JP3777788B2 - 希薄燃焼内燃機関 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排ガス中の有害成分、特に、ＮＯX を浄化するために少なくとも２つの吸蔵型ＮＯX 触媒を排気通路内に直列にそなえた、希薄燃焼内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、排ガス中の酸素が過剰になる酸素過剰雰囲気でもＮＯX を浄化できるＮＯX 触媒が開発されており、希薄燃焼内燃機関においては、排気通路にこのＮＯX 触媒を設けることで希薄燃焼時のＮＯX を浄化するようにしている。
このＮＯX 触媒のひとつに、ＮＯX を触媒上に吸蔵させることにより排ガス中のＮＯX を浄化する吸蔵型ＮＯX 触媒（トラップ型ＮＯX 触媒）がある。この吸蔵型ＮＯX 触媒は、酸化雰囲気、即ち、酸素濃度過剰雰囲気では、排ガス中のＮＯを酸化させて硝酸塩を生成し、これによりＮＯX を吸蔵する一方、還元雰囲気、即ち、酸素濃度が低下した雰囲気では、ＮＯX 触媒に吸蔵した硝酸塩と排ガス中のＣＯとを反応させて炭酸塩を生成し、これによりＮＯX を放出，分解する機能を有する。
【０００３】
ところで、ＮＯX 触媒がＮＯX の吸蔵や放出の作用を行なうためには、ＮＯX 触媒の周囲が単に酸化雰囲気又は還元雰囲気となるだけでなく、さらに、ＮＯX 触媒の温度が所定の触媒反応温度領域であることが必要である。
しかしながら、触媒反応温度領域は、触媒に担持されている貴金属によって変化し、また、その温度領域は狭いものである。このため、始動直後における低排温時や機関の高負荷高回転運転時の高排温に対し、全ての温度領域で高い浄化効率を得ることは困難である。
【０００４】
そこで、例えば特許第２６６３８０７号の技術のように、排気通路に２つ以上のＮＯX 吸収剤（ＮＯX 触媒）を直列に設け、広い温度領域で高い浄化効率を得る方法が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料や潤滑油内には、イオウ成分（Ｓ成分）が含まれており、このため、排ガス中にもこのようなイオウ成分が含まれている。このうち、ＮＯX 触媒では、希薄燃焼運転時の酸素濃度過剰雰囲気でＮＯX を吸蔵するとともに、このようなイオウ成分の一部をＮＯX 触媒の吸蔵剤と反応させ硫酸塩として吸蔵する。
【０００６】
硫酸塩は塩としての安定度が高く、酸素濃度が低下した雰囲気とした場合でもその一部しか分解されないため、ＮＯX 触媒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、ＮＯX 触媒のＮＯX 吸蔵能力が時間とともに低下し、ＮＯX 触媒としての性能が劣化する。これを、Ｓ被毒という。
そこで、ＮＯX 触媒に吸着されたイオウ分（ＳＯX ）を放出してＮＯX 触媒のＮＯX 吸蔵能力を再び増加させる操作（これを「再生」という）が必要になる。
【０００７】
再生処理技術の一例として、例えば特開平７−２１７４７４号公報には、ＮＯX 吸収剤（ＮＯX 触媒）に許容量以上のイオウ分（ＳＯX ）が吸収されていると推定されたら、例えば点火時期を遅角させるなどしてＮＯX 吸収剤の温度を昇温させるとともに、ＮＯX 吸収剤に流入する排ガスの空燃比を一時的にリッチにして、所定の高温状態の還元雰囲気としてＮＯX 吸収剤からＳＯX を放出させる技術が開示されている。
【０００８】
しかしながら、排気通路の上流側と下流側とに直列に複数のＮＯX 触媒を装備したものに、このような制御を行なっても上流側触媒には有効であるが、下流側触媒は所定の温度領域まで高温にならないため、十分に再生処理を行なうことができない。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、少なくとも２つの吸蔵型ＮＯX 触媒を排気通路に直列に配置した排ガス浄化システムをそなえたものにおいて、ＮＯX 触媒から確実に被毒物質の放出を行なうことができるようにした、希薄燃焼内燃機関を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明の内燃機関の排ガス浄化装置は、希薄燃焼内燃機関において理論空燃比よりも高い空燃比で運転を行なうリーン燃焼が行なわれ排気通路内を酸化雰囲気となると、排気通路に直列に配置された少なくとも２つの吸蔵型ＮＯx 触媒が、排ガス中のＮＯx を吸蔵する。また、各吸蔵型ＮＯx 触媒に吸蔵されたＮＯx は還元雰囲気にて吸蔵型ＮＯx 触媒から放出され、この放出されたＮＯx は無害な化合物に変化して排ガスとともに外部に放出される。
【００１０】
そして、劣化判定手段で、該吸蔵型ＮＯx 触媒に被毒物質が吸蔵されて劣化していると判定されると、触媒再生制御手段が、該吸蔵型ＮＯx 触媒から該被毒物質を放出させる再生処理を行なう。
触媒再生制御手段は、該劣化判定手段で劣化していると判定されると、該追加燃料噴射を行なって該主燃料噴射と該追加燃料噴射とによる排ガスの総合空燃比を理論空燃比よりもリッチにさせる第１の再生制御の再生処理を行なう。この再生処理における追加燃料噴射では、同一の燃焼サイクル内で、出力トルクを得る主燃焼のための主燃料噴射とは別に出力トルクに影響しにくいタイミングで燃料噴射を行なう。
【００１１】
また、触媒再生制御手段は、該劣化判定手段で劣化していると判定されると、該追加燃料噴射は行なわずに該主燃料噴射のみによる排ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにさせると共に主燃焼のための点火時期をリタードさせる第２の再生制御の再生処理を行なう。
【００１２】
第１の再生制御の再生処理では、燃費の悪化を抑制しながら被毒物質を放出することができ、第２の再生制御の再生処理では、上流側のＮＯx 触媒と下流側のＮＯx 触媒との温度差を低減しながら上流側のＮＯx 触媒の劣化を招くことなく又上流側ＮＯx 触媒及び下流側ＮＯx 触媒を協働させながら効率良く被毒物質を放出することができるため、これらの処理を組み合わせることで、燃費の悪化を抑制し、ＮＯx 触媒の劣化を招くことなく、且つ、各ＮＯx 触媒を協働させながら効率良く被毒物質を放出することができるようになる。
なお、該触媒再生制御手段は、該劣化判定手段で劣化していると判定されると、まず、上記第１の再生制御の処理を行ない、その後、上記第２の再生制御の処理を行なうことが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面により、本発明の実施の形態について説明する。
まず、本発明の一実施形態にかかる希薄燃焼内燃機関の構成の概要について説明すると、本希薄燃焼内燃機関は、図２に示すように、４サイクルエンジンであって、火花点火式で、且つ、燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射型内燃機関（筒内噴射エンジン）として構成され、車両に搭載されているものとする。
【００１４】
燃焼室１には、吸気通路２および排気通路３が連通しうるように接続されており、吸気通路２と燃焼室１とは吸気弁４によって連通制御されるとともに、排気通路３と燃焼室１とは排気弁５によって連通制御されるようになっている。
また、吸気通路２には、図示しないエアクリーナ及びスロットル弁が設けられており、排気通路３には、排気浄化装置６および図示しないマフラ (消音器）が設けられている。
【００１５】
また、燃焼室１の上部中央には点火プラグ７が設けられ、燃焼室１の上部側縁にはインジェクタ（燃料噴射弁）８が設けられている。
このインジェクタ８は、気筒内の燃焼室１へ向けて燃料を直接噴射すべく、その開口を燃焼室１に臨ませるように配置されている。
このような構成により、図示しないスロットル弁の開度に応じて吸入された空気は、吸気弁４の開放により燃焼室１内に吸入され、電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０からの信号に基づいてインジェクタ８から直接噴射された燃料と混合され、点火プラグ７の適宜のタイミングでの点火により燃焼せしめられて、エンジントルクを発生させたのち、燃焼室１内から排出ガスとして排気通路３へ排出され、排気浄化装置６で排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯx の３つの有害成分を浄化されてから、マフラで消音されて大気側へ脱離されるようになっている。
【００１６】
また、本希薄燃焼内燃機関は筒内噴射エンジンであり、燃料噴射のタイミングを吸気弁の開閉に関係なく自由に設定できることから、燃料噴射の態様として、上述の層状超リーン燃焼によるリーン運転を実現し燃費を向上させるために圧縮行程中（特に、圧縮行程後半）で燃料噴射を行なう後期噴射モード（後期リーン運転モード）と、予混合燃焼によるリーン運転を実現し、緩加速による出力を得るために吸気行程中（特に吸気行程前半）に燃料噴射を行なう前期噴射モード（前期リーン運転モード）と、予混合燃焼によるストイキオ運転（理論空燃比運転）を実現し、前期噴射モードより出力を向上させるために吸気行程中に燃料噴射を行なうストイキオフィードバックモード（ストイキオ運転モード）と、予混合燃焼によるリッチ運転（理論空燃比より空燃比小）を実現し、ストイキオ運転モードより出力を向上させるエンリッチモード（オープンループモード）とが設けられており、エンジンの運転状態（負荷や回転数の状態）に応じたモードが選択されるようになっている。
【００１７】
そして、選択された運転モードとエンジンの運転状態（負荷や回転数の状態）とに応じて空燃比や燃料噴射や点火時期等が制御されるようになっている。
そこで、本エンジンの電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０には、運転モード選択手段２１と目標空燃比設定手段２２と燃料噴射制御手段２３と点火時期制御手段２４とが設けられており、これらの各処理手段２１，２２，２３，２４では、ＥＣＵ２０に入力されるＯ2 センサ９，ＮＯX センサ１０，タイマ１２，エンジン回転数センサ１３，アクセルポジションセンサ１４やその他のセンサ（例えばエアフローセンサ）１５からの信号等に基づいて、燃料噴射制御を行なうようになっている。
【００１８】
また、ＥＣＵ２０には、エンジン回転数センサ１３で検出されたエンジン回転数Ｎｅ及びアクセルポジションセンサ（ＡＰＳ）１４で検出されたアクセル開度θの各情報から平均有効圧力Ｐｅを算出する有効圧力演算手段２５が設けられており、この有効圧力演算手段２５で算出された平均有効圧力Ｐｅがエンジン回転数Ｎｅとともにエンジンの運転状態として燃料噴射制御をはじめとしたエンジン制御に用いられるようになっている。
【００１９】
運転モード選択手段２１では、エンジン回転数Ｎｅ及び平均有効圧力Ｐｅに応じて上述のような各運転モードの中から一つを選択するようになっている。
また、目標空燃比設定手段２２では、運転モード選択手段２１で選択された運転モードに応じた目標空燃比マップを選択して、この選択した目標空燃比マップを用いて、エンジン回転数Ｎｅ及び平均有効圧力Ｐｅに応じて、各運転モードにおいて最適な目標空燃比を設定する。
【００２０】
燃料噴射制御手段２３には、エンジン出力を得るための通常の燃焼を行なうべく燃料を噴射する通常燃料噴射制御と、還元雰囲気をつくるための追加燃料噴射制御とを行なうようになっている。
通常燃料噴射制御時には、目標空燃比設定手段２２で設定された目標空燃比とエアフローセンサ（その他のセンサ１５）で検出された吸気流量から燃料噴射量を設定するとともに、運転モード選択手段２１で選択された運転モードに応じた燃料噴射時期マップを選択して、この選択した燃料噴射時期マップを用いて、エンジン回転数Ｎｅ及び平均有効圧力Ｐｅに応じて、通常の燃焼を行なうための燃料噴射終了時期を設定して、燃料噴射量及び燃料噴射終了時期から燃料噴射開始時期を逆算し、これらの燃料噴射終了時期及び燃料噴射開始時期に基づいて、燃料噴射弁８の駆動を制御するようになっている。
【００２１】
ところで、後期リーン運転モードや前期リーン運転モードといったリーン運転時には、通常の三元触媒だけでは排ガス中のＮＯx を十分に浄化することができないため、図２に示すように、排気浄化装置６は、吸蔵型リーンＮＯx 触媒（以下、リーンＮＯx 触媒又は単にＮＯx 触媒という）６Ａ，６Ｂと三元触媒６Ｃとを組み合わせたものになっている。
【００２２】
つまり、空燃比がリーンの場合は、排ガス中にはＣＯ，ＨＣはほとんど含まれない一方でＮＯx 濃度は急増するが、このＮＯx を、酸化雰囲気（即ち、酸素過剰雰囲気）で機能するＮＯx 触媒６Ａにより吸着し、理論空燃比下では三元触媒６Ｃの三元機能により排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯx を浄化するようになっているのである。
【００２３】
そして、ここでは、ＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂは、三元触媒６Ｃの上流側に直列に複数（ここでは２つ）設けられている。これは、必要なＮＯX 浄化能力（ＮＯx 吸蔵能力）を確保しつつＮＯx 触媒の昇温を速やかに行なえるようにすることと、ＮＯX 浄化効率（ＮＯx 吸蔵効率）を向上できるようにするためである。
つまり、必要なＮＯX 浄化能力を１つのＮＯx 触媒で得ようとすると、ＮＯx 触媒が大型化して熱容量が大きくなって昇温に時間がかかるが、必要なＮＯX 浄化能力を複数のＮＯx 触媒で得るようにすると、各ＮＯx 触媒が小型化して熱容量が小さくなって、まず上流のＮＯx 触媒がより速やかに昇温するようになる。
【００２４】
また、ＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂには、モノリス状触媒が用いられており、モノリス状触媒では、排ガス流を蜂の巣状の微少な流路に分流させて各流路の内面に担持された触媒金属により排ガスの浄化を行なうものである。触媒内の各微少流路に排ガスが均等な濃度で流れ込めばよいが、実際には、各微少流路によって流れ込む排ガスの濃度にムラが生じ、排ガス浄化効率が低下する。しかし、モノリス状触媒を排気流路に直列に複数配設すると、上流側の触媒の各微少流路から流出した排ガスは、一旦混合した上で、下流側の触媒に流れ込む。したがって、下流側の触媒では、各微少流路に流れ込む排ガスの濃度が均等化され、排ガス浄化効率が向上するようになるのである。
【００２５】
ところで、このＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂは、吸蔵型なのでＮＯx を吸着し続けているとやがて飽和状態に達し、吸着しきれなくなったＮＯx が大気中に放出されてしまうことになる。
そこで、本エンジンでは、ＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂが飽和状態に達したら、ＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂの周囲雰囲気を還元雰囲気（即ち、酸素不足状態）とすることで吸着されているＮＯx をＮＯ2 としてＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂから脱離させ、さらに、ＨＣ，ＣＯ（還元剤）の供給によりＮＯ2 を還元してＮ2 として排出することによりＮＯx を放出させるようにしている。なお、このＮＯX 触媒６Ａ，６ＢからＮＯx を放出する制御を「復活制御」と称する。
【００２６】
このため、本エンジンには、図１に示すように、ＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂが飽和状態に達して復活制御の必要があるか否かを判定する復活制御判定手段３１と、燃料噴射制御手段２３に備えられ、復活制御判定手段３１の判定結果に基づいて復活用燃料噴射制御を行なう復活用燃料噴射制御手段２６とが設けられている。
復活制御判定手段３１では、ＮＯX 触媒６Ａ，６ＢのＮＯX 吸蔵処理が所定時間（例えば約６０秒）以上継続したことが判明したら、ＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂが飽和状態に達したものと推定して復活制御の必要があると判定する。
【００２７】
復活用燃料噴射制御手段２６では、復活制御判定手段３１で復活制御の必要があると判定されたら（即ち、ＮＯX 触媒６Ａ，６ＢのＮＯX 吸蔵が所定時間（例えば約６０秒）以上継続したことが判明したら）、ストイキオフィードバック運転やエンリッチ運転中に、ＮＯX 触媒６Ａ，６Ｂの近傍が酸素濃度の低下したリッチ雰囲気（還元雰囲気）となるように、同一燃焼周期内に、主燃焼のための燃料噴射（主燃料噴射）とは別に追加燃料噴射（リッチスパイク）を行なう。
【００２８】
この追加燃料噴射は、同一の燃焼周期で、吸気行程等で行なわれる主燃料噴射とは異なり、エンジンの圧縮行程及び膨張行程内において行なわれる。
このように追加燃料噴射が行なわれると、追加燃料噴射による燃料の一部は燃焼室内でも燃焼するが、他の一部は、ＮＯｘ触媒６Ａ，６Ｂの近傍で反応して燃焼する。したがって、このように主燃料噴射と追加燃料噴射とを行なうことで主燃料噴射による主燃焼と追加燃料噴射による追加燃焼とが行なわれるので、このような燃焼を２段燃焼という。
【００２９】
また、この場合の追加燃料噴射は、主燃料噴射と追加燃料噴射との総合空燃比が、理論空燃比よりもややリッチ（例えば約１３）になるように、短時間（例えば約２秒間）だけ行ない、これにより、排気通路内を短時間だけリッチ雰囲気（還元雰囲気）としている。
このような復活用燃料噴射制御により、ＮＯX 放出反応に必要なリッチ雰囲気（還元雰囲気）を確保することができ、ＮＯX の放出（ＮＯX パージ）が行なわれるのである。
【００３０】
一方、ＮＯX 触媒６Ａ，６Ｂには、排ガス中に含まれたイオウ成分がＳＯ3 等の酸化イオウ（ＳＯX ）の状態で徐々に吸蔵されていき、いわゆるＳ被毒により、ＮＯX 触媒６Ａ，６ＢのＮＯX 吸蔵能力が時間とともに低下する（即ち、ＮＯX 触媒としての性能が劣化する）。
そこで、本エンジンでは、ＮＯX 触媒６Ａ，６Ｂに被毒物質（イオウ分）が所定レベル以上吸蔵されＮＯX 触媒６Ａ，６Ｂが劣化していると推定できる場合に、ＮＯX 触媒６Ａ，６Ｂに吸蔵された被毒物質（ＳＯX ）を放出させるようになっている。なお、このＮＯX 触媒６Ａ，６Ｂから被毒物質を放出する制御を「再生制御」と称する。
【００３１】
このため、本エンジンには、ＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂに所定限度以上の被毒物質（ＳＯX ）が吸蔵されていてＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂの再生が必要であるか否かを判定する再生制御用判定手段（劣化判定手段）３２と、燃料噴射制御手段２３に備えられ再生制御用判定手段３２の判定結果に基づいて再生用燃料噴射制御を行なう再生用燃料噴射制御手段２７、及び、点火制御手段２４に備えられ再生用点火時期制御を行なう再生用点火時期制御手段２８とが設けられている。なお、再生用燃料噴射制御手段２７及び再生用点火時期制御手段２８により、触媒再生制御手段２９が構成される。
【００３２】
本実施形態の再生制御用判定手段３２では、所定のリーン運転状態で通常検出されるべきＮＯｘ濃度よりも高いＮＯｘ濃度がＮＯｘセンサ１０により検出された場合、ＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂが劣化状態にあり（即ち、被毒限界に達しており）、再生が必要であると判定する。
触媒再生制御手段２９では、再生制御用判定手段３２によりＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂが劣化状態にあり再生が必要であると判定されると、ＮＯX 触媒６Ａの近傍を酸素濃度が低下した還元雰囲気（例えば、Ａ／Ｆ＝約１２）とし、かつ、所定温度（例えば、約６００℃）以上となるように、以下に説明する第１の再生制御と第２の再生制御とを行なう。
【００３３】
つまり、第１の再生制御は、復活制御と同様に、追加燃料噴射により再生を行なうものであり、再生用燃料噴射制御手段２７では、吸気行程噴射又は圧縮行程噴射に加え、膨張行程に追加燃料噴射を行なって、主燃焼と追加燃焼とからなる２段燃焼を行なう。そして、主燃料噴射と追加燃料噴射との総合空燃比が、復活制御の場合よりもさらにリッチ（例えば約１２）になるように、復活制御よりも長い期間（例えば約２分間）だけ燃料噴射を行なうことで、排気通路内のＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂの周囲を復活制御の場合以上にリッチ雰囲気（還元雰囲気）とし、且つ、復活制御の場合以上に高温雰囲気（約６００℃以上）とする。
【００３４】
また、第２の再生制御は、追加燃料噴射は行なわず、再生用燃料噴射制御手段２７を通じて、主燃料噴射量を調整して主燃焼による空燃比を理論空燃比よりもリッチ（例えば、Ａ／Ｆ＝約１２）にするとともに、再生用点火時期制御手段２８を通じて、点火時期をリタードさせ排ガス温度を高めるようにして、排気通路内のＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂの周囲を復活制御の場合以上にリッチ雰囲気（還元雰囲気）とし、且つ、復活制御の場合以上に高温雰囲気（約６００℃以上）とする。
【００３５】
再生制御用判定手段３２によりＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂの再生が必要であると判定されると、まず、第１の再生制御を所定時間（例えば約２分間）行なって続いて、第２の再生制御を所定時間（例えば約１分間）行なうようにしている。これらは、タイマ１２の時間情報に基づいて行なわれる。
なお、図４は、再生制御（Ｓパージ）時の空燃比Ａ／Ｆ，上流側のＮＯx 触媒６Ａの温度，上流側のＮＯx 触媒６Ａと下流側のＮＯx 触媒６Ｂとの温度差を示すデータであり、Ａ１，Ｂ１は２段燃焼（第１の再生制御）の場合の上流側のＮＯx 触媒６Ａの温度を、Ａ２，Ｂ２は２段燃焼（第１の再生制御）の場合の上流側のＮＯx 触媒６Ａと下流側のＮＯx 触媒６Ｂとの温度差を、Ｃ１，Ｄ１は主燃焼リッチ化及びリタード（第２の再生制御）の場合の上流側のＮＯx 触媒６Ａの温度を、Ｃ２，Ｄ２は主燃焼リッチ化及びリタード（第２の再生制御）の場合の上流側のＮＯx 触媒６Ａと下流側のＮＯx 触媒６Ｂとの温度差を、それぞれ示している。図４からわかるように、２段燃焼（第１の再生制御）では、上流側のＮＯx 触媒６Ａの温度が速やかに上昇するが、上流側のＮＯx 触媒６Ａと下流側のＮＯx 触媒６Ｂとの温度差が大きくなり、上流側のＮＯx 触媒６Ａが過昇温し易い。また、主燃焼リッチ化及びリタード（第２の再生制御）では、上流側のＮＯx 触媒６Ａ及び下流側のＮＯx 触媒６Ｂの温度がやや緩やかに上昇するが、上流側のＮＯx 触媒６Ａと下流側のＮＯx 触媒６Ｂとの温度差が小さくなり、上流側のＮＯx 触媒６Ａが過昇温し難い。
【００３６】
本発明の一実施形態としての内燃機関の排ガス浄化装置は、上述のように構成されているので、図３に示すように、ＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂの再生制御が行なわれる。
つまり、まず、再生制御用判定手段３２によりＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂが被毒限界に達したか否かが判定され（ステップＳ１０）、ＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂが被毒限界に達したら（即ち、劣化状態になったら）再生が必要であるとして、まず、ステップＳ２０へ進み、被毒フラグをセットする（この被毒フラグは、復活制御に関連する各種制御に用いられる）。
【００３７】
そして、ステップＳ３０へ進み、まず、第１の再生制御、即ち、主燃焼と追加燃焼とからなる２段燃焼を行なって、主燃料噴射及び追加燃料噴射による総合空燃比をリッチにする。この２段燃焼によるリッチ化は、所定時間（例えば約２分間）行なう。これにより、少なくともＮＯx 触媒６Ａが昇温して温度が所定領域（約６００°Ｃ以上）になるとともに、ＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂの周囲が還元雰囲気（例えば空燃比１２程度）となって、少なくともＮＯx 触媒６Ａに吸蔵されていた被毒物質（イオウ分）が放出される。
【００３８】
２段燃焼では、まず、ＮＯx 触媒６Ａの付近でリッチな混合気が燃焼することによりＮＯx 触媒６Ａが昇温するため、上流側のＮＯx 触媒６Ａでは著しく昇温し、下流側のＮＯx 触媒６Ｂでの昇温は比較的緩慢になる。したがって、まず、上流側のＮＯx 触媒６Ａを中心に、被毒物質（イオウ分）が放出される。
第１の再生制御を終えたら、ステップＳ４０へ進み、第２の再生制御を行なう。つまり、主燃料噴射による空燃比を理論空燃比よりもリッチ（例えば、Ａ／Ｆ＝約１２）にするとともに、再生用点火時期制御手段２８を通じて、点火時期をリタードさせ排ガス温度を高めるようにして、排気通路内のＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂの周囲を復活制御の場合以上にリッチ雰囲気（還元雰囲気）とし、且つ、復活制御の場合以上に高温雰囲気（約６００℃以上）とする。
【００３９】
この主燃料噴射による空燃比のリッチ化及び点火時期のリタードによる第２の再生制御では、ＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂの付近での燃焼ではなく、排ガス自体が高温となることでＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂの昇温を行なうので、上流側のＮＯx 触媒６Ａ及び下流側のＮＯx 触媒６Ｂの温度差が少なくなり、上流側のＮＯx 触媒６Ａの過昇温を防止しながら下流側のＮＯx 触媒６Ｂを所定温度域（約６００℃以上）に昇温させることができ、これに更にリッチ雰囲気（還元雰囲気）が加わるため、下流側のＮＯx 触媒６Ｂからも被毒物質（イオウ分）が放出される。
【００４０】
このような第２の再生制御を所定時間（約１分間）行なったら、両ＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂの再生〔被毒物質（イオウ分）の放出〕が完了し、ステップＳ５０へ進み、被毒フラグをリセットして、再生制御を終了する。
このようにして、本筒内噴射型内燃機関では、空燃比のリッチ化（例えば、Ａ／Ｆ＝約１２）によるＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂの周囲のリッチ雰囲気化（還元雰囲気化）と高温雰囲気化（約６００℃以上）とを行なうために、主燃料噴射と追加燃料噴射とを行なう２段燃焼による第１の再生制御と、主燃料噴射による空燃比のリッチ化及び点火時期のリタードによる第２の再生制御とを併用し、特に、再生制御の前期にまず燃費上有利である第１の再生制御を行ない、再生制御の後期に燃費上は不利であるが上流側のＮＯx 触媒６Ａを過昇温させないで下流側のＮＯx 触媒６Ｂを昇温させることのできる第２の再生制御を行なっているので、ＮＯx 触媒の過昇温による損傷（熱損傷）を防止しつつ再生制御時の燃費の悪化を防止することができる利点がある。
【００４１】
また、本実施形態では、ＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂが共に劣化している場合に、まず、第１の再生制御により上流側のＮＯx 触媒６Ａを再生させて、次に、第２の再生制御を実施している。したがって、第２の再生制御時には上流側のＮＯx 触媒６Ａが既に再生されており、第２の再生制御でのリッチ化による還元物質は、上流側のＮＯx 触媒６Ａにより消費されることがなく、下流側のＮＯx 触媒６Ｂを有効に再生しうる利点がある。
【００４２】
なお、本実施形態では、ＮＯx 触媒を２つだけ設けているが、ＮＯx 触媒の数はこれ以上でもよい。また、ＮＯx 触媒を１つのケース内に収めているが、各ＮＯx 触媒を離隔させて別々のケース内に収めるようにしてもよい。また、三元触媒は省略してもよい。
さらに、主燃料噴射と追加燃料噴射とを行なう２段燃焼による第１の再生制御と、主燃料噴射による空燃比のリッチ化及び点火時期のリタードによる第２の再生制御との併用は、実施形態の順序に限定されるものではなく、ＮＯx 触媒の種類や劣化度合いのばらつきなどの各条件によっては、両再生制御の順序を変えたり、これらを繰り返して交互に行なうなどしてもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の内燃機関の排ガス浄化装置によれば、燃費の悪化を抑制し、ＮＯx 触媒の劣化を招くことなく、各ＮＯx 触媒を協働させながら効率良く被毒物質を放出することができるようになり、機関の燃費性能やＮＯx 触媒の耐久性を低下させることなく、ＮＯx 触媒の再生（イオウ分等の被毒物質の放出）によるＮＯx 浄化性能の維持を行なうことができる。
特に、まず、上記第１の再生制御の処理を行ない、その後、上記第２の再生制御の処理を行なうように構成することにより、はじめに第１の再生制御で、少なくとも上流側のＮＯ x 触媒に吸蔵されていた被毒物質（イオウ分）が放出されるため、次の第２の再生制御では、上流側のＮＯ x 触媒が既に再生されており、第２の再生制御でのリッチ化による還元物質は、上流側のＮＯ x 触媒により消費されることがなく、下流側のＮＯ x 触媒を有効に再生できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態としての希薄燃焼内燃機関の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる希薄燃焼内燃機関の模式的構成図である。
【図３】本発明の一実施形態としての希薄燃焼内燃機関による再生制御を説明するフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態としての希薄燃焼内燃機関の再生制御時の温度特性を示す図である。
【符号の説明】
３ 排気通路
６Ａ，６Ｂ 吸蔵型ＮＯX 触媒
２９ 触媒再生制御手段
３２ 劣化判定手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、排ガス中の有害成分、特に、ＮＯX を浄化するために少なくとも２つの吸蔵型ＮＯX 触媒を排気通路内に直列にそなえた、希薄燃焼内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、排ガス中の酸素が過剰になる酸素過剰雰囲気でもＮＯX を浄化できるＮＯX 触媒が開発されており、希薄燃焼内燃機関においては、排気通路にこのＮＯX 触媒を設けることで希薄燃焼時のＮＯX を浄化するようにしている。
このＮＯX 触媒のひとつに、ＮＯX を触媒上に吸蔵させることにより排ガス中のＮＯX を浄化する吸蔵型ＮＯX 触媒（トラップ型ＮＯX 触媒）がある。この吸蔵型ＮＯX 触媒は、酸化雰囲気、即ち、酸素濃度過剰雰囲気では、排ガス中のＮＯを酸化させて硝酸塩を生成し、これによりＮＯX を吸蔵する一方、還元雰囲気、即ち、酸素濃度が低下した雰囲気では、ＮＯX 触媒に吸蔵した硝酸塩と排ガス中のＣＯとを反応させて炭酸塩を生成し、これによりＮＯX を放出，分解する機能を有する。
【０００３】
ところで、ＮＯX 触媒がＮＯX の吸蔵や放出の作用を行なうためには、ＮＯX 触媒の周囲が単に酸化雰囲気又は還元雰囲気となるだけでなく、さらに、ＮＯX 触媒の温度が所定の触媒反応温度領域であることが必要である。
しかしながら、触媒反応温度領域は、触媒に担持されている貴金属によって変化し、また、その温度領域は狭いものである。このため、始動直後における低排温時や機関の高負荷高回転運転時の高排温に対し、全ての温度領域で高い浄化効率を得ることは困難である。
【０００４】
そこで、例えば特許第２６６３８０７号の技術のように、排気通路に２つ以上のＮＯX 吸収剤（ＮＯX 触媒）を直列に設け、広い温度領域で高い浄化効率を得る方法が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料や潤滑油内には、イオウ成分（Ｓ成分）が含まれており、このため、排ガス中にもこのようなイオウ成分が含まれている。このうち、ＮＯX 触媒では、希薄燃焼運転時の酸素濃度過剰雰囲気でＮＯX を吸蔵するとともに、このようなイオウ成分の一部をＮＯX 触媒の吸蔵剤と反応させ硫酸塩として吸蔵する。
【０００６】
硫酸塩は塩としての安定度が高く、酸素濃度が低下した雰囲気とした場合でもその一部しか分解されないため、ＮＯX 触媒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、ＮＯX 触媒のＮＯX 吸蔵能力が時間とともに低下し、ＮＯX 触媒としての性能が劣化する。これを、Ｓ被毒という。
そこで、ＮＯX 触媒に吸着されたイオウ分（ＳＯX ）を放出してＮＯX 触媒のＮＯX 吸蔵能力を再び増加させる操作（これを「再生」という）が必要になる。
【０００７】
再生処理技術の一例として、例えば特開平７−２１７４７４号公報には、ＮＯX 吸収剤（ＮＯX 触媒）に許容量以上のイオウ分（ＳＯX ）が吸収されていると推定されたら、例えば点火時期を遅角させるなどしてＮＯX 吸収剤の温度を昇温させるとともに、ＮＯX 吸収剤に流入する排ガスの空燃比を一時的にリッチにして、所定の高温状態の還元雰囲気としてＮＯX 吸収剤からＳＯX を放出させる技術が開示されている。
【０００８】
しかしながら、排気通路の上流側と下流側とに直列に複数のＮＯX 触媒を装備したものに、このような制御を行なっても上流側触媒には有効であるが、下流側触媒は所定の温度領域まで高温にならないため、十分に再生処理を行なうことができない。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、少なくとも２つの吸蔵型ＮＯX 触媒を排気通路に直列に配置した排ガス浄化システムをそなえたものにおいて、ＮＯX 触媒から確実に被毒物質の放出を行なうことができるようにした、希薄燃焼内燃機関を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明の内燃機関の排ガス浄化装置は、希薄燃焼内燃機関において理論空燃比よりも高い空燃比で運転を行なうリーン燃焼が行なわれ排気通路内を酸化雰囲気となると、排気通路に直列に配置された少なくとも２つの吸蔵型ＮＯx 触媒が、排ガス中のＮＯx を吸蔵する。また、各吸蔵型ＮＯx 触媒に吸蔵されたＮＯx は還元雰囲気にて吸蔵型ＮＯx 触媒から放出され、この放出されたＮＯx は無害な化合物に変化して排ガスとともに外部に放出される。
【００１０】
そして、劣化判定手段で、該吸蔵型ＮＯx 触媒に被毒物質が吸蔵されて劣化していると判定されると、触媒再生制御手段が、該吸蔵型ＮＯx 触媒から該被毒物質を放出させる再生処理を行なう。
触媒再生制御手段は、該劣化判定手段で劣化していると判定されると、該追加燃料噴射を行なって該主燃料噴射と該追加燃料噴射とによる排ガスの総合空燃比を理論空燃比よりもリッチにさせる第１の再生制御の再生処理を行なう。この再生処理における追加燃料噴射では、同一の燃焼サイクル内で、出力トルクを得る主燃焼のための主燃料噴射とは別に出力トルクに影響しにくいタイミングで燃料噴射を行なう。
【００１１】
また、触媒再生制御手段は、該劣化判定手段で劣化していると判定されると、該追加燃料噴射は行なわずに該主燃料噴射のみによる排ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにさせると共に主燃焼のための点火時期をリタードさせる第２の再生制御の再生処理を行なう。
【００１２】
第１の再生制御の再生処理では、燃費の悪化を抑制しながら被毒物質を放出することができ、第２の再生制御の再生処理では、上流側のＮＯx 触媒と下流側のＮＯx 触媒との温度差を低減しながら上流側のＮＯx 触媒の劣化を招くことなく又上流側ＮＯx 触媒及び下流側ＮＯx 触媒を協働させながら効率良く被毒物質を放出することができるため、これらの処理を組み合わせることで、燃費の悪化を抑制し、ＮＯx 触媒の劣化を招くことなく、且つ、各ＮＯx 触媒を協働させながら効率良く被毒物質を放出することができるようになる。
なお、該触媒再生制御手段は、該劣化判定手段で劣化していると判定されると、まず、上記第１の再生制御の処理を行ない、その後、上記第２の再生制御の処理を行なうことが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面により、本発明の実施の形態について説明する。
まず、本発明の一実施形態にかかる希薄燃焼内燃機関の構成の概要について説明すると、本希薄燃焼内燃機関は、図２に示すように、４サイクルエンジンであって、火花点火式で、且つ、燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射型内燃機関（筒内噴射エンジン）として構成され、車両に搭載されているものとする。
【００１４】
燃焼室１には、吸気通路２および排気通路３が連通しうるように接続されており、吸気通路２と燃焼室１とは吸気弁４によって連通制御されるとともに、排気通路３と燃焼室１とは排気弁５によって連通制御されるようになっている。
また、吸気通路２には、図示しないエアクリーナ及びスロットル弁が設けられており、排気通路３には、排気浄化装置６および図示しないマフラ (消音器）が設けられている。
【００１５】
また、燃焼室１の上部中央には点火プラグ７が設けられ、燃焼室１の上部側縁にはインジェクタ（燃料噴射弁）８が設けられている。
このインジェクタ８は、気筒内の燃焼室１へ向けて燃料を直接噴射すべく、その開口を燃焼室１に臨ませるように配置されている。
このような構成により、図示しないスロットル弁の開度に応じて吸入された空気は、吸気弁４の開放により燃焼室１内に吸入され、電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０からの信号に基づいてインジェクタ８から直接噴射された燃料と混合され、点火プラグ７の適宜のタイミングでの点火により燃焼せしめられて、エンジントルクを発生させたのち、燃焼室１内から排出ガスとして排気通路３へ排出され、排気浄化装置６で排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯx の３つの有害成分を浄化されてから、マフラで消音されて大気側へ脱離されるようになっている。
【００１６】
また、本希薄燃焼内燃機関は筒内噴射エンジンであり、燃料噴射のタイミングを吸気弁の開閉に関係なく自由に設定できることから、燃料噴射の態様として、上述の層状超リーン燃焼によるリーン運転を実現し燃費を向上させるために圧縮行程中（特に、圧縮行程後半）で燃料噴射を行なう後期噴射モード（後期リーン運転モード）と、予混合燃焼によるリーン運転を実現し、緩加速による出力を得るために吸気行程中（特に吸気行程前半）に燃料噴射を行なう前期噴射モード（前期リーン運転モード）と、予混合燃焼によるストイキオ運転（理論空燃比運転）を実現し、前期噴射モードより出力を向上させるために吸気行程中に燃料噴射を行なうストイキオフィードバックモード（ストイキオ運転モード）と、予混合燃焼によるリッチ運転（理論空燃比より空燃比小）を実現し、ストイキオ運転モードより出力を向上させるエンリッチモード（オープンループモード）とが設けられており、エンジンの運転状態（負荷や回転数の状態）に応じたモードが選択されるようになっている。
【００１７】
そして、選択された運転モードとエンジンの運転状態（負荷や回転数の状態）とに応じて空燃比や燃料噴射や点火時期等が制御されるようになっている。
そこで、本エンジンの電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０には、運転モード選択手段２１と目標空燃比設定手段２２と燃料噴射制御手段２３と点火時期制御手段２４とが設けられており、これらの各処理手段２１，２２，２３，２４では、ＥＣＵ２０に入力されるＯ2 センサ９，ＮＯX センサ１０，タイマ１２，エンジン回転数センサ１３，アクセルポジションセンサ１４やその他のセンサ（例えばエアフローセンサ）１５からの信号等に基づいて、燃料噴射制御を行なうようになっている。
【００１８】
また、ＥＣＵ２０には、エンジン回転数センサ１３で検出されたエンジン回転数Ｎｅ及びアクセルポジションセンサ（ＡＰＳ）１４で検出されたアクセル開度θの各情報から平均有効圧力Ｐｅを算出する有効圧力演算手段２５が設けられており、この有効圧力演算手段２５で算出された平均有効圧力Ｐｅがエンジン回転数Ｎｅとともにエンジンの運転状態として燃料噴射制御をはじめとしたエンジン制御に用いられるようになっている。
【００１９】
運転モード選択手段２１では、エンジン回転数Ｎｅ及び平均有効圧力Ｐｅに応じて上述のような各運転モードの中から一つを選択するようになっている。
また、目標空燃比設定手段２２では、運転モード選択手段２１で選択された運転モードに応じた目標空燃比マップを選択して、この選択した目標空燃比マップを用いて、エンジン回転数Ｎｅ及び平均有効圧力Ｐｅに応じて、各運転モードにおいて最適な目標空燃比を設定する。
【００２０】
燃料噴射制御手段２３には、エンジン出力を得るための通常の燃焼を行なうべく燃料を噴射する通常燃料噴射制御と、還元雰囲気をつくるための追加燃料噴射制御とを行なうようになっている。
通常燃料噴射制御時には、目標空燃比設定手段２２で設定された目標空燃比とエアフローセンサ（その他のセンサ１５）で検出された吸気流量から燃料噴射量を設定するとともに、運転モード選択手段２１で選択された運転モードに応じた燃料噴射時期マップを選択して、この選択した燃料噴射時期マップを用いて、エンジン回転数Ｎｅ及び平均有効圧力Ｐｅに応じて、通常の燃焼を行なうための燃料噴射終了時期を設定して、燃料噴射量及び燃料噴射終了時期から燃料噴射開始時期を逆算し、これらの燃料噴射終了時期及び燃料噴射開始時期に基づいて、燃料噴射弁８の駆動を制御するようになっている。
【００２１】
ところで、後期リーン運転モードや前期リーン運転モードといったリーン運転時には、通常の三元触媒だけでは排ガス中のＮＯx を十分に浄化することができないため、図２に示すように、排気浄化装置６は、吸蔵型リーンＮＯx 触媒（以下、リーンＮＯx 触媒又は単にＮＯx 触媒という）６Ａ，６Ｂと三元触媒６Ｃとを組み合わせたものになっている。
【００２２】
つまり、空燃比がリーンの場合は、排ガス中にはＣＯ，ＨＣはほとんど含まれない一方でＮＯx 濃度は急増するが、このＮＯx を、酸化雰囲気（即ち、酸素過剰雰囲気）で機能するＮＯx 触媒６Ａにより吸着し、理論空燃比下では三元触媒６Ｃの三元機能により排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯx を浄化するようになっているのである。
【００２３】
そして、ここでは、ＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂは、三元触媒６Ｃの上流側に直列に複数（ここでは２つ）設けられている。これは、必要なＮＯX 浄化能力（ＮＯx 吸蔵能力）を確保しつつＮＯx 触媒の昇温を速やかに行なえるようにすることと、ＮＯX 浄化効率（ＮＯx 吸蔵効率）を向上できるようにするためである。
つまり、必要なＮＯX 浄化能力を１つのＮＯx 触媒で得ようとすると、ＮＯx 触媒が大型化して熱容量が大きくなって昇温に時間がかかるが、必要なＮＯX 浄化能力を複数のＮＯx 触媒で得るようにすると、各ＮＯx 触媒が小型化して熱容量が小さくなって、まず上流のＮＯx 触媒がより速やかに昇温するようになる。
【００２４】
また、ＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂには、モノリス状触媒が用いられており、モノリス状触媒では、排ガス流を蜂の巣状の微少な流路に分流させて各流路の内面に担持された触媒金属により排ガスの浄化を行なうものである。触媒内の各微少流路に排ガスが均等な濃度で流れ込めばよいが、実際には、各微少流路によって流れ込む排ガスの濃度にムラが生じ、排ガス浄化効率が低下する。しかし、モノリス状触媒を排気流路に直列に複数配設すると、上流側の触媒の各微少流路から流出した排ガスは、一旦混合した上で、下流側の触媒に流れ込む。したがって、下流側の触媒では、各微少流路に流れ込む排ガスの濃度が均等化され、排ガス浄化効率が向上するようになるのである。
【００２５】
ところで、このＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂは、吸蔵型なのでＮＯx を吸着し続けているとやがて飽和状態に達し、吸着しきれなくなったＮＯx が大気中に放出されてしまうことになる。
そこで、本エンジンでは、ＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂが飽和状態に達したら、ＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂの周囲雰囲気を還元雰囲気（即ち、酸素不足状態）とすることで吸着されているＮＯx をＮＯ2 としてＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂから脱離させ、さらに、ＨＣ，ＣＯ（還元剤）の供給によりＮＯ2 を還元してＮ2 として排出することによりＮＯx を放出させるようにしている。なお、このＮＯX 触媒６Ａ，６ＢからＮＯx を放出する制御を「復活制御」と称する。
【００２６】
このため、本エンジンには、図１に示すように、ＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂが飽和状態に達して復活制御の必要があるか否かを判定する復活制御判定手段３１と、燃料噴射制御手段２３に備えられ、復活制御判定手段３１の判定結果に基づいて復活用燃料噴射制御を行なう復活用燃料噴射制御手段２６とが設けられている。
復活制御判定手段３１では、ＮＯX 触媒６Ａ，６ＢのＮＯX 吸蔵処理が所定時間（例えば約６０秒）以上継続したことが判明したら、ＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂが飽和状態に達したものと推定して復活制御の必要があると判定する。
【００２７】
復活用燃料噴射制御手段２６では、復活制御判定手段３１で復活制御の必要があると判定されたら（即ち、ＮＯX 触媒６Ａ，６ＢのＮＯX 吸蔵が所定時間（例えば約６０秒）以上継続したことが判明したら）、ストイキオフィードバック運転やエンリッチ運転中に、ＮＯX 触媒６Ａ，６Ｂの近傍が酸素濃度の低下したリッチ雰囲気（還元雰囲気）となるように、同一燃焼周期内に、主燃焼のための燃料噴射（主燃料噴射）とは別に追加燃料噴射（リッチスパイク）を行なう。
【００２８】
この追加燃料噴射は、同一の燃焼周期で、吸気行程等で行なわれる主燃料噴射とは異なり、エンジンの圧縮行程及び膨張行程内において行なわれる。
このように追加燃料噴射が行なわれると、追加燃料噴射による燃料の一部は燃焼室内でも燃焼するが、他の一部は、ＮＯｘ触媒６Ａ，６Ｂの近傍で反応して燃焼する。したがって、このように主燃料噴射と追加燃料噴射とを行なうことで主燃料噴射による主燃焼と追加燃料噴射による追加燃焼とが行なわれるので、このような燃焼を２段燃焼という。
【００２９】
また、この場合の追加燃料噴射は、主燃料噴射と追加燃料噴射との総合空燃比が、理論空燃比よりもややリッチ（例えば約１３）になるように、短時間（例えば約２秒間）だけ行ない、これにより、排気通路内を短時間だけリッチ雰囲気（還元雰囲気）としている。
このような復活用燃料噴射制御により、ＮＯX 放出反応に必要なリッチ雰囲気（還元雰囲気）を確保することができ、ＮＯX の放出（ＮＯX パージ）が行なわれるのである。
【００３０】
一方、ＮＯX 触媒６Ａ，６Ｂには、排ガス中に含まれたイオウ成分がＳＯ3 等の酸化イオウ（ＳＯX ）の状態で徐々に吸蔵されていき、いわゆるＳ被毒により、ＮＯX 触媒６Ａ，６ＢのＮＯX 吸蔵能力が時間とともに低下する（即ち、ＮＯX 触媒としての性能が劣化する）。
そこで、本エンジンでは、ＮＯX 触媒６Ａ，６Ｂに被毒物質（イオウ分）が所定レベル以上吸蔵されＮＯX 触媒６Ａ，６Ｂが劣化していると推定できる場合に、ＮＯX 触媒６Ａ，６Ｂに吸蔵された被毒物質（ＳＯX ）を放出させるようになっている。なお、このＮＯX 触媒６Ａ，６Ｂから被毒物質を放出する制御を「再生制御」と称する。
【００３１】
このため、本エンジンには、ＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂに所定限度以上の被毒物質（ＳＯX ）が吸蔵されていてＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂの再生が必要であるか否かを判定する再生制御用判定手段（劣化判定手段）３２と、燃料噴射制御手段２３に備えられ再生制御用判定手段３２の判定結果に基づいて再生用燃料噴射制御を行なう再生用燃料噴射制御手段２７、及び、点火制御手段２４に備えられ再生用点火時期制御を行なう再生用点火時期制御手段２８とが設けられている。なお、再生用燃料噴射制御手段２７及び再生用点火時期制御手段２８により、触媒再生制御手段２９が構成される。
【００３２】
本実施形態の再生制御用判定手段３２では、所定のリーン運転状態で通常検出されるべきＮＯｘ濃度よりも高いＮＯｘ濃度がＮＯｘセンサ１０により検出された場合、ＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂが劣化状態にあり（即ち、被毒限界に達しており）、再生が必要であると判定する。
触媒再生制御手段２９では、再生制御用判定手段３２によりＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂが劣化状態にあり再生が必要であると判定されると、ＮＯX 触媒６Ａの近傍を酸素濃度が低下した還元雰囲気（例えば、Ａ／Ｆ＝約１２）とし、かつ、所定温度（例えば、約６００℃）以上となるように、以下に説明する第１の再生制御と第２の再生制御とを行なう。
【００３３】
つまり、第１の再生制御は、復活制御と同様に、追加燃料噴射により再生を行なうものであり、再生用燃料噴射制御手段２７では、吸気行程噴射又は圧縮行程噴射に加え、膨張行程に追加燃料噴射を行なって、主燃焼と追加燃焼とからなる２段燃焼を行なう。そして、主燃料噴射と追加燃料噴射との総合空燃比が、復活制御の場合よりもさらにリッチ（例えば約１２）になるように、復活制御よりも長い期間（例えば約２分間）だけ燃料噴射を行なうことで、排気通路内のＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂの周囲を復活制御の場合以上にリッチ雰囲気（還元雰囲気）とし、且つ、復活制御の場合以上に高温雰囲気（約６００℃以上）とする。
【００３４】
また、第２の再生制御は、追加燃料噴射は行なわず、再生用燃料噴射制御手段２７を通じて、主燃料噴射量を調整して主燃焼による空燃比を理論空燃比よりもリッチ（例えば、Ａ／Ｆ＝約１２）にするとともに、再生用点火時期制御手段２８を通じて、点火時期をリタードさせ排ガス温度を高めるようにして、排気通路内のＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂの周囲を復活制御の場合以上にリッチ雰囲気（還元雰囲気）とし、且つ、復活制御の場合以上に高温雰囲気（約６００℃以上）とする。
【００３５】
再生制御用判定手段３２によりＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂの再生が必要であると判定されると、まず、第１の再生制御を所定時間（例えば約２分間）行なって続いて、第２の再生制御を所定時間（例えば約１分間）行なうようにしている。これらは、タイマ１２の時間情報に基づいて行なわれる。
なお、図４は、再生制御（Ｓパージ）時の空燃比Ａ／Ｆ，上流側のＮＯx 触媒６Ａの温度，上流側のＮＯx 触媒６Ａと下流側のＮＯx 触媒６Ｂとの温度差を示すデータであり、Ａ１，Ｂ１は２段燃焼（第１の再生制御）の場合の上流側のＮＯx 触媒６Ａの温度を、Ａ２，Ｂ２は２段燃焼（第１の再生制御）の場合の上流側のＮＯx 触媒６Ａと下流側のＮＯx 触媒６Ｂとの温度差を、Ｃ１，Ｄ１は主燃焼リッチ化及びリタード（第２の再生制御）の場合の上流側のＮＯx 触媒６Ａの温度を、Ｃ２，Ｄ２は主燃焼リッチ化及びリタード（第２の再生制御）の場合の上流側のＮＯx 触媒６Ａと下流側のＮＯx 触媒６Ｂとの温度差を、それぞれ示している。図４からわかるように、２段燃焼（第１の再生制御）では、上流側のＮＯx 触媒６Ａの温度が速やかに上昇するが、上流側のＮＯx 触媒６Ａと下流側のＮＯx 触媒６Ｂとの温度差が大きくなり、上流側のＮＯx 触媒６Ａが過昇温し易い。また、主燃焼リッチ化及びリタード（第２の再生制御）では、上流側のＮＯx 触媒６Ａ及び下流側のＮＯx 触媒６Ｂの温度がやや緩やかに上昇するが、上流側のＮＯx 触媒６Ａと下流側のＮＯx 触媒６Ｂとの温度差が小さくなり、上流側のＮＯx 触媒６Ａが過昇温し難い。
【００３６】
本発明の一実施形態としての内燃機関の排ガス浄化装置は、上述のように構成されているので、図３に示すように、ＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂの再生制御が行なわれる。
つまり、まず、再生制御用判定手段３２によりＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂが被毒限界に達したか否かが判定され（ステップＳ１０）、ＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂが被毒限界に達したら（即ち、劣化状態になったら）再生が必要であるとして、まず、ステップＳ２０へ進み、被毒フラグをセットする（この被毒フラグは、復活制御に関連する各種制御に用いられる）。
【００３７】
そして、ステップＳ３０へ進み、まず、第１の再生制御、即ち、主燃焼と追加燃焼とからなる２段燃焼を行なって、主燃料噴射及び追加燃料噴射による総合空燃比をリッチにする。この２段燃焼によるリッチ化は、所定時間（例えば約２分間）行なう。これにより、少なくともＮＯx 触媒６Ａが昇温して温度が所定領域（約６００°Ｃ以上）になるとともに、ＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂの周囲が還元雰囲気（例えば空燃比１２程度）となって、少なくともＮＯx 触媒６Ａに吸蔵されていた被毒物質（イオウ分）が放出される。
【００３８】
２段燃焼では、まず、ＮＯx 触媒６Ａの付近でリッチな混合気が燃焼することによりＮＯx 触媒６Ａが昇温するため、上流側のＮＯx 触媒６Ａでは著しく昇温し、下流側のＮＯx 触媒６Ｂでの昇温は比較的緩慢になる。したがって、まず、上流側のＮＯx 触媒６Ａを中心に、被毒物質（イオウ分）が放出される。
第１の再生制御を終えたら、ステップＳ４０へ進み、第２の再生制御を行なう。つまり、主燃料噴射による空燃比を理論空燃比よりもリッチ（例えば、Ａ／Ｆ＝約１２）にするとともに、再生用点火時期制御手段２８を通じて、点火時期をリタードさせ排ガス温度を高めるようにして、排気通路内のＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂの周囲を復活制御の場合以上にリッチ雰囲気（還元雰囲気）とし、且つ、復活制御の場合以上に高温雰囲気（約６００℃以上）とする。
【００３９】
この主燃料噴射による空燃比のリッチ化及び点火時期のリタードによる第２の再生制御では、ＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂの付近での燃焼ではなく、排ガス自体が高温となることでＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂの昇温を行なうので、上流側のＮＯx 触媒６Ａ及び下流側のＮＯx 触媒６Ｂの温度差が少なくなり、上流側のＮＯx 触媒６Ａの過昇温を防止しながら下流側のＮＯx 触媒６Ｂを所定温度域（約６００℃以上）に昇温させることができ、これに更にリッチ雰囲気（還元雰囲気）が加わるため、下流側のＮＯx 触媒６Ｂからも被毒物質（イオウ分）が放出される。
【００４０】
このような第２の再生制御を所定時間（約１分間）行なったら、両ＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂの再生〔被毒物質（イオウ分）の放出〕が完了し、ステップＳ５０へ進み、被毒フラグをリセットして、再生制御を終了する。
このようにして、本筒内噴射型内燃機関では、空燃比のリッチ化（例えば、Ａ／Ｆ＝約１２）によるＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂの周囲のリッチ雰囲気化（還元雰囲気化）と高温雰囲気化（約６００℃以上）とを行なうために、主燃料噴射と追加燃料噴射とを行なう２段燃焼による第１の再生制御と、主燃料噴射による空燃比のリッチ化及び点火時期のリタードによる第２の再生制御とを併用し、特に、再生制御の前期にまず燃費上有利である第１の再生制御を行ない、再生制御の後期に燃費上は不利であるが上流側のＮＯx 触媒６Ａを過昇温させないで下流側のＮＯx 触媒６Ｂを昇温させることのできる第２の再生制御を行なっているので、ＮＯx 触媒の過昇温による損傷（熱損傷）を防止しつつ再生制御時の燃費の悪化を防止することができる利点がある。
【００４１】
また、本実施形態では、ＮＯx 触媒６Ａ，６Ｂが共に劣化している場合に、まず、第１の再生制御により上流側のＮＯx 触媒６Ａを再生させて、次に、第２の再生制御を実施している。したがって、第２の再生制御時には上流側のＮＯx 触媒６Ａが既に再生されており、第２の再生制御でのリッチ化による還元物質は、上流側のＮＯx 触媒６Ａにより消費されることがなく、下流側のＮＯx 触媒６Ｂを有効に再生しうる利点がある。
【００４２】
なお、本実施形態では、ＮＯx 触媒を２つだけ設けているが、ＮＯx 触媒の数はこれ以上でもよい。また、ＮＯx 触媒を１つのケース内に収めているが、各ＮＯx 触媒を離隔させて別々のケース内に収めるようにしてもよい。また、三元触媒は省略してもよい。
さらに、主燃料噴射と追加燃料噴射とを行なう２段燃焼による第１の再生制御と、主燃料噴射による空燃比のリッチ化及び点火時期のリタードによる第２の再生制御との併用は、実施形態の順序に限定されるものではなく、ＮＯx 触媒の種類や劣化度合いのばらつきなどの各条件によっては、両再生制御の順序を変えたり、これらを繰り返して交互に行なうなどしてもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の内燃機関の排ガス浄化装置によれば、燃費の悪化を抑制し、ＮＯx 触媒の劣化を招くことなく、各ＮＯx 触媒を協働させながら効率良く被毒物質を放出することができるようになり、機関の燃費性能やＮＯx 触媒の耐久性を低下させることなく、ＮＯx 触媒の再生（イオウ分等の被毒物質の放出）によるＮＯx 浄化性能の維持を行なうことができる。
特に、まず、上記第１の再生制御の処理を行ない、その後、上記第２の再生制御の処理を行なうように構成することにより、はじめに第１の再生制御で、少なくとも上流側のＮＯ x 触媒に吸蔵されていた被毒物質（イオウ分）が放出されるため、次の第２の再生制御では、上流側のＮＯ x 触媒が既に再生されており、第２の再生制御でのリッチ化による還元物質は、上流側のＮＯ x 触媒により消費されることがなく、下流側のＮＯ x 触媒を有効に再生できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態としての希薄燃焼内燃機関の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる希薄燃焼内燃機関の模式的構成図である。
【図３】本発明の一実施形態としての希薄燃焼内燃機関による再生制御を説明するフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態としての希薄燃焼内燃機関の再生制御時の温度特性を示す図である。
【符号の説明】
３ 排気通路
６Ａ，６Ｂ 吸蔵型ＮＯX 触媒
２９ 触媒再生制御手段
３２ 劣化判定手段
Claims (2)
- 排気通路内を酸化雰囲気とするように理論空燃比よりも高い空燃比で運転を行なうリーン燃焼運転が可能な希薄燃焼内燃機関において、
該排気通路に、該酸化雰囲気にてＮＯx を吸蔵し還元雰囲気にてＮＯx を放出する少なくとも２つの吸蔵型ＮＯx 触媒が、互いに直列に介装されるとともに、
同一の燃焼サイクル内で、出力トルクを得る主燃焼のための主燃料噴射とは別に、出力トルクに影響しにくいタイミングで燃料噴射を行なう追加燃料噴射を可能に構成されて、
該２つの吸蔵型ＮＯx 触媒に被毒物質が吸蔵されて劣化しているか否かを判定する劣化判定手段と、
該劣化判定手段で劣化していると判定されると、該追加燃料噴射を行なって該主燃料噴射と該追加燃料噴射とによる排ガスの総合空燃比を理論空燃比よりもリッチにさせる第１の再生制御の処理と、該追加燃料噴射は行なわずに該主燃料噴射のみによる排ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにさせると共に主燃焼のための点火時期をリタードさせる第２の再生制御の処理とを順次行なう触媒再生制御手段とをそなえている
ことを特徴とする、希薄燃焼内燃機関。 - 該触媒再生制御手段は、該劣化判定手段で劣化していると判定されると、まず、上記第１の再生制御の処理を行ない、その後、上記第２の再生制御の処理を行なう
ことを特徴とする、請求項１記載の希薄燃焼内燃機関。
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