）。ステップＳ４での判別結果が否定であれば、本ルーチンを一旦終了する。
【００４４】
第１及び第２の所定時間Ｔ1ref、Ｔ2refは、当該時間にわたってリーン空燃比運転が連続的または間欠的に実施された場合にも、また、リーン空燃比運転中のエンジン運転状態が如何なるものであったとしても、Ｂａ(ＮＯ3)2及びＢａＳＯ4のＮＯｘ触媒９ｂへの付着量がそれぞれの許容量を超えないような時間に設定されている。
【００４５】
図５に示すように、第２の所定時間Ｔ2refは第１の所定時間Ｔ1refよりも長くなっている。排ガス中のＳＯｘ含有量はＮＯｘ含有量よりも少なく、リーン燃焼運転の実施に伴うＮＯｘ触媒へのＢａＳＯ4の付着の進行速度が、Ｂａ(ＮＯ3)2の付着の進行速度よりも遅いからである。
上記ステップＳ３での判別結果が肯定、すなわち、前回のＮＯｘリフレッシュ運転の終了時点から第１の所定時間Ｔ1refが経過したことが判別されると、Ｂａ(ＮＯ3)2の付着量が許容量を越えるおそれがあるので、Ｂａ(ＮＯ3)2を還元除去するべく、ＮＯｘリフレッシュ運転が実行される（ステップＳ５）。このＮＯｘリフレッシュ運転では、ＮＯｘ触媒９ｂからＢａ(ＮＯ3)2ひいてはＮＯｘを脱離させるのに適した空燃比で、エンジン１が、ＮＯｘ脱離に要する時間にわたって運転される。
【００４６】
詳しくは、図３に示すＮＯｘリフレッシュ運転サブルーチンにおいて、ＮＯｘ脱離に適した空燃比（例えば、理論空燃比近傍のリッチ空燃比である値１４の空燃比）を達成するための燃料噴射時間が図示しないマップを参照して決定される（ステップＳ５０１）。次に、ステップＳ５０１で決定されたＮＯｘ脱離用の燃料噴射時間にわたる燃料噴射を行うための燃料噴射開始時期および終了時期が決定され（ステップＳ５０２）、更に、点火時期が図示しないマップに基づいて決定される（ステップＳ５０３）。そして、ＮＯｘ脱離に要するエンジン運転時間であるＮＯｘリフレッシュ運転時間ｔｎrefが記憶装置から読み出され（ステップＳ５０４）、ＮＯｘリフレッシュ運転実行時間ｔｎを計時する図示しないタイマカウンタが起動される（ステップＳ５０５）。
【００４７】
次に、ＮＯｘ脱離のための燃料噴射制御の実施が許容される（ステップＳ５０６）。この結果、エンジン運転域に応じた燃料噴射制御からＮＯｘ脱離のための燃料噴射制御へ切り換えられる。従って、ステップＳ５０２で決定された燃料噴射開始時期に達すると、エンジン１の気筒の対応するものの燃料噴射弁８が開弁され、燃料噴射終了時期に達すると閉弁される。また、ステップＳ５０３で決定された点火時期に達すると点火プラグ３５が作動する。
【００４８】
ステップＳ５０７では、上記のタイマカウンタによる計時時間ｔｎがＮＯｘリフレッシュ運転時間ｔｎrefに達したか否かが判別される。この判別結果が否定であれば、ステップＳ５０７を再度実行する。従って、ステップＳ５０７での判別結果が否定である間は、燃料噴射開始時期に達する度に燃料噴射が開始され、また、点火時期に達する度に燃料噴霧への点火が行われる。この結果、エンジン１は、ＮＯｘ脱離に適した理論空燃比近傍のリッチ空燃比で運転され、これにより、ＮＯｘ触媒９ｂに付着したＢａ(ＮＯ3)2のＢａＣＯ3への転化が徐々に進行する（上述の反応式（１７）を参照）。すなわち、ＮＯｘの脱離が進行する。なお、ＮＯｘ触媒が還元雰囲気内におかれるので、上述の式（１４）に従ってＳＯｘの脱離も僅かに進行する。
【００４９】
ＮＯｘリフレッシュ運転が時間ｔｎrefにわたって実施されてステップＳ５０７での判別結果が肯定になると、ＮＯｘの脱離が充分に進行したと判断してＮＯｘ脱離用の燃料噴射の実施が禁止され（ステップＳ５０８）、エンジン運転域に応じた燃料噴射制御が再開される。そして、ステップＳ５０９では、ＮＯｘリフレッシュ運転実行時間ｔｎを計時するタイマがリセットされる。
【００５０】
以上のようにして、ＮＯｘリフレッシュ運転が終了すると、制御プログラムは、図２のリフレッシュ制御ルーチンのステップＳ６に進み、ＮＯｘリフレッシュ運転の終了時点以降におけるリーン空燃比運転の合計実行時間を表す第１の計時時間Ｔ１が０にリセットされる。
なお、ＮＯｘリフレッシュ運転中に加速要求などがあった場合に、ＮＯｘリフレッシュ運転を中止して、加速要求などに適合する燃料噴射制御を実施するようにしても良い。ＳＯｘリフレッシュ運転についても同様である。
【００５１】
図２のリフレッシュ制御ルーチンにおいて、ステップＳ４での判別結果が肯定、すなわち、前回のＳＯｘリフレッシュ運転の終了時点から第２の所定時間Ｔ2refが経過したことが判別されると、許容ＢａＳＯ4付着量を越えるおそれがあるので、ＢａＳＯ4を還元除去してＳＯｘを脱離させるＳＯｘリフレッシュ運転が実行される（ステップＳ７）。このＳＯｘリフレッシュ運転では、ＮＯｘ触媒９ｂからＢａＳＯ4ひいてはＳＯｘを脱離させるのに適した空燃比でのエンジン運転が、ＳＯｘの脱離に要する時間にわたって行われる。また、ＢａＳＯ4をＢａＣＯ3へ転化させる反応を促進させるため、ＮＯｘ触媒の昇温が行われる。本実施形態では、点火時期をリタードさせることにより排ガス温度を上昇させるようにしている。
【００５２】
詳しくは、図４に示すＳＯｘリフレッシュ運転サブルーチンにおいて、ＳＯｘ脱離に適したリッチ空燃比（例えば１１）を達成するための燃料噴射時間が図示しないマップを参照して決定される（ステップＳ７０１）。次に、ステップＳ７０１で決定されたＳＯｘ脱離用の燃料噴射時間にわたる燃料噴射を行うための燃料噴射開始時期および燃料噴射終了時期が決定される（ステップＳ７０２）。そして、点火時期θigが図示しないマップに基づいて仮に決定され（ステップＳ７０３）、排気昇温のための点火時期リタード量Δθigが図示しないマップから求められ（ステップＳ７０４）、次に、ステップＳ７０３で仮に決定した点火時期θigにリタード量Δθigを加算して、点火時期θigを最終的に決定する（ステップＳ７０５）。
【００５３】
次いで、ＳＯｘ脱離に要するエンジン運転時間であるＳＯｘリフレッシュ運転時間ｔｓrefが記憶装置から読み出され（ステップＳ７０６）、ＳＯｘリフレッシュ運転実行時間ｔｓを計時する図示しないタイマカウンタが起動される（ステップＳ７０７）。
次に、ＳＯｘ脱離のための燃料噴射制御の実施が許容される（ステップＳ７０８）。この結果、エンジン運転域に応じた燃料噴射制御からＳＯｘ脱離のための燃料噴射制御へ切り換えられる。
【００５４】
ステップＳ７０９では、タイマカウンタによる計時時間ｔｓがＳＯｘリフレッシュ運転時間ｔｓrefに達したか否かが判別される。この判別結果が否定であれば、ステップＳ７０９を再度実行する。従って、ステップＳ７０９での判別結果が否定である間は、燃料噴射開始時期に達する度に燃料噴射が開始され、燃料終了時期が到来すると燃料噴射が終了される。また、点火時期に達する度に燃料噴霧への点火が行われる。この結果、エンジン１は、ＳＯｘ脱離に適したリッチ空燃比で運転され、これにより、ＮＯｘ触媒９ｂに付着したＢａＳＯ4のＢａＣＯ3への転化が徐々に進行する（上述の式（１４）を参照）。すなわち、ＳＯｘの脱離が進行する。ＳＯｘリフレッシュ運転中、点火時期がリタードされるので排ガス温度が上昇する。これに伴ってＮＯｘ触媒温度が上昇し、ＢａＳＯ4をＢａＣＯ3へ転化させる式（１４）の反応が促進される。しかも、Ｎｉを添加したＮＯｘ触媒９ｂによれば、Ｈ2Ｓを消費する式（１６）の反応が生起するので、式（１４）の反応がさらに促進される。ＳＯｘリフレッシュ運転中はＮＯｘ触媒が還元雰囲気内におかれるので、ＮＯｘの脱離も進行する。
【００５５】
ＳＯｘリフレッシュ運転が時間ｔｓrefにわたって実施されてステップＳ７０９での判別結果が肯定になると、ＳＯｘの脱離が充分に進行したと判断してＳＯｘ脱離用の燃料噴射の実施が禁止され（ステップＳ７１０）、エンジン運転域に応じた燃料噴射制御が再開される。そして、ステップＳ７１１では、ＳＯｘリフレッシュ運転実行時間ｔｓを計時するタイマカウンタがリセットされる。
【００５６】
以上のようにして、ＳＯｘリフレッシュ運転が終了すると、制御プログラムは、図２のリフレッシュ制御ルーチンのステップＳ７に進み、ＳＯｘリフレッシュ運転の終了時点以降におけるリーン空燃比運転の合計実行時間を表す第２の計時時間Ｔ２が０にリセットされる。
上述のとおり、上記実施形態では、Ｎｉを添加したＮＯｘ触媒を還元雰囲気中において硫黄分の酸化生成物を迅速に還元除去し、また、この還元除去の際にＮＯｘ触媒温度を上昇させて還元反応を促進させている。また、ＮＯｘリフレッシュ運転とＳＯｘリフレッシュ運転とを異なるリッチ空燃比かつ異なる周期で実施して、両リフレッシュ運転に使用される燃料量を極力低減させている。
【００５７】
本発明は上記の実施形態に限定されず、種々に変形可能である。
例えば、上記実施形態では、本発明を筒内噴射式４気筒エンジンに適用した場合について説明したが、４気筒以外のエンジンや筒内噴射式エンジン以外のたとえばリーンバーンエンジンにも適用可能である。
また、上記の実施形態では、点火時期のリタードによる排気昇温によりＮＯｘ触媒を昇温させるようにしたが、触媒加熱ヒータ、二次空気供給などのその他のＮＯｘ触媒昇温手段を使用可能である。筒内噴射式エンジンでは、点火時期のリタードに代えて、エンジンの各気筒の１サイクル中に複数回にわたって燃料噴射を行うことによって排気昇温ひいてはＮＯｘ触媒の昇温を実現可能である。この場合、ＥＣＵ２３は、複数回の燃料噴射を行う上での燃料噴射制御手段として機能する。また、この様な複数回の燃料噴射を点火時期リタードと共に実施しても良い。
【００５８】
上記の複数回の燃料噴射は、例えば、特開平８−１００６３８号公報に開示されているように、通常の１回目の燃料噴射及び点火による主燃焼の膨張行程初期から中期において２回目の追加燃料噴射を行なうもので良い。この場合、２回目の追加燃料噴射による燃料は主燃焼の火炎伝幡により着火され、これにより、排気ガス温度が上昇する。
【００５９】
上記実施形態では、ＳＯｘリフレッシュ運転終了後、エンジン運転状態に応じた燃料噴射制御へ直ちに切り換えるようにしたが、ＳＯｘリフレッシュ運転を実施した直後はＮＯｘ触媒温度が比較的高めになり、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能力が低下することがある。この様な浄化能力低下を補うべく、ＳＯｘリフレッシュ運転終了直後に、理論空燃比でのエンジン運転を実施するようにしても良い。この場合、三元触媒９ａの浄化能力が最大限に発揮され、これにより、ＳＯｘリフレッシュ運転終了直後でのＮＯｘ触媒の浄化能力の低下を補うことができる。
【００６０】
上記実施形態では、ＮＯｘおよびＳＯｘリフレッシュ運転開始条件として、固定の第１及び第２の所定時間Ｔ１ref、Ｔ２refを用いたが、マップを参照するなどして、時間Ｔ１ref及びＴ２refを可変設定可能である。例えば、ＮＯｘ触媒９ｂはその使用時間が長くなると劣化が進むため、リフレッシュ運転の実施周期Ｔ1refおよびＴ2refを触媒使用時間に応じて可変設定するのが効果的である。或いは、車両走行距離、車両走行時間、燃料消費量の積算値、吸入空気量の積算値などの各種条件に応じてリフレッシュ運転を開始するようにしても良い。ＮＯｘおよびＳＯｘリフレッシュ運転時間ｔｎrefおよびｔｓrefについても同様である。
【００６１】
なお、上記実施形態においては、Ｎｉを触媒に添加しているが、Ｎｉの酸化物を添加しても良い。この理由は、リーン雰囲気において触媒が活性温度に達するとＮｉはＯ2によって触媒上にＮｉＯとして存在するため、予めＮｉの酸化物を添加しても良いのである。
【００６２】
【発明の効果】
請求項１に記載した本発明の排気浄化装置は、内燃機関の排気管内に配された三元触媒と、前記排気管内において前記三元触媒の下流に配されると共に酸化雰囲気で排気ガス中のＮＯｘ及びＳＯｘを吸蔵し且つ還元雰囲気で吸蔵したＮＯｘ及びＳＯｘを脱離するＮＯｘ吸蔵還元触媒と、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に付着したＳＯｘを脱離すべく前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度を上昇させると共に前記排気管内を還元雰囲気とするＳＯｘリフレッシュ制御手段とを備え、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒にＮｉ又はＮｉの酸化物を添加し、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒上において、前記ＳＯｘリフレッシュ制御手段の作動中に生成されるＨ2ＳとＮｉ又はＮｉの酸化物とを反応させることによりＮｉＳを生成させ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の浄化能力を低下させる硫黄酸化生成物の還元を促進するようにしたので、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の浄化能力低下をさせる硫黄の酸化生成物を比較的短時間内に除去でき、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の浄化能力を速やかに回復させることができる。
【００６３】
請求項２に記載の排気浄化装置は、ＳＯｘリフレッシュ制御手段が、内燃機関から排気管へ排出される排ガスを昇温させる排気昇温手段を含むので、触媒加熱ヒータなどを用いることなしに、ＮＯｘ触媒を昇温させることができる。
【００６４】
請求項３に記載の排気浄化装置は、排気昇温手段が、内燃機関の点火時期をリタードさせる点火時期調整手段からなるので、内燃機関の点火時期をリタードさせることにより、排ガスひいてはＮＯｘ触媒を昇温させることができ、ＮＯｘ触媒の再生が容易になる。
請求項４に記載の排気浄化装置は、燃焼室に燃料を直接に噴射する筒内噴射式内燃機関に装備されるものであり、排気昇温手段を、内燃機関の各気筒に対する燃料噴射を各該気筒の１サイクル中に複数回にわたって行わせる燃料噴射制御手段により構成したので、内燃機関の各気筒に対して１サイクル中に複数回にわたって燃料を好適なタイミングで噴射することにより、排ガスひいてはＮＯｘ触媒を昇温させることができる。
【００６５】
請求項５に記載の排気浄化装置は、ＳＯｘリフレッシュ制御手段が、内燃機関の空燃比をリッチ空燃比域に入るように制御する空燃比制御手段を含むので、内燃機関をリッチ燃焼運転させてＮＯｘ触媒の回りに還元雰囲気を適宜に形成することができ、ＮＯｘ触媒の浄化能力を確実に再生できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による排気浄化装置を備えた希薄燃焼内燃機関の概略構成図である。
【図２】図１の電子制御ユニット（ＥＣＵ）が実行するリフレッシュ制御ルーチンのフローチャートである。
【図３】図２のリフレッシュ制御ルーチンで実行されるＮＯｘリフレッシュ運転サブルーチンのフローチャートである。
【図４】図２のリフレッシュ制御ルーチンで実行されるＳＯｘリフレッシュ運転サブルーチンのフローチャートである。
【図５】ＮＯｘリフレッシュ運転およびＳＯｘリフレッシュ運転のそれぞれの実施時間および実施周期を示す図である。
【図６】Ｎｉを添加したＮＯｘ吸蔵還元触媒上で還元雰囲気中で生起する反応の一部を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１ エンジン
３ｂ 排気パイプ
８ 燃料噴射弁
９ 触媒コンバータ
９ａ 三元触媒
９ｂ ＮＯｘ吸蔵還元触媒
２３ 電子制御ユニット
３５ 点火プラグ
Claims (5)
- 内燃機関の排気管内に配された三元触媒と、前記排気管内において前記三元触媒の下流に配されると共に酸化雰囲気で排気ガス中のＮＯｘ及びＳＯｘを吸蔵し且つ還元雰囲気で吸蔵したＮＯｘ及びＳＯｘを脱離するＮＯｘ吸蔵還元触媒と、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に付着したＳＯｘを離脱すべく前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度を上昇させると共に前記排気管内を還元雰囲気とするＳＯｘリフレッシュ制御手段とを備え、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒にＮｉ又はＮｉの酸化物を添加し、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒上において、前記ＳＯｘリフレッシュ制御手段の作動中に生成されるＨ2ＳとＮｉ又はＮｉの酸化物とを反応させることによりＮｉＳを生成させ、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の浄化能力を低下させる硫黄酸化生成物の還元を促進することを特徴とする排気浄化装置。
- 前記ＳＯｘリフレッシュ制御手段は、前記内燃機関から前記排気管へ排出される排気ガスを昇温させる排気昇温手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
- 前記排気昇温手段が、前記内燃機関の点火時期をリタードさせる点火時期調整手段からなることを特徴とする請求項２に記載の排気浄化装置。
- 前記内燃機関は、その燃焼室に燃料を直接に噴射する筒内噴射式内燃機関であり、前記排気昇温手段は、前記内燃機関の各気筒に対する燃料噴射を各該気筒の１サイクル中に複数回にわたって行わせる燃料噴射制御手段からなることを特徴とする請求項２に記載の排気浄化装置。
- 前記ＳＯｘリフレッシュ制御手段は、前記内燃機関の空燃比をリッチ空燃比域に入るように制御する空燃比制御手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
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