JP3800080B2 - 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、内燃機関の排気に含まれる有害成分や微粒子等を浄化する排気浄化装置に関し、とくに、ＮＯｘの還元反応を促進する触媒を当該機関の排気系に備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばディーゼルエンジンのように、広い運転領域において高い空燃比（リーン雰囲気）の混合気を燃焼に供して機関運転を行う内燃機関（希薄燃焼可能な内燃機関）では、一般に、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する機能を備えたＮＯｘ触媒がその排気通路に備えられる。ＮＯｘ触媒としては、例えば多孔質セラミックのハニカム構造体（担体）に、酸素の存在下でＮＯｘを吸収する能力を有するＮＯｘ吸蔵剤と、炭化水素（ＨＣ）を酸化させる能力を有する貴金属触媒（貴金属）とを併せて担持したものが採用される。
【０００３】
ＮＯｘ触媒は、排気中の酸素濃度（排気空燃比）が高い状態（リーンな状態）ではＮＯｘを吸収し、排気中の酸素濃度が低い状態ではＮＯｘを放出する特性を有する。また、排気中にＮＯｘが放出されたとき、排気中にＨＣやＣＯ等が存在していれば、貴金属触媒がこれらＨＣやＣＯの酸化反応を促すことで、ＮＯｘを酸化成分、ＨＣやＣＯを還元成分とする酸化還元反応が両者間で起こる。すなわち、ＨＣやＣＯはＣＯ2やＨ2Ｏに酸化され、ＮＯｘはＮ2に還元される。
【０００４】
ところで、ＮＯｘ触媒は排気中の酸素濃度が高い状態にあるときでも所定の限界量のＮＯｘを吸収すると、それ以上ＮＯｘを吸収しなくなる。そこで、このようなＮＯｘ触媒を排気通路に備えた内燃機関では、同ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収量が限界量に達する前に、排気通路のＮＯｘ触媒上流に軽油等の還元剤を供給することで、ＮＯｘ触媒に吸収されたＮＯｘを放出および還元浄化し、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収能力を回復させるといった制御（再生制御）を所定のインターバルで繰り返すのが一般的である。
【０００５】
ところが、内燃機関の燃料には硫黄成分が含まれているのが通常であり、排気中にはＮＯｘの他、このような燃料中の硫黄成分を起源とする硫黄酸化物（ＳＯｘ）も存在する。排気中に存在するＳＯｘは、ＮＯｘに比べてより高い効率でＮＯｘ触媒に吸収され、しかも、同触媒に吸蔵されているＮＯｘを放出するために十分な条件下（排気中の酸素濃度が所定値を下回る条件下）にあっても当該触媒から容易には放出されない。このため、機関運転の継続に伴い、排気中のＳＯｘが徐々にＮＯｘ触媒に堆積していくＳ被毒が生じることとなる。
【０００６】
Ｓ被毒を防止或いは抑制するための方策として、ＮＯｘ触媒の温度を上昇させ（例えば６００℃以上）、排気空燃比を理論空燃比（ストイキ）、若しくはストイキより少し濃いリッチ程度にする制御（以下、Ｓ被毒回復制御という）が知られている（例えば特開２００１−２２７３３３号公報）。Ｓ被毒回復制御を実施することにより、ストイキ、若しくはストイキより少し濃いリッチ程度に調整された排気中の還元成分が、当該触媒に堆積したＳＯｘを高温条件下で分解・除去するようになる。
【０００７】
ところで、ＮＯｘ触媒に堆積した微粒子やＳＯｘの分解・除去を効率的に行うためには、（１）ＮＯｘ触媒の床温が所定値（例えば６００℃）を上回っていること、（２）ＮＯｘ触媒に多量の還元成分が供給されること、といった２つの条件を満たす必要がある。このため、Ｓ被毒回復制御の実施に際しては、予め何らかの方法でＮＯｘ触媒の床温を所定値（例えば６００℃程度）以上にまで上昇させた上で、多量の還元成分をＮＯｘ触媒上流の排気中に供給するといった制御手順を採用するのが一般的である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、排気中の還元成分がＮＯｘ触媒に堆積したＳＯｘ等を分解する際にも、還元成分の反応熱によって同触媒は加熱され続けるため、その床温が過度に上昇してしまう懸念がある。
【０００９】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、内燃機関の排気系において、ＮＯｘ触媒に堆積したＳＯｘ等を分解及び除去する制御を実施するにあたり、同触媒の過熱を好適に防止することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に設けられ、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸蔵し、流入する排気ガスの空燃比がリッチのときに吸蔵したＮＯｘを放出しＮ2に還元する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に還元剤を供給する還元剤供給手段と、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒からＳＯｘを放出させるＳＯｘ被毒回復処理を実行する時期か否かを判定する被毒回復実行時期判定手段と、前記被毒回復実行時期判定手段により実行時期であると判定されたときに、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を昇温させると共に、該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に堆積しているＳＯｘを放出させ、該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒をＳＯｘ被毒から回復させるように、前記還元剤供給手段から断続的に供給される還元剤量を制御する還元剤量制御手段と、を備えることを要旨とする。
【００１１】
なお、このような構成を有する本発明の排気浄化装置は、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を昇温させる前提として、当該触媒の温度が所定値を上回る条件を提供する昇温手段をさらに備えるのが好ましい。ここで、前記還元剤供給手段が前記昇温手段としての機能を兼ね備える構成を適用しても構わない。
【００１２】
例えば、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の温度が所定値を上回る条件下で、当該触媒に流入する排気中に還元成分を連続的に供給すれば、当該機関の運転に伴い前記触媒に徐々に堆積するＳＯｘが分解・除去され、当該触媒による排気浄化機能を再生することが可能となるが、このような還元剤の連続的な供給は、前記触媒の過熱を招来しやすい。ここで、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の温度の挙動は、基本的には当該触媒の熱収支と、当該触媒の物理的或いは化学的な特性とによって決定づけられるが、前記還元成分供給手段による還元剤の供給動作が前記触媒の温度に影響を及ぼすまでには応答遅れが存在する。
【００１３】
上記構成によれば、前記還元剤を断続的に供給することで、前記還元剤の供給動作から所定の応答遅れをもって対応するように変動する当該触媒の熱収支を調整し、例えばオーバシュートによる過熱を事前に防止することで、当該触媒の温度を最適範囲に保持することが容易となる。なお、断続的な供給とは、ＳＯｘを放出するために還元剤を連続して供給し続けないで、触媒温度が、加熱によって当該触媒が劣化しない程度の温度以下になるように、還元剤の供給を途中で中止し、その後、前述の内容を繰り返すようにすることであり、複数回の噴射によって１回の還元剤供給量を賄うことを意味するものではない。
【００１４】
また、前記還元剤供給に対する前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の温度の応答遅れに基づいて、前記還元剤供給手段から供給される還元剤量を補正する還元剤量補正手段を備えるのがよい。
【００１５】
また、前記還元剤量補正手段は、例えば前記還元剤供給手段から還元剤が供給される時間の調整を通じて、前記供給される還元剤量を補正することとしてもよい。この場合、例えば、前記還元剤の供給（入力）に対する前記ＮＯｘ触媒の温度（制御対象）の時定数を予め記憶しておくか、或いは適宜演算・学習し、この時定数に基づいて前記時間を調整（補正）することとしてもよい。
【００１６】
所定時刻において把握された前記触媒の温度に基づき、同時刻における前記還元成分供給手段の動作を制御したとしても、前記還元成分供給手段の動作が前記触媒の温度に反映されるのは所定時間を経た後になる。すなわち、このような制御方法を通じ、前記触媒の温度を所望の範囲に保持するためには、さらなる制御性の向上が望ましい。
【００１７】
上記構成によれば、前記還元剤供給動作に対する前記触媒の熱収支（温度）の応答遅れが、前記触媒の温度制御に高い精度で反映させるようになる。よって、当該触媒に堆積したＳＯｘ等の除去（ＳＯｘ被毒回復）を効率的に行いつつ、当該触媒の過熱を一層確実に防止することができるようになる。従って、ＮＯｘ触媒による安定した排気浄化機能が長期に亘って保証されるようになる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置を、ディーゼルエンジンシステムに適用した第１の実施の形態について説明する。
【００１９】
〔エンジンシステムの構造及び機能〕
図１において、内燃機関（以下、エンジンという）１は、燃料供給系１０、燃焼室２０、吸気系３０及び排気系４０等を主要部として構成される直列４気筒のディーゼルエンジンシステムである。
【００２０】
先ず、燃料供給系１０は、サプライポンプ１１、コモンレール１２、燃料噴射弁１３、遮断弁１４、調量弁１６、還元剤添加弁１７、機関燃料通路Ｐ１及び添加燃料通路Ｐ２等を備えて構成される。
【００２１】
サプライポンプ１１は、燃料タンク（図示略）から汲み上げた燃料を高圧にし、機関燃料通路Ｐ１を介してコモンレール１２に供給する。コモンレール１２は、サプライポンプ１１から供給された高圧燃料を所定圧力に保持（蓄圧）する蓄圧室としての機能を有し、この蓄圧した燃料を各燃料噴射弁１３に分配する。燃料噴射弁１３は、その内部に電磁ソレノイド（図示略）を備えた電磁弁であり、適宜開弁して燃焼室２０内に燃料を噴射供給する。
【００２２】
他方、サプライポンプ１１は、燃料タンクから汲み上げた燃料の一部を添加燃料通路Ｐ２を介して還元剤添加弁１７に供給する。添加燃料通路Ｐ２には、サプライポンプ１１から還元剤添加弁１７に向かって遮断弁１４及び調量弁１６が順次配設されている。遮断弁１４は、緊急時において添加燃料通路Ｐ２を遮断し、燃料供給を停止する。調量弁１６は、還元剤添加弁１７に供給する燃料の圧力（燃圧）ＰＧを制御する。還元剤添加弁１７は、燃料噴射弁１３と同じくその内部に電磁ソレノイド（図示略）を備えた電磁弁であり、還元剤として機能する燃料を、適宜の量、適宜のタイミングで排気系４０の触媒ケーシング４２上流に添加供給する。
【００２３】
吸気系３０は、各燃焼室２０内に供給される吸入空気の通路（吸気通路）を形成する。一方、排気系４０は、各燃焼室２０から排出される排気ガスの通路（排気通路）を形成する。
【００２４】
また、このエンジン１には、周知の過給機（ターボチャージャ）５０が設けられている。ターボチャージャ５０は、シャフト５１を介して連結された回転体５２，５３を備える。一方の回転体（タービンホイール）５２は排気系４０内の排気に晒され、他方の回転体（コンプレッサホイール）５３は、吸気系３０内の吸気に晒される。このような構成を有するターボチャージャ５０は、タービンホイール５２が受ける排気流（排気圧）を利用してコンプレッサホイール５３を回転させ、吸気圧を高めるといったいわゆる過給を行う。
【００２５】
吸気系３０において、ターボチャージャ５０に設けられたインタークーラ３１は、過給によって昇温した吸入空気を強制冷却する。インタークーラ３１よりもさらに下流に設けられたスロットル弁３２は、その開度を無段階に調節することのできる電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸入空気の流路面積を変更し、同吸入空気の供給量（流量）を調整する機能を有する。
【００２６】
また、エンジン１には、燃焼室２０の上流（吸気系３０）及び下流（排気系４０）をバイパスする排気還流通路（ＥＧＲ通路）６０が形成されている。このＥＧＲ通路６０は、排気の一部を適宜吸気系３０に戻す機能を有する。ＥＧＲ通路６０には、電子制御によって無段階に開閉され、同通路を流れる排気（ＥＧＲガス）の流量を自在に調整することができるＥＧＲ弁６１と、ＥＧＲ通路６０を通過（還流）する排気を冷却するためのＥＧＲクーラ６２が設けられている。
【００２７】
また、排気系４０において、同排気系４０及びＥＧＲ通路６０の連絡部位の下流には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、単にＮＯｘ触媒という）を収容した触媒ケーシング４２が設けられている。
【００２８】
また、エンジン１の各部位には、各種センサが取り付けられており、当該部位の環境条件や、エンジン１の運転状態に関する信号を出力する。
【００２９】
すなわち、レール圧センサ７０は、コモンレール１２内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。燃圧センサ７１は、添加燃料通路Ｐ２内を流通する燃料のうち、調量弁１６を介して還元剤添加弁１７に導入される燃料の圧力（燃圧）ＰＧに応じた検出信号を出力する。エアフロメータ７２は、吸気系３０内に導入される空気（吸入空気）の流量（吸気量）ＧＮに応じた検出信号を出力する。空燃比（Ａ／Ｆ）センサ７３は、排気系４０の触媒ケーシング４２上流において排気中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。排気温センサ７４は、排気系４０において触媒ケーシング４２の排気流入部位に取り付けられ、当該部位における排気の温度（排気温度）ＴＥＸに応じた検出信号を出力する。ＮＯｘセンサ７５は、同じく排気系４０の触媒ケーシング４２下流において排気中のＮＯｘ濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。
【００３０】
また、アクセルポジションセンサ７６はエンジン１のアクセルペダル（図示略）に取り付けられ、同ペダルの踏み込み量ＡＣＣに応じた検出信号を出力する。クランク角センサ７７は、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力する。これら各センサ７０〜７７は、電子制御装置（ＥＣＵ）９０と電気的に接続されている。
【００３１】
ＥＣＵ９０は、中央処理装置（ＣＰＵ）９１、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）９２、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）９３及びバックアップＲＡＭ９４、タイマーカウンタ９５等を備え、これら各部９１〜９５と、Ａ／Ｄ変換器を含む外部入力回路９６と、外部出力回路９７とが双方向性バス９８により接続されて構成される論理演算回路を備える。
【００３２】
このように構成されたＥＣＵ９０は、上記各種センサの検出信号を外部入力回路を介して入力し、これら信号に基づき燃料噴射弁１３の開閉弁動作に関する制御や、ＥＧＲ弁６１の開度調整、或いはスロットル弁３２の開度調整等、エンジン１の運転状態に関する各種制御を実施する。
【００３３】
〔触媒ケーシングの構造及び機能〕
次に、以上説明したエンジン１の構成要素のうち、排気系４０に設けられた触媒ケーシング４２について、その構造及び機能を詳しく説明する。
【００３４】
触媒ケーシング４２は、その内部に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＮＯｘ触媒という）を収容する。
【００３５】
ＮＯｘ触媒は、例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を主材料とするハニカム形状の構造体（パティキュレートフィルタ）を担体とし、このパティキュレートフィルタ（担体）の表面にＮＯｘ吸蔵剤として機能する例えばカリウム（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）、或いはイットリウム（Ｙ）のような希土類と、酸化触媒（貴金属触媒）として機能する例えば白金Ｐｔのような貴金属とが担持されることによって構成される。
【００３６】
ＮＯｘ吸蔵剤は、排気中の酸素濃度（排気の空燃比）が高い状態（リーンな状態）ではＮＯｘを吸蔵し、排気中の酸素濃度が低い状態ではＮＯｘを放出する特性を有する。また、排気中にＮＯｘが放出されたとき、排気中にＨＣやＣＯ等が存在していれば、貴金属触媒がこれらＨＣやＣＯの酸化反応を促すことで、ＮＯｘを酸化成分、ＨＣやＣＯを還元成分とする酸化還元反応が両者間で起こる。すなわち、ＨＣやＣＯはＣＯ2やＨ2Ｏに酸化され、ＮＯｘはＮ2に還元される。
【００３７】
一方、ＮＯｘ吸蔵剤は排気中の酸素濃度が高い状態にあるときでも所定の限界量のＮＯｘを吸蔵すると、それ以上ＮＯｘを吸蔵しなくなる。エンジン１では、触媒ケーシング４２内に収容されたＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量が限界量に達する前に、還元剤添加弁１７を通じて排気通路の触媒ケーシング４２上流に還元剤（本実施の形態では燃料）を添加供給することで、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを放出および還元浄化し、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能力を回復させるといった制御を所定のインターバルで繰り返す。
【００３８】
さらに、ＮＯｘ吸蔵剤や貴金属触媒の担体をなすパティキュレートフィルタは、排気中に含まれる煤等の微粒子やＮＯｘ等の有害成分を、以下のメカニズムに基づいて浄化する。
【００３９】
ＮＯｘ触媒が、その構成要素であるＮＯｘ吸蔵剤及び貴金属触媒の協働により、排気中の酸素濃度や還元成分量に応じてＮＯｘの吸蔵、放出及び浄化を繰り返し行うことは上述した通りである。その一方、ＮＯｘ触媒は、このようなＮＯｘの浄化を行う過程で副次的に活性酸素を生成する特性を有する。パティキュレートフィルタを排気が通過する際、その排気中に含まれる煤等の微粒子は構造体（多孔質材料）に捕捉される。ここで、ＮＯｘ触媒の生成する活性酸素は、酸化剤として極めて高い反応性（活性）を有しているため、捕捉された微粒子のうちＮＯｘ触媒の表面や近傍に堆積した微粒子は、この活性酸素と（輝炎を発することなく）速やかに反応し、浄化されることになる。
【００４０】
〔燃料噴射制御の概要〕
ＥＣＵ９０は、各種センサの検出信号から把握されるエンジン１の運転状態に基づき燃料噴射制御を実施する。本実施の形態において燃料噴射制御とは、各燃料噴射弁１３を通じた各燃焼室２０内への燃料噴射の実施に関し、燃料の噴射量Ｑ、噴射タイミング、噴射パターンといったパラメータを設定し、これら設定されたパラメータに基づいて個々の燃料噴射弁１３の開閉弁操作を実行する一連の処理をいう。
【００４１】
ＥＣＵ９０は、このような一連の処理を、エンジン１の運転中所定時間毎に繰り返し行う。燃料の噴射量Ｑ及び噴射タイミングは、基本的にはアクセルペダルへの踏み込み量ＡＣＣおよびエンジン回転数ＮＥ（クランク角センサのパルス信号に基づいて演算することができるパラメータ）に基づき、予め設定されたマップ（図示略）を参照して決定する。
【００４２】
また、燃料の噴射パターンの設定に関し、ＥＣＵ９０は、圧縮上死点近傍での燃料噴射を主噴射として各気筒について行うことで機関出力を得る他、主噴射に先立つ燃料噴射（以下、パイロット噴射という）や、主噴射に後続する燃料噴射（以下、ポスト噴射という）を、副噴射として適宜選択された時期、選択された気筒について行う。
【００４３】
〔パイロット噴射〕
ディーゼルエンジンでは一般に、圧縮行程終期において、燃焼室内が燃料の自己着火を誘発する温度に達する。とくにエンジンの運転状態が中高負荷領域にある場合、燃焼に供される燃料が燃焼室内に一括して噴射供給されると、この燃料は騒音を伴い爆発的に燃焼する。パイロット噴射を実行することにより、主噴射に先立って供給された燃料が熱源（或いは種火）となり、その熱源が燃焼室内で徐々に拡大して燃焼に至るようになるため、燃焼室内における燃料の燃焼状態が比較的緩慢となり、しかも着火遅れ時間が短縮されるようになる。このため、機関運転に伴う騒音が軽減され、さらには排気中のＮＯｘ量も低減される。
【００４４】
〔ポスト噴射〕
ポスト噴射によって燃焼室２０内に供給される燃料は、燃焼ガス中で軽質なＨＣに改質され、排気系４０に排出される。すなわち、還元剤として機能する軽質なＨＣが、ポスト噴射を通じて排気系４０に添加され、排気中の還元成分濃度を高めることとなる。排気系４０に添加された還元成分は、触媒ケーシング４２内のＮＯｘ触媒を介し、同ＮＯｘ触媒から放出されるＮＯｘや、排気中に含まれるその他の酸化成分と反応する。このとき発生する反応熱は、ＮＯｘ触媒の床温を上昇させる。
【００４５】
〔ＥＧＲ制御の概要〕
ＥＣＵ９０は、各種センサの検出信号から把握されるエンジン１の運転状態に基づきＥＧＲ制御を実施する。本実施の形態においてＥＧＲ制御とは、ＥＧＲ通路に設けられた電子制御式の開閉弁（ＥＧＲ弁）６１を操作して、ＥＧＲ通路を通過するガスの流量、言い換えれば排気系４０から吸気系３０に還流される排気の流量調整を行う処理をいう。
【００４６】
目標となるＥＧＲ弁６１の開弁量（以下、目標開弁量）は、基本的にはエンジン１の負荷や回転数等の運転状態に基づき、予め設定されたマップ（図示略）を参照して決定される。ＥＣＵ９０は、この目標開弁量をエンジン１の運転中所定時間毎に更新し、逐次、ＥＧＲ弁６１の実際の開弁量が更新された目標開弁量に合致するよう同ＥＧＲ弁６１の駆動回路に指令信号を出力する。
【００４７】
〔ＥＧＲ制御に基づく低温燃焼〕
こうした一連の処理により排気の一部が吸気系３０に還流されると、その還流量に応じ機関燃焼に供される混合気中の不活性ガス成分が増量することになる。この結果、所定条件下において、排気中のＮＯｘ量が低減される他、スモークがほとんど発生しなくなる。
【００４８】
低温燃焼の実施に伴い排気中の未燃ＨＣ（還元成分）が増量することになるため、結果として、還元剤として機能する軽質なＨＣが排気系４０に添加され排気中の還元成分濃度を高めることとなる。
【００４９】
〔燃料添加制御〕
還元剤添加弁１７を通じ、燃料（還元剤）を排気系４０に直接添加することによっても、ポスト噴射と同様、排気中の還元成分濃度を高め、結果としてＮＯｘ触媒の床温を上昇させることができる。還元剤添加弁１７によって添加された燃料は、ポスト噴射によるものに比べ、排気中においてより高分子の状態を保持しつつ不均一に分布する傾向がある。また、還元剤添加弁１７による燃料添加では、一度に添加することのできる燃料量や添加タイミングの自由度が、ポスト噴射による場合よりも大きい。
【００５０】
〔Ｓ被毒回復制御の概要〕
上記パイロット噴射、ポスト噴射、低温燃焼および燃料添加制御は、共通して排気中の還元成分を増量するように作用するため、何れかの制御を所定のインターバルで繰り返し実施することにより、ＮＯｘ触媒に吸収されたＮＯｘを放出および還元浄化し、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収能力を回復させることができる。
【００５１】
また、ＥＣＵ９０は、エンジン１の機関運転の継続に伴いＮＯｘ触媒に徐々に堆積するＳＯｘ等を除去するために、ＮＯｘ触媒を所定温度（例えば６００℃程度）以上にまで昇温させた上で当該触媒に多量の還元成分を供給する制御（以下、Ｓ被毒回復制御）を実施する。Ｓ被毒回復制御を実施することにより、ＮＯｘ触媒に供給された多量の還元成分が、当該触媒に堆積したＳＯｘを高温条件下で分解・除去するようになる。ここでＥＣＵ９０は、Ｓ被毒回復制御の一環として、ＮＯｘ触媒を所定温度にまで昇温するために上記パイロット噴射、ポスト噴射、低温燃焼および燃料添加制御の何れかを実施する。その上で、例えばＮＯｘ触媒に吸収されたＮＯｘの放出および還元浄化に要する量よりも多量の燃料（還元成分）を、還元剤添加弁１７を通じて排気系のＮＯｘ触媒上流に供給する制御（以下、還元成分供給制御という）を実施する。
【００５２】
ところで、上述したように、Ｓ被毒回復制御では、ＮＯｘ触媒の床温を６００℃以上に保持するといった条件を成立させた上で、排気系内におけるＮＯｘ触媒上流へ多量の還元成分を供給することになる。ところが、排気系内に供給された多量の還元成分は、高温条件下においてＮＯｘ触媒に堆積したＳＯｘ等を分解する機能を発揮する一方、ＮＯｘ触媒の温度をさらに上昇させる特性を有する。このため、通常の運転条件下において、多量の還元成分を排気系のＮＯｘ触媒上流に継続して供給した場合、ＮＯｘ触媒が過熱してしまう懸念がある。
【００５３】
そこでエンジン１では、還元成分供給制御を開始した後、還元剤添加弁１７を通じた燃料の供給及び停止を適宜のタイミングで繰り返すことにより、ＮＯｘ触媒に堆積したＳＯｘを効率的に放出させつつＮＯｘ触媒の過熱を防止する。
【００５４】
図２には、本実施の形態におけるＳ被毒回復制御の実施中であって、とくに「ＮＯｘ触媒の床温が６００℃以上に保持されている」といった条件が成立した後に観測される還元剤添加弁１７への開弁指令信号（図２（ａ））、ＮＯｘ触媒上流における排気の酸素濃度（図２（ｂ））、ＮＯｘ触媒から放出されるＳＯｘの放出量（図２（ｃ））、およびＮＯｘ触媒の床温（図２（ｄ））の推移を同一時間軸上に示すタイムチャートの一例である。なお、図２（ｂ）に示す酸素濃度の基準値Ｃ０は、理論空燃比の混合ガスを燃焼した結果発生する排気の酸素濃度に相当する。ちなみに、排気中の酸素濃度が高くなるということは排気中の還元成分濃度が低くなることを意味し、排気中の酸素濃度が低くなるということは排気中の還元成分濃度が高くなることを意味する（図２（ｂ）参照）。また、図２（ｄ）において、温度Ｔ１は、ＮＯｘ触媒から効率的にＳＯｘを放出させることができる下限温度（本実施の形態では６００℃）に相当し、温度Ｔ２は、過熱によってＮＯｘ触媒の機能が損なわれる虞のない上限温度に相当する。
【００５５】
先ず、図２（ａ）に示すように、ＮＯｘ触媒に堆積したＳＯｘを放出すべきとの要求があり、且つ、ＮＯｘ触媒の床温が６００℃以上に保持されているといった条件が満たされた場合に、ＥＣＵ９０は還元剤添加弁１７を開弁させるための指令信号（以下、開弁指令信号という）を出力し、同弁１７を通じた排気系４０への燃料添加を開始する（時刻ｔ１）。
【００５６】
燃料添加の実施にあたりＥＣＵ９０は、先ず所定期間（以下、供給期間という）Δｔ１に亘って断続的に開弁指令信号を出力することで、還元剤添加弁１７を通じて霧状の燃料を断続的に噴射供給する。その後ＥＣＵ９０は、ＮＯｘ触媒の過熱を抑制すべく開弁指令信号の出力を休止し（時刻ｔ２）、所定時間（以下、休止期間という）Δｔ２を経た後、燃料の噴射供給を再開する。Ｓ被毒回復制御（還元成分供給制御）が開始されると、基本的にはＮＯｘ触媒に堆積したＳＯｘ等が放出されて当該触媒の機能が十分に回復するまで、このような態様で燃料の供給及び休止が繰り返される。
【００５７】
ここで、還元剤添加弁１７を通じた燃料供給の開始（時刻ｔ１）に伴って排気中の酸素濃度は低くなり、基準値Ｃ０を下回るようになる（図２（ｂ））。また、還元剤添加弁１７の開弁動作およびこれに伴う酸素濃度の低下に略同期して、ＮＯｘ触媒から放出されるＳＯｘの量が増大する。また同様に、還元剤添加弁１７による燃料供給の休止（時刻ｔ１）に伴って排気中の酸素濃度は高くなり、基準値Ｃ０を上回るようになる（図２（ｂ））。また、還元剤添加弁１７の開弁動作およびこれに伴う酸素濃度の上昇にほぼ同期して、ＮＯｘ触媒から放出されるＳＯｘの量は低下する（図２（ｃ））。このように、排気中の酸素濃度やＮＯｘ触媒からのＳＯｘ放出量は、還元剤添加弁１７の開閉弁動作に概ね同期して変動する。
【００５８】
一方、ＮＯｘ触媒の床温は、還元剤添加弁１７を通じた燃料供給が開始されることに起因して上昇し、同弁１７による燃料供給が休止されることに起因して下降するが、その応答性や追従性は、排気中の酸素濃度やＮＯｘ触媒からのＳＯｘ放出量の挙動に比べ著しく低い。還元剤添加弁１７の開閉弁動作に対するＮＯｘ触媒床温の応答性や追従性は、ＮＯｘ触媒の物理的・化学的な特性（例えば熱容量）や、当該触媒に流入する排気の特性（例えば温度や流量等）といったパラメータによって決定づけられる。
【００５９】
そこで、本実施の形態におけるＳ被毒回復制御では、ＮＯｘ触媒の物理的・化学的な特性や、当該制御の実行時における排気の特性に基づいて、還元剤添加弁１７の開閉弁動作に対するＮＯｘ触媒床温の応答性や追従性を加味した最適な供給期間Δｔ１や休止期間Δｔ２を設定する。このような制御構造を構築することで、ＮＯｘ触媒に堆積したＳＯｘの放出を効率的に行いつつ、当該触媒の昇温を適正な範囲Ｒ（図２（ｄ）参照）に保持することができる。
【００６０】
〔Ｓ被毒回復制御の具体的な実行手順〕
以下、本実施の形態にかかるＳ被毒（ＳＯｘ被毒）回復制御について、ＥＣＵ９０による具体的な処理内容を説明する。なお、Ｓ被毒回復制御には、ＮＯｘ触媒を所定温度まで昇温するための制御（以下、昇温制御という）と、当該昇温制御に基づいてＮＯｘ触媒が所定温度を上回るようになった条件下でＮＯｘ触媒に多量の還元成分を供給する制御（以下、還元成分供給制御という）とが含まれる。すなわちＥＣＵ９０は、Ｓ被毒回復制御の一環として、昇温制御及び還元成分供給制御を併せて実行することになる。
【００６１】
図３は、昇温制御の実行手順（ルーチン）を示すフローチャートである。本ルーチンは、エンジン１の運転中ＥＣＵ９０を通じて所定時間毎に実行される。
【００６２】
本ルーチンに処理が移行すると、ＥＣＵ９０は先ずステップＳ１０１において、ＳＯｘ被毒回復制御の実行要求があるか否か、言い換えれば、ＮＯｘ触媒に対するＳ被毒が進行しているか否かを判断する。例えば、前回のＳ被毒回復制御を実施した後所定時間が経過した場合、或いはＮＯｘセンサ７５の検出信号の履歴から判断してＮＯｘ触媒によるＮＯｘの浄化機能が低下していると認識される場合、ＥＣＵ９０は、ＮＯｘ触媒への多量の還元成分の供給に先立ち、当該触媒を昇温させる要求があると判断する。
【００６３】
上記ステップＳ１０１での判断が否定である場合、ＥＣＵ９０は本ルーチンを一旦抜ける。一方、同ステップＳ１０１での判断が否定である場合、ＥＣＵ９０はステップＳ１０２に処理を移行し、ＮＯｘ触媒を所定温度（例えば６００℃）以上にまで昇温させ、その状態を保持する処理を行う。すなわち、上記パイロット噴射、ポスト噴射、低温燃焼および燃料添加制御の何れかを実施することにより、ＮＯｘ触媒の床温を６００℃以上に上昇させる（若しくはこの状態に保持する）。同ステップＳ１０２を経た後、ＥＣＵ９０は本ルーチンを一旦抜ける。
【００６４】
図４は、Ｓ被毒回復制御の一環として、昇温制御と併せて実施される還元成分供給制御の実行手順（ルーチン）を示すフローチャートである。本ルーチンもまた、エンジン１の運転中ＥＣＵ９０を通じて所定時間毎に実行される。
【００６５】
本ルーチンに処理が移行すると、ＥＣＵ９０は先ずステップＳ２０１において、Ｓ被毒回復制御の実行要求があるか否かを判断する。そして、その判断が肯定である場合には処理をステップＳ２０２に移行する一方、その判断が否定である場合には本ルーチンを一旦抜ける。ステップＳ２０１での判断が肯定である場合、ＮＯｘ触媒の床温は昇温制御を通じて上昇しつつあるか、６００℃以上である状態を保持していることになる。
【００６６】
そこでＥＣＵ９０は、同ステップＳ２０１での判断が肯定である場合には、ステップＳ２０２において、ＮＯｘ触媒の床温が６００℃以上に達しているか否かを判断する。ＮＯｘ触媒の床温は、例えば排気温度ＴＥＸの履歴に基づいて推定すればよい。同ステップＳ２０２での判断が肯定である場合、ＥＣＵ９０は処理をステップＳ２０３に移行し、その判断が否定である場合には本ルーチンを一旦抜ける。
【００６７】
ステップＳ２０３においてＥＣＵ９０は、現在の排気温度ＴＥＸを認識する。
【００６８】
ステップＳ２０４においてＥＣＵ９０は、排気温度ＴＥＸとＮＯｘ触媒の床温（推定値）とに基づき、図示しないマップを参照して供給期間Δｔ１を設定する（図２（ａ）参照）。そして、今回設定された供給期間Δｔ１に亘り、還元剤添加弁１７を通じた排気系４０への燃料供給を実行する（ステップＳ２０５）。
【００６９】
ステップＳ２０６においては、ＮＯｘ触媒に堆積したＳＯｘの放出が完了したか否かを確認する。ここで、ＳＯｘの放出が完了していないと判断した場合には、ステップＳ２０７において所定の休止期間Δｔ２を設定し、当該期間Δｔ２を経た後（ステップＳ２０８）、次回のルーチンにおいて新たに供給期間Δｔ１を設定した上で、再度の燃料供給を実施することになる。
【００７０】
一方、上記ステップＳ２０６においてＳＯｘの放出が完了したものと判断した場合には、今回のＳ被毒回復制御は完了したものと認識した上で（この認識は、次回のルーチンにおいて、ステップＳ２０１の判断に反映される）、本ルーチンを一旦抜ける。
【００７１】
このような制御構造を適用してＳ被毒回復制御を実施するエンジン１では、ＮＯｘ触媒の温度が所定値（例えば６００℃）を上回る条件下で、ＮＯｘ触媒に流入する排気中に還元成分を連続的に供給することにより、当該エンジン１の運転に伴い前記ＮＯｘ触媒に徐々に堆積するＳＯｘを効率的に分解・除去し、当該ＮＯｘ触媒による排気浄化機能を再生する。
【００７２】
ここで、還元成分の連続的な供給はＮＯｘ触媒の過熱を招来しやすい。ここで、前記ＮＯｘ触媒の温度の挙動は、基本的には前記ＮＯｘ触媒の熱収支と当該触媒の物理的或いは化学的な特性とによって決定づけられるが、前記還元成分供給手段による還元成分の供給動作が前記ＮＯｘ触媒の温度に影響を及ぼすまでには応答遅れが存在する。このため、所定時刻において把握された前記ＮＯｘ触媒の温度に基づき、同時刻における前記還元成分供給手段の動作を制御したとしても、前記還元成分供給手段の動作が前記ＮＯｘ触媒の温度に反映されるのは所定時間を経た後になる。すなわち、このような制御方法を通じて前記ＮＯｘ触媒の温度を所望の範囲に保持することは極めて難しい。
【００７３】
この点、本実施の形態にかかる制御構造によれば、ＮＯｘ触媒の温度制御にそのような応答遅れを反映させることで、ＮＯｘ触媒に堆積したＳＯｘ等の除去を効率的に行いつつ、しかも当該触媒の過熱を確実に防止することができるようになる。
【００７４】
よって、過熱によるＮＯｘ触媒の機能喪失が確実に防止されるため、ＮＯｘ触媒の機能が長期に亘って持続するようになる。
【００７５】
なお、本実施の形態では、還元成分供給制御おいて、ＮＯｘ触媒に流入する排気中に還元成分を連続的に供給する方法として、還元剤添加弁１７を通じて排気系４０に燃料を添加する方法を採用することとした。これに限らず、ポスト噴射等を実行を通じてＮＯｘ触媒に流入する排気中に還元成分を連続的に供給することもできる。
【００７６】
〔他の実施の形態〕
上記実施の形態では、還元成分供給制御に実施にあたり、還元剤添加弁１７を通じた燃料供給の開始時刻（例えば図２中の時刻ｔ１）に供給期間Δｔ１を設定するとともに、燃料供給の終了時刻に休止期間（例えば図２中の時刻ｔ２）に休止期間Δｔ２を設定することとした。このような制御構造を適用する一方で、燃料供給の実施中（供給期間Δｔ１中）、エンジン１の運転状態に関するパラメータを参照しつつ当初設定した供給期間Δｔ１を適宜延長或いは短縮するような制御ロジックや、燃料供給の休止中（休止期間Δｔ２中）、エンジン１の運転状態に関するパラメータを参照しつつ当初設定した休止期間Δｔ２を適宜延長或いは短縮するような制御ロジックを付加してもよい。
【００７７】
例えば図５には、還元成分供給制御の実施にあたり、燃料供給の実施中（供給期間Δｔ１中）に当該供給期間Δｔ１、或いは燃料供給の休止中（休止期間Δｔ２中）に当初設定した各期間Δｔ１，Δｔ２を伸縮するために適用し得る制御ルーチンの一例を示す。
【００７８】
本ルーチンは、先述した還元成分供給制御の実行手順（図４）に替え、エンジン１の運転中ＥＣＵ９０を通じて所定時間毎に実行される。
【００７９】
同ルーチンに処理が移行すると、ＥＣＵ９０は先ずステップＳ３０１において、ＳＯｘ被毒回復制御の実行要求があるか否かを判断する。そして、その判断が肯定である場合には処理をステップＳ３０２に移行する一方、その判断が否定である場合には本ルーチンを一旦抜ける。ステップＳ３０１での判断が肯定である場合、ＮＯｘ触媒の床温は昇温制御を通じて上昇しつつあるか、６００℃以上である状態を保持していることになる。
【００８０】
そこでＥＣＵ９０は、同ステップＳ３０１での判断が肯定である場合には、ステップＳ３０２において、ＮＯｘ触媒の床温が６００℃以上に達しているか否かを判断する。ＮＯｘ触媒の床温は、例えば排気温度ＴＥＸの履歴に基づいて推定すればよい。同ステップＳ３０２での判断が肯定である場合、ＥＣＵ９０は処理をステップＳ３０３に移行し、その判断が否定である場合には本ルーチンを一旦抜ける。
【００８１】
ステップＳ３０３においてＥＣＵ９０は、現在の制御プロセスの認識（供給期間Δｔ１中であるのか休止期間Δｔ２中であるのかについての認識、及び供給期間Δｔ１又は休止期間Δｔ２へ移行した後の経過時間の認識）を行う。例えば、供給期間Δｔ１中であって当該期間Δｔ１に移行後３秒が経過したところであるといった認識や、休止期間Δｔ２中であって当該期間Δｔ２に移行後５秒が経過したところであるといった認識がなされることになる。
【００８２】
続くステップＳ３０４においては、供給期間Δｔ１若しくは休止期間Δｔ２の更新に必要な情報を取得する。ＮＯｘ触媒の床温や排気温度ＴＥＸの変動等が、ここでいう各期間Δｔ１，Δｔ２の更新に必要な情報に相当する。
【００８３】
ステップＳ３０５においては、上記ステップＳ３０４で取得した情報に基づき、供給期間Δｔ１若しくは休止期間Δｔ２の設定又は更新を行う。
【００８４】
最後にＥＣＵ９０は、上記ステップＳ３０５で設定又は更新した供給期間Δｔ１若しくは休止期間Δｔ２に基づき、還元剤添加弁１７を通じた燃料供給の開始、実行継続、休止、又は休止継続、或いは還元成分供給制御の完了といった適宜の処理を行った後（ステップＳ３０６）、本ルーチンを一旦抜ける。
【００８５】
このような制御構造を適用することで、上記実施の形態にかかる還元成分供給制御の緻密性をより高めることができるようになる。すなわち、ＮＯｘ触媒の温度制御に還元剤添加弁１７の系閉弁動作に対するＮＯｘ触媒床温の応答遅れを反映させることで、ＮＯｘ触媒に堆積したＳＯｘ等の除去と、当該触媒の過熱防止とを確実に行うといった効果を一層高めることができる。
【００８６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、還元剤の供給動作から所定の応答遅れをもって対応するように変動する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の熱収支が調整され、当該触媒の温度を最適範囲に保持することが容易となる。
【００８７】
また、前記還元剤供給動作に対する前記触媒の熱収支（温度）の応答遅れが、前記触媒の温度制御に高い精度で反映させるようになる。よって、当該触媒に堆積したＳＯｘ等の除去（ＳＯｘ被毒回復）を効率的に行いつつ、当該触媒の過熱を一層確実に防止することができるようになる。従って、ＮＯｘ触媒による安定した排気浄化機能が長期に亘って保証されるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態にかかるディーゼルエンジンシステムを示す概略構成図。
【図２】 同実施の形態におけるＳ被毒回復制御の実施に伴いＮＯｘ触媒から放出されるＳＯｘの量、およびＮＯｘ触媒の床温の推移を同一時間軸上に示すタイムチャートの一例。
【図３】 同実施の形態における昇温制御の実行手順を示すフローチャート。
【図４】 同実施の形態における還元成分供給制御の実行手順を示すフローチャート。
【図５】 本発明の他の実施の形態において適用される還元成分供給制御の実行手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
１ エンジン（内燃機関）
１０ 燃料供給系
１１ サプライポンプ
１２ コモンレール
１３ 燃料噴射弁
１６ 調量弁
１７ 還元剤添加弁
２０ 燃焼室
３０ 吸気系
３１ インタークーラ
３２ スロットル弁
４０ 排気系
４２ 触媒ケーシング
５０ ターボチャージャ
５１ シャフト
５２ タービンホイール
５３ コンプレッサホイール
６０ ＥＧＲ通路
６１ ＥＧＲ弁
６２ ＥＧＲクーラ
７０ レール圧センサ
７１ 燃圧センサ
７２ エアフロメータ
７３ 空燃比（Ａ／Ｆ）センサ
７４ 排気温センサ
７５ ＮＯｘセンサ
７６ アクセルポジションセンサ
７７ クランク角センサ
９０ 電子制御装置（ＥＣＵ）
９１ 中央処理装置（ＣＰＵ）
９２ 読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）
９３ ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）
９４ バックアップＲＡＭ
９５ タイマーカウンタ
９６ 外部入力回路
９７ 外部出力回路
９８ 双方向性バス
Ｐ１ 機関燃料通路
Ｐ２ 添加燃料通路
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気に含まれる有害成分や微粒子等を浄化する排気浄化装置に関し、とくに、ＮＯｘの還元反応を促進する触媒を当該機関の排気系に備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばディーゼルエンジンのように、広い運転領域において高い空燃比（リーン雰囲気）の混合気を燃焼に供して機関運転を行う内燃機関（希薄燃焼可能な内燃機関）では、一般に、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する機能を備えたＮＯｘ触媒がその排気通路に備えられる。ＮＯｘ触媒としては、例えば多孔質セラミックのハニカム構造体（担体）に、酸素の存在下でＮＯｘを吸収する能力を有するＮＯｘ吸蔵剤と、炭化水素（ＨＣ）を酸化させる能力を有する貴金属触媒（貴金属）とを併せて担持したものが採用される。
【０００３】
ＮＯｘ触媒は、排気中の酸素濃度（排気空燃比）が高い状態（リーンな状態）ではＮＯｘを吸収し、排気中の酸素濃度が低い状態ではＮＯｘを放出する特性を有する。また、排気中にＮＯｘが放出されたとき、排気中にＨＣやＣＯ等が存在していれば、貴金属触媒がこれらＨＣやＣＯの酸化反応を促すことで、ＮＯｘを酸化成分、ＨＣやＣＯを還元成分とする酸化還元反応が両者間で起こる。すなわち、ＨＣやＣＯはＣＯ2やＨ2Ｏに酸化され、ＮＯｘはＮ2に還元される。
【０００４】
ところで、ＮＯｘ触媒は排気中の酸素濃度が高い状態にあるときでも所定の限界量のＮＯｘを吸収すると、それ以上ＮＯｘを吸収しなくなる。そこで、このようなＮＯｘ触媒を排気通路に備えた内燃機関では、同ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収量が限界量に達する前に、排気通路のＮＯｘ触媒上流に軽油等の還元剤を供給することで、ＮＯｘ触媒に吸収されたＮＯｘを放出および還元浄化し、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収能力を回復させるといった制御（再生制御）を所定のインターバルで繰り返すのが一般的である。
【０００５】
ところが、内燃機関の燃料には硫黄成分が含まれているのが通常であり、排気中にはＮＯｘの他、このような燃料中の硫黄成分を起源とする硫黄酸化物（ＳＯｘ）も存在する。排気中に存在するＳＯｘは、ＮＯｘに比べてより高い効率でＮＯｘ触媒に吸収され、しかも、同触媒に吸蔵されているＮＯｘを放出するために十分な条件下（排気中の酸素濃度が所定値を下回る条件下）にあっても当該触媒から容易には放出されない。このため、機関運転の継続に伴い、排気中のＳＯｘが徐々にＮＯｘ触媒に堆積していくＳ被毒が生じることとなる。
【０００６】
Ｓ被毒を防止或いは抑制するための方策として、ＮＯｘ触媒の温度を上昇させ（例えば６００℃以上）、排気空燃比を理論空燃比（ストイキ）、若しくはストイキより少し濃いリッチ程度にする制御（以下、Ｓ被毒回復制御という）が知られている（例えば特開２００１−２２７３３３号公報）。Ｓ被毒回復制御を実施することにより、ストイキ、若しくはストイキより少し濃いリッチ程度に調整された排気中の還元成分が、当該触媒に堆積したＳＯｘを高温条件下で分解・除去するようになる。
【０００７】
ところで、ＮＯｘ触媒に堆積した微粒子やＳＯｘの分解・除去を効率的に行うためには、（１）ＮＯｘ触媒の床温が所定値（例えば６００℃）を上回っていること、（２）ＮＯｘ触媒に多量の還元成分が供給されること、といった２つの条件を満たす必要がある。このため、Ｓ被毒回復制御の実施に際しては、予め何らかの方法でＮＯｘ触媒の床温を所定値（例えば６００℃程度）以上にまで上昇させた上で、多量の還元成分をＮＯｘ触媒上流の排気中に供給するといった制御手順を採用するのが一般的である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、排気中の還元成分がＮＯｘ触媒に堆積したＳＯｘ等を分解する際にも、還元成分の反応熱によって同触媒は加熱され続けるため、その床温が過度に上昇してしまう懸念がある。
【０００９】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、内燃機関の排気系において、ＮＯｘ触媒に堆積したＳＯｘ等を分解及び除去する制御を実施するにあたり、同触媒の過熱を好適に防止することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に設けられ、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸蔵し、流入する排気ガスの空燃比がリッチのときに吸蔵したＮＯｘを放出しＮ2に還元する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に還元剤を供給する還元剤供給手段と、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒からＳＯｘを放出させるＳＯｘ被毒回復処理を実行する時期か否かを判定する被毒回復実行時期判定手段と、前記被毒回復実行時期判定手段により実行時期であると判定されたときに、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を昇温させると共に、該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に堆積しているＳＯｘを放出させ、該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒をＳＯｘ被毒から回復させるように、前記還元剤供給手段から断続的に供給される還元剤量を制御する還元剤量制御手段と、を備えることを要旨とする。
【００１１】
なお、このような構成を有する本発明の排気浄化装置は、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を昇温させる前提として、当該触媒の温度が所定値を上回る条件を提供する昇温手段をさらに備えるのが好ましい。ここで、前記還元剤供給手段が前記昇温手段としての機能を兼ね備える構成を適用しても構わない。
【００１２】
例えば、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の温度が所定値を上回る条件下で、当該触媒に流入する排気中に還元成分を連続的に供給すれば、当該機関の運転に伴い前記触媒に徐々に堆積するＳＯｘが分解・除去され、当該触媒による排気浄化機能を再生することが可能となるが、このような還元剤の連続的な供給は、前記触媒の過熱を招来しやすい。ここで、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の温度の挙動は、基本的には当該触媒の熱収支と、当該触媒の物理的或いは化学的な特性とによって決定づけられるが、前記還元成分供給手段による還元剤の供給動作が前記触媒の温度に影響を及ぼすまでには応答遅れが存在する。
【００１３】
上記構成によれば、前記還元剤を断続的に供給することで、前記還元剤の供給動作から所定の応答遅れをもって対応するように変動する当該触媒の熱収支を調整し、例えばオーバシュートによる過熱を事前に防止することで、当該触媒の温度を最適範囲に保持することが容易となる。なお、断続的な供給とは、ＳＯｘを放出するために還元剤を連続して供給し続けないで、触媒温度が、加熱によって当該触媒が劣化しない程度の温度以下になるように、還元剤の供給を途中で中止し、その後、前述の内容を繰り返すようにすることであり、複数回の噴射によって１回の還元剤供給量を賄うことを意味するものではない。
【００１４】
また、前記還元剤供給に対する前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の温度の応答遅れに基づいて、前記還元剤供給手段から供給される還元剤量を補正する還元剤量補正手段を備えるのがよい。
【００１５】
また、前記還元剤量補正手段は、例えば前記還元剤供給手段から還元剤が供給される時間の調整を通じて、前記供給される還元剤量を補正することとしてもよい。この場合、例えば、前記還元剤の供給（入力）に対する前記ＮＯｘ触媒の温度（制御対象）の時定数を予め記憶しておくか、或いは適宜演算・学習し、この時定数に基づいて前記時間を調整（補正）することとしてもよい。
【００１６】
所定時刻において把握された前記触媒の温度に基づき、同時刻における前記還元成分供給手段の動作を制御したとしても、前記還元成分供給手段の動作が前記触媒の温度に反映されるのは所定時間を経た後になる。すなわち、このような制御方法を通じ、前記触媒の温度を所望の範囲に保持するためには、さらなる制御性の向上が望ましい。
【００１７】
上記構成によれば、前記還元剤供給動作に対する前記触媒の熱収支（温度）の応答遅れが、前記触媒の温度制御に高い精度で反映させるようになる。よって、当該触媒に堆積したＳＯｘ等の除去（ＳＯｘ被毒回復）を効率的に行いつつ、当該触媒の過熱を一層確実に防止することができるようになる。従って、ＮＯｘ触媒による安定した排気浄化機能が長期に亘って保証されるようになる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置を、ディーゼルエンジンシステムに適用した第１の実施の形態について説明する。
【００１９】
〔エンジンシステムの構造及び機能〕
図１において、内燃機関（以下、エンジンという）１は、燃料供給系１０、燃焼室２０、吸気系３０及び排気系４０等を主要部として構成される直列４気筒のディーゼルエンジンシステムである。
【００２０】
先ず、燃料供給系１０は、サプライポンプ１１、コモンレール１２、燃料噴射弁１３、遮断弁１４、調量弁１６、還元剤添加弁１７、機関燃料通路Ｐ１及び添加燃料通路Ｐ２等を備えて構成される。
【００２１】
サプライポンプ１１は、燃料タンク（図示略）から汲み上げた燃料を高圧にし、機関燃料通路Ｐ１を介してコモンレール１２に供給する。コモンレール１２は、サプライポンプ１１から供給された高圧燃料を所定圧力に保持（蓄圧）する蓄圧室としての機能を有し、この蓄圧した燃料を各燃料噴射弁１３に分配する。燃料噴射弁１３は、その内部に電磁ソレノイド（図示略）を備えた電磁弁であり、適宜開弁して燃焼室２０内に燃料を噴射供給する。
【００２２】
他方、サプライポンプ１１は、燃料タンクから汲み上げた燃料の一部を添加燃料通路Ｐ２を介して還元剤添加弁１７に供給する。添加燃料通路Ｐ２には、サプライポンプ１１から還元剤添加弁１７に向かって遮断弁１４及び調量弁１６が順次配設されている。遮断弁１４は、緊急時において添加燃料通路Ｐ２を遮断し、燃料供給を停止する。調量弁１６は、還元剤添加弁１７に供給する燃料の圧力（燃圧）ＰＧを制御する。還元剤添加弁１７は、燃料噴射弁１３と同じくその内部に電磁ソレノイド（図示略）を備えた電磁弁であり、還元剤として機能する燃料を、適宜の量、適宜のタイミングで排気系４０の触媒ケーシング４２上流に添加供給する。
【００２３】
吸気系３０は、各燃焼室２０内に供給される吸入空気の通路（吸気通路）を形成する。一方、排気系４０は、各燃焼室２０から排出される排気ガスの通路（排気通路）を形成する。
【００２４】
また、このエンジン１には、周知の過給機（ターボチャージャ）５０が設けられている。ターボチャージャ５０は、シャフト５１を介して連結された回転体５２，５３を備える。一方の回転体（タービンホイール）５２は排気系４０内の排気に晒され、他方の回転体（コンプレッサホイール）５３は、吸気系３０内の吸気に晒される。このような構成を有するターボチャージャ５０は、タービンホイール５２が受ける排気流（排気圧）を利用してコンプレッサホイール５３を回転させ、吸気圧を高めるといったいわゆる過給を行う。
【００２５】
吸気系３０において、ターボチャージャ５０に設けられたインタークーラ３１は、過給によって昇温した吸入空気を強制冷却する。インタークーラ３１よりもさらに下流に設けられたスロットル弁３２は、その開度を無段階に調節することのできる電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸入空気の流路面積を変更し、同吸入空気の供給量（流量）を調整する機能を有する。
【００２６】
また、エンジン１には、燃焼室２０の上流（吸気系３０）及び下流（排気系４０）をバイパスする排気還流通路（ＥＧＲ通路）６０が形成されている。このＥＧＲ通路６０は、排気の一部を適宜吸気系３０に戻す機能を有する。ＥＧＲ通路６０には、電子制御によって無段階に開閉され、同通路を流れる排気（ＥＧＲガス）の流量を自在に調整することができるＥＧＲ弁６１と、ＥＧＲ通路６０を通過（還流）する排気を冷却するためのＥＧＲクーラ６２が設けられている。
【００２７】
また、排気系４０において、同排気系４０及びＥＧＲ通路６０の連絡部位の下流には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、単にＮＯｘ触媒という）を収容した触媒ケーシング４２が設けられている。
【００２８】
また、エンジン１の各部位には、各種センサが取り付けられており、当該部位の環境条件や、エンジン１の運転状態に関する信号を出力する。
【００２９】
すなわち、レール圧センサ７０は、コモンレール１２内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。燃圧センサ７１は、添加燃料通路Ｐ２内を流通する燃料のうち、調量弁１６を介して還元剤添加弁１７に導入される燃料の圧力（燃圧）ＰＧに応じた検出信号を出力する。エアフロメータ７２は、吸気系３０内に導入される空気（吸入空気）の流量（吸気量）ＧＮに応じた検出信号を出力する。空燃比（Ａ／Ｆ）センサ７３は、排気系４０の触媒ケーシング４２上流において排気中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。排気温センサ７４は、排気系４０において触媒ケーシング４２の排気流入部位に取り付けられ、当該部位における排気の温度（排気温度）ＴＥＸに応じた検出信号を出力する。ＮＯｘセンサ７５は、同じく排気系４０の触媒ケーシング４２下流において排気中のＮＯｘ濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。
【００３０】
また、アクセルポジションセンサ７６はエンジン１のアクセルペダル（図示略）に取り付けられ、同ペダルの踏み込み量ＡＣＣに応じた検出信号を出力する。クランク角センサ７７は、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力する。これら各センサ７０〜７７は、電子制御装置（ＥＣＵ）９０と電気的に接続されている。
【００３１】
ＥＣＵ９０は、中央処理装置（ＣＰＵ）９１、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）９２、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）９３及びバックアップＲＡＭ９４、タイマーカウンタ９５等を備え、これら各部９１〜９５と、Ａ／Ｄ変換器を含む外部入力回路９６と、外部出力回路９７とが双方向性バス９８により接続されて構成される論理演算回路を備える。
【００３２】
このように構成されたＥＣＵ９０は、上記各種センサの検出信号を外部入力回路を介して入力し、これら信号に基づき燃料噴射弁１３の開閉弁動作に関する制御や、ＥＧＲ弁６１の開度調整、或いはスロットル弁３２の開度調整等、エンジン１の運転状態に関する各種制御を実施する。
【００３３】
〔触媒ケーシングの構造及び機能〕
次に、以上説明したエンジン１の構成要素のうち、排気系４０に設けられた触媒ケーシング４２について、その構造及び機能を詳しく説明する。
【００３４】
触媒ケーシング４２は、その内部に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＮＯｘ触媒という）を収容する。
【００３５】
ＮＯｘ触媒は、例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を主材料とするハニカム形状の構造体（パティキュレートフィルタ）を担体とし、このパティキュレートフィルタ（担体）の表面にＮＯｘ吸蔵剤として機能する例えばカリウム（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）、或いはイットリウム（Ｙ）のような希土類と、酸化触媒（貴金属触媒）として機能する例えば白金Ｐｔのような貴金属とが担持されることによって構成される。
【００３６】
ＮＯｘ吸蔵剤は、排気中の酸素濃度（排気の空燃比）が高い状態（リーンな状態）ではＮＯｘを吸蔵し、排気中の酸素濃度が低い状態ではＮＯｘを放出する特性を有する。また、排気中にＮＯｘが放出されたとき、排気中にＨＣやＣＯ等が存在していれば、貴金属触媒がこれらＨＣやＣＯの酸化反応を促すことで、ＮＯｘを酸化成分、ＨＣやＣＯを還元成分とする酸化還元反応が両者間で起こる。すなわち、ＨＣやＣＯはＣＯ2やＨ2Ｏに酸化され、ＮＯｘはＮ2に還元される。
【００３７】
一方、ＮＯｘ吸蔵剤は排気中の酸素濃度が高い状態にあるときでも所定の限界量のＮＯｘを吸蔵すると、それ以上ＮＯｘを吸蔵しなくなる。エンジン１では、触媒ケーシング４２内に収容されたＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量が限界量に達する前に、還元剤添加弁１７を通じて排気通路の触媒ケーシング４２上流に還元剤（本実施の形態では燃料）を添加供給することで、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを放出および還元浄化し、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能力を回復させるといった制御を所定のインターバルで繰り返す。
【００３８】
さらに、ＮＯｘ吸蔵剤や貴金属触媒の担体をなすパティキュレートフィルタは、排気中に含まれる煤等の微粒子やＮＯｘ等の有害成分を、以下のメカニズムに基づいて浄化する。
【００３９】
ＮＯｘ触媒が、その構成要素であるＮＯｘ吸蔵剤及び貴金属触媒の協働により、排気中の酸素濃度や還元成分量に応じてＮＯｘの吸蔵、放出及び浄化を繰り返し行うことは上述した通りである。その一方、ＮＯｘ触媒は、このようなＮＯｘの浄化を行う過程で副次的に活性酸素を生成する特性を有する。パティキュレートフィルタを排気が通過する際、その排気中に含まれる煤等の微粒子は構造体（多孔質材料）に捕捉される。ここで、ＮＯｘ触媒の生成する活性酸素は、酸化剤として極めて高い反応性（活性）を有しているため、捕捉された微粒子のうちＮＯｘ触媒の表面や近傍に堆積した微粒子は、この活性酸素と（輝炎を発することなく）速やかに反応し、浄化されることになる。
【００４０】
〔燃料噴射制御の概要〕
ＥＣＵ９０は、各種センサの検出信号から把握されるエンジン１の運転状態に基づき燃料噴射制御を実施する。本実施の形態において燃料噴射制御とは、各燃料噴射弁１３を通じた各燃焼室２０内への燃料噴射の実施に関し、燃料の噴射量Ｑ、噴射タイミング、噴射パターンといったパラメータを設定し、これら設定されたパラメータに基づいて個々の燃料噴射弁１３の開閉弁操作を実行する一連の処理をいう。
【００４１】
ＥＣＵ９０は、このような一連の処理を、エンジン１の運転中所定時間毎に繰り返し行う。燃料の噴射量Ｑ及び噴射タイミングは、基本的にはアクセルペダルへの踏み込み量ＡＣＣおよびエンジン回転数ＮＥ（クランク角センサのパルス信号に基づいて演算することができるパラメータ）に基づき、予め設定されたマップ（図示略）を参照して決定する。
【００４２】
また、燃料の噴射パターンの設定に関し、ＥＣＵ９０は、圧縮上死点近傍での燃料噴射を主噴射として各気筒について行うことで機関出力を得る他、主噴射に先立つ燃料噴射（以下、パイロット噴射という）や、主噴射に後続する燃料噴射（以下、ポスト噴射という）を、副噴射として適宜選択された時期、選択された気筒について行う。
【００４３】
〔パイロット噴射〕
ディーゼルエンジンでは一般に、圧縮行程終期において、燃焼室内が燃料の自己着火を誘発する温度に達する。とくにエンジンの運転状態が中高負荷領域にある場合、燃焼に供される燃料が燃焼室内に一括して噴射供給されると、この燃料は騒音を伴い爆発的に燃焼する。パイロット噴射を実行することにより、主噴射に先立って供給された燃料が熱源（或いは種火）となり、その熱源が燃焼室内で徐々に拡大して燃焼に至るようになるため、燃焼室内における燃料の燃焼状態が比較的緩慢となり、しかも着火遅れ時間が短縮されるようになる。このため、機関運転に伴う騒音が軽減され、さらには排気中のＮＯｘ量も低減される。
【００４４】
〔ポスト噴射〕
ポスト噴射によって燃焼室２０内に供給される燃料は、燃焼ガス中で軽質なＨＣに改質され、排気系４０に排出される。すなわち、還元剤として機能する軽質なＨＣが、ポスト噴射を通じて排気系４０に添加され、排気中の還元成分濃度を高めることとなる。排気系４０に添加された還元成分は、触媒ケーシング４２内のＮＯｘ触媒を介し、同ＮＯｘ触媒から放出されるＮＯｘや、排気中に含まれるその他の酸化成分と反応する。このとき発生する反応熱は、ＮＯｘ触媒の床温を上昇させる。
【００４５】
〔ＥＧＲ制御の概要〕
ＥＣＵ９０は、各種センサの検出信号から把握されるエンジン１の運転状態に基づきＥＧＲ制御を実施する。本実施の形態においてＥＧＲ制御とは、ＥＧＲ通路に設けられた電子制御式の開閉弁（ＥＧＲ弁）６１を操作して、ＥＧＲ通路を通過するガスの流量、言い換えれば排気系４０から吸気系３０に還流される排気の流量調整を行う処理をいう。
【００４６】
目標となるＥＧＲ弁６１の開弁量（以下、目標開弁量）は、基本的にはエンジン１の負荷や回転数等の運転状態に基づき、予め設定されたマップ（図示略）を参照して決定される。ＥＣＵ９０は、この目標開弁量をエンジン１の運転中所定時間毎に更新し、逐次、ＥＧＲ弁６１の実際の開弁量が更新された目標開弁量に合致するよう同ＥＧＲ弁６１の駆動回路に指令信号を出力する。
【００４７】
〔ＥＧＲ制御に基づく低温燃焼〕
こうした一連の処理により排気の一部が吸気系３０に還流されると、その還流量に応じ機関燃焼に供される混合気中の不活性ガス成分が増量することになる。この結果、所定条件下において、排気中のＮＯｘ量が低減される他、スモークがほとんど発生しなくなる。
【００４８】
低温燃焼の実施に伴い排気中の未燃ＨＣ（還元成分）が増量することになるため、結果として、還元剤として機能する軽質なＨＣが排気系４０に添加され排気中の還元成分濃度を高めることとなる。
【００４９】
〔燃料添加制御〕
還元剤添加弁１７を通じ、燃料（還元剤）を排気系４０に直接添加することによっても、ポスト噴射と同様、排気中の還元成分濃度を高め、結果としてＮＯｘ触媒の床温を上昇させることができる。還元剤添加弁１７によって添加された燃料は、ポスト噴射によるものに比べ、排気中においてより高分子の状態を保持しつつ不均一に分布する傾向がある。また、還元剤添加弁１７による燃料添加では、一度に添加することのできる燃料量や添加タイミングの自由度が、ポスト噴射による場合よりも大きい。
【００５０】
〔Ｓ被毒回復制御の概要〕
上記パイロット噴射、ポスト噴射、低温燃焼および燃料添加制御は、共通して排気中の還元成分を増量するように作用するため、何れかの制御を所定のインターバルで繰り返し実施することにより、ＮＯｘ触媒に吸収されたＮＯｘを放出および還元浄化し、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収能力を回復させることができる。
【００５１】
また、ＥＣＵ９０は、エンジン１の機関運転の継続に伴いＮＯｘ触媒に徐々に堆積するＳＯｘ等を除去するために、ＮＯｘ触媒を所定温度（例えば６００℃程度）以上にまで昇温させた上で当該触媒に多量の還元成分を供給する制御（以下、Ｓ被毒回復制御）を実施する。Ｓ被毒回復制御を実施することにより、ＮＯｘ触媒に供給された多量の還元成分が、当該触媒に堆積したＳＯｘを高温条件下で分解・除去するようになる。ここでＥＣＵ９０は、Ｓ被毒回復制御の一環として、ＮＯｘ触媒を所定温度にまで昇温するために上記パイロット噴射、ポスト噴射、低温燃焼および燃料添加制御の何れかを実施する。その上で、例えばＮＯｘ触媒に吸収されたＮＯｘの放出および還元浄化に要する量よりも多量の燃料（還元成分）を、還元剤添加弁１７を通じて排気系のＮＯｘ触媒上流に供給する制御（以下、還元成分供給制御という）を実施する。
【００５２】
ところで、上述したように、Ｓ被毒回復制御では、ＮＯｘ触媒の床温を６００℃以上に保持するといった条件を成立させた上で、排気系内におけるＮＯｘ触媒上流へ多量の還元成分を供給することになる。ところが、排気系内に供給された多量の還元成分は、高温条件下においてＮＯｘ触媒に堆積したＳＯｘ等を分解する機能を発揮する一方、ＮＯｘ触媒の温度をさらに上昇させる特性を有する。このため、通常の運転条件下において、多量の還元成分を排気系のＮＯｘ触媒上流に継続して供給した場合、ＮＯｘ触媒が過熱してしまう懸念がある。
【００５３】
そこでエンジン１では、還元成分供給制御を開始した後、還元剤添加弁１７を通じた燃料の供給及び停止を適宜のタイミングで繰り返すことにより、ＮＯｘ触媒に堆積したＳＯｘを効率的に放出させつつＮＯｘ触媒の過熱を防止する。
【００５４】
図２には、本実施の形態におけるＳ被毒回復制御の実施中であって、とくに「ＮＯｘ触媒の床温が６００℃以上に保持されている」といった条件が成立した後に観測される還元剤添加弁１７への開弁指令信号（図２（ａ））、ＮＯｘ触媒上流における排気の酸素濃度（図２（ｂ））、ＮＯｘ触媒から放出されるＳＯｘの放出量（図２（ｃ））、およびＮＯｘ触媒の床温（図２（ｄ））の推移を同一時間軸上に示すタイムチャートの一例である。なお、図２（ｂ）に示す酸素濃度の基準値Ｃ０は、理論空燃比の混合ガスを燃焼した結果発生する排気の酸素濃度に相当する。ちなみに、排気中の酸素濃度が高くなるということは排気中の還元成分濃度が低くなることを意味し、排気中の酸素濃度が低くなるということは排気中の還元成分濃度が高くなることを意味する（図２（ｂ）参照）。また、図２（ｄ）において、温度Ｔ１は、ＮＯｘ触媒から効率的にＳＯｘを放出させることができる下限温度（本実施の形態では６００℃）に相当し、温度Ｔ２は、過熱によってＮＯｘ触媒の機能が損なわれる虞のない上限温度に相当する。
【００５５】
先ず、図２（ａ）に示すように、ＮＯｘ触媒に堆積したＳＯｘを放出すべきとの要求があり、且つ、ＮＯｘ触媒の床温が６００℃以上に保持されているといった条件が満たされた場合に、ＥＣＵ９０は還元剤添加弁１７を開弁させるための指令信号（以下、開弁指令信号という）を出力し、同弁１７を通じた排気系４０への燃料添加を開始する（時刻ｔ１）。
【００５６】
燃料添加の実施にあたりＥＣＵ９０は、先ず所定期間（以下、供給期間という）Δｔ１に亘って断続的に開弁指令信号を出力することで、還元剤添加弁１７を通じて霧状の燃料を断続的に噴射供給する。その後ＥＣＵ９０は、ＮＯｘ触媒の過熱を抑制すべく開弁指令信号の出力を休止し（時刻ｔ２）、所定時間（以下、休止期間という）Δｔ２を経た後、燃料の噴射供給を再開する。Ｓ被毒回復制御（還元成分供給制御）が開始されると、基本的にはＮＯｘ触媒に堆積したＳＯｘ等が放出されて当該触媒の機能が十分に回復するまで、このような態様で燃料の供給及び休止が繰り返される。
【００５７】
ここで、還元剤添加弁１７を通じた燃料供給の開始（時刻ｔ１）に伴って排気中の酸素濃度は低くなり、基準値Ｃ０を下回るようになる（図２（ｂ））。また、還元剤添加弁１７の開弁動作およびこれに伴う酸素濃度の低下に略同期して、ＮＯｘ触媒から放出されるＳＯｘの量が増大する。また同様に、還元剤添加弁１７による燃料供給の休止（時刻ｔ１）に伴って排気中の酸素濃度は高くなり、基準値Ｃ０を上回るようになる（図２（ｂ））。また、還元剤添加弁１７の開弁動作およびこれに伴う酸素濃度の上昇にほぼ同期して、ＮＯｘ触媒から放出されるＳＯｘの量は低下する（図２（ｃ））。このように、排気中の酸素濃度やＮＯｘ触媒からのＳＯｘ放出量は、還元剤添加弁１７の開閉弁動作に概ね同期して変動する。
【００５８】
一方、ＮＯｘ触媒の床温は、還元剤添加弁１７を通じた燃料供給が開始されることに起因して上昇し、同弁１７による燃料供給が休止されることに起因して下降するが、その応答性や追従性は、排気中の酸素濃度やＮＯｘ触媒からのＳＯｘ放出量の挙動に比べ著しく低い。還元剤添加弁１７の開閉弁動作に対するＮＯｘ触媒床温の応答性や追従性は、ＮＯｘ触媒の物理的・化学的な特性（例えば熱容量）や、当該触媒に流入する排気の特性（例えば温度や流量等）といったパラメータによって決定づけられる。
【００５９】
そこで、本実施の形態におけるＳ被毒回復制御では、ＮＯｘ触媒の物理的・化学的な特性や、当該制御の実行時における排気の特性に基づいて、還元剤添加弁１７の開閉弁動作に対するＮＯｘ触媒床温の応答性や追従性を加味した最適な供給期間Δｔ１や休止期間Δｔ２を設定する。このような制御構造を構築することで、ＮＯｘ触媒に堆積したＳＯｘの放出を効率的に行いつつ、当該触媒の昇温を適正な範囲Ｒ（図２（ｄ）参照）に保持することができる。
【００６０】
〔Ｓ被毒回復制御の具体的な実行手順〕
以下、本実施の形態にかかるＳ被毒（ＳＯｘ被毒）回復制御について、ＥＣＵ９０による具体的な処理内容を説明する。なお、Ｓ被毒回復制御には、ＮＯｘ触媒を所定温度まで昇温するための制御（以下、昇温制御という）と、当該昇温制御に基づいてＮＯｘ触媒が所定温度を上回るようになった条件下でＮＯｘ触媒に多量の還元成分を供給する制御（以下、還元成分供給制御という）とが含まれる。すなわちＥＣＵ９０は、Ｓ被毒回復制御の一環として、昇温制御及び還元成分供給制御を併せて実行することになる。
【００６１】
図３は、昇温制御の実行手順（ルーチン）を示すフローチャートである。本ルーチンは、エンジン１の運転中ＥＣＵ９０を通じて所定時間毎に実行される。
【００６２】
本ルーチンに処理が移行すると、ＥＣＵ９０は先ずステップＳ１０１において、ＳＯｘ被毒回復制御の実行要求があるか否か、言い換えれば、ＮＯｘ触媒に対するＳ被毒が進行しているか否かを判断する。例えば、前回のＳ被毒回復制御を実施した後所定時間が経過した場合、或いはＮＯｘセンサ７５の検出信号の履歴から判断してＮＯｘ触媒によるＮＯｘの浄化機能が低下していると認識される場合、ＥＣＵ９０は、ＮＯｘ触媒への多量の還元成分の供給に先立ち、当該触媒を昇温させる要求があると判断する。
【００６３】
上記ステップＳ１０１での判断が否定である場合、ＥＣＵ９０は本ルーチンを一旦抜ける。一方、同ステップＳ１０１での判断が否定である場合、ＥＣＵ９０はステップＳ１０２に処理を移行し、ＮＯｘ触媒を所定温度（例えば６００℃）以上にまで昇温させ、その状態を保持する処理を行う。すなわち、上記パイロット噴射、ポスト噴射、低温燃焼および燃料添加制御の何れかを実施することにより、ＮＯｘ触媒の床温を６００℃以上に上昇させる（若しくはこの状態に保持する）。同ステップＳ１０２を経た後、ＥＣＵ９０は本ルーチンを一旦抜ける。
【００６４】
図４は、Ｓ被毒回復制御の一環として、昇温制御と併せて実施される還元成分供給制御の実行手順（ルーチン）を示すフローチャートである。本ルーチンもまた、エンジン１の運転中ＥＣＵ９０を通じて所定時間毎に実行される。
【００６５】
本ルーチンに処理が移行すると、ＥＣＵ９０は先ずステップＳ２０１において、Ｓ被毒回復制御の実行要求があるか否かを判断する。そして、その判断が肯定である場合には処理をステップＳ２０２に移行する一方、その判断が否定である場合には本ルーチンを一旦抜ける。ステップＳ２０１での判断が肯定である場合、ＮＯｘ触媒の床温は昇温制御を通じて上昇しつつあるか、６００℃以上である状態を保持していることになる。
【００６６】
そこでＥＣＵ９０は、同ステップＳ２０１での判断が肯定である場合には、ステップＳ２０２において、ＮＯｘ触媒の床温が６００℃以上に達しているか否かを判断する。ＮＯｘ触媒の床温は、例えば排気温度ＴＥＸの履歴に基づいて推定すればよい。同ステップＳ２０２での判断が肯定である場合、ＥＣＵ９０は処理をステップＳ２０３に移行し、その判断が否定である場合には本ルーチンを一旦抜ける。
【００６７】
ステップＳ２０３においてＥＣＵ９０は、現在の排気温度ＴＥＸを認識する。
【００６８】
ステップＳ２０４においてＥＣＵ９０は、排気温度ＴＥＸとＮＯｘ触媒の床温（推定値）とに基づき、図示しないマップを参照して供給期間Δｔ１を設定する（図２（ａ）参照）。そして、今回設定された供給期間Δｔ１に亘り、還元剤添加弁１７を通じた排気系４０への燃料供給を実行する（ステップＳ２０５）。
【００６９】
ステップＳ２０６においては、ＮＯｘ触媒に堆積したＳＯｘの放出が完了したか否かを確認する。ここで、ＳＯｘの放出が完了していないと判断した場合には、ステップＳ２０７において所定の休止期間Δｔ２を設定し、当該期間Δｔ２を経た後（ステップＳ２０８）、次回のルーチンにおいて新たに供給期間Δｔ１を設定した上で、再度の燃料供給を実施することになる。
【００７０】
一方、上記ステップＳ２０６においてＳＯｘの放出が完了したものと判断した場合には、今回のＳ被毒回復制御は完了したものと認識した上で（この認識は、次回のルーチンにおいて、ステップＳ２０１の判断に反映される）、本ルーチンを一旦抜ける。
【００７１】
このような制御構造を適用してＳ被毒回復制御を実施するエンジン１では、ＮＯｘ触媒の温度が所定値（例えば６００℃）を上回る条件下で、ＮＯｘ触媒に流入する排気中に還元成分を連続的に供給することにより、当該エンジン１の運転に伴い前記ＮＯｘ触媒に徐々に堆積するＳＯｘを効率的に分解・除去し、当該ＮＯｘ触媒による排気浄化機能を再生する。
【００７２】
ここで、還元成分の連続的な供給はＮＯｘ触媒の過熱を招来しやすい。ここで、前記ＮＯｘ触媒の温度の挙動は、基本的には前記ＮＯｘ触媒の熱収支と当該触媒の物理的或いは化学的な特性とによって決定づけられるが、前記還元成分供給手段による還元成分の供給動作が前記ＮＯｘ触媒の温度に影響を及ぼすまでには応答遅れが存在する。このため、所定時刻において把握された前記ＮＯｘ触媒の温度に基づき、同時刻における前記還元成分供給手段の動作を制御したとしても、前記還元成分供給手段の動作が前記ＮＯｘ触媒の温度に反映されるのは所定時間を経た後になる。すなわち、このような制御方法を通じて前記ＮＯｘ触媒の温度を所望の範囲に保持することは極めて難しい。
【００７３】
この点、本実施の形態にかかる制御構造によれば、ＮＯｘ触媒の温度制御にそのような応答遅れを反映させることで、ＮＯｘ触媒に堆積したＳＯｘ等の除去を効率的に行いつつ、しかも当該触媒の過熱を確実に防止することができるようになる。
【００７４】
よって、過熱によるＮＯｘ触媒の機能喪失が確実に防止されるため、ＮＯｘ触媒の機能が長期に亘って持続するようになる。
【００７５】
なお、本実施の形態では、還元成分供給制御おいて、ＮＯｘ触媒に流入する排気中に還元成分を連続的に供給する方法として、還元剤添加弁１７を通じて排気系４０に燃料を添加する方法を採用することとした。これに限らず、ポスト噴射等を実行を通じてＮＯｘ触媒に流入する排気中に還元成分を連続的に供給することもできる。
【００７６】
〔他の実施の形態〕
上記実施の形態では、還元成分供給制御に実施にあたり、還元剤添加弁１７を通じた燃料供給の開始時刻（例えば図２中の時刻ｔ１）に供給期間Δｔ１を設定するとともに、燃料供給の終了時刻に休止期間（例えば図２中の時刻ｔ２）に休止期間Δｔ２を設定することとした。このような制御構造を適用する一方で、燃料供給の実施中（供給期間Δｔ１中）、エンジン１の運転状態に関するパラメータを参照しつつ当初設定した供給期間Δｔ１を適宜延長或いは短縮するような制御ロジックや、燃料供給の休止中（休止期間Δｔ２中）、エンジン１の運転状態に関するパラメータを参照しつつ当初設定した休止期間Δｔ２を適宜延長或いは短縮するような制御ロジックを付加してもよい。
【００７７】
例えば図５には、還元成分供給制御の実施にあたり、燃料供給の実施中（供給期間Δｔ１中）に当該供給期間Δｔ１、或いは燃料供給の休止中（休止期間Δｔ２中）に当初設定した各期間Δｔ１，Δｔ２を伸縮するために適用し得る制御ルーチンの一例を示す。
【００７８】
本ルーチンは、先述した還元成分供給制御の実行手順（図４）に替え、エンジン１の運転中ＥＣＵ９０を通じて所定時間毎に実行される。
【００７９】
同ルーチンに処理が移行すると、ＥＣＵ９０は先ずステップＳ３０１において、ＳＯｘ被毒回復制御の実行要求があるか否かを判断する。そして、その判断が肯定である場合には処理をステップＳ３０２に移行する一方、その判断が否定である場合には本ルーチンを一旦抜ける。ステップＳ３０１での判断が肯定である場合、ＮＯｘ触媒の床温は昇温制御を通じて上昇しつつあるか、６００℃以上である状態を保持していることになる。
【００８０】
そこでＥＣＵ９０は、同ステップＳ３０１での判断が肯定である場合には、ステップＳ３０２において、ＮＯｘ触媒の床温が６００℃以上に達しているか否かを判断する。ＮＯｘ触媒の床温は、例えば排気温度ＴＥＸの履歴に基づいて推定すればよい。同ステップＳ３０２での判断が肯定である場合、ＥＣＵ９０は処理をステップＳ３０３に移行し、その判断が否定である場合には本ルーチンを一旦抜ける。
【００８１】
ステップＳ３０３においてＥＣＵ９０は、現在の制御プロセスの認識（供給期間Δｔ１中であるのか休止期間Δｔ２中であるのかについての認識、及び供給期間Δｔ１又は休止期間Δｔ２へ移行した後の経過時間の認識）を行う。例えば、供給期間Δｔ１中であって当該期間Δｔ１に移行後３秒が経過したところであるといった認識や、休止期間Δｔ２中であって当該期間Δｔ２に移行後５秒が経過したところであるといった認識がなされることになる。
【００８２】
続くステップＳ３０４においては、供給期間Δｔ１若しくは休止期間Δｔ２の更新に必要な情報を取得する。ＮＯｘ触媒の床温や排気温度ＴＥＸの変動等が、ここでいう各期間Δｔ１，Δｔ２の更新に必要な情報に相当する。
【００８３】
ステップＳ３０５においては、上記ステップＳ３０４で取得した情報に基づき、供給期間Δｔ１若しくは休止期間Δｔ２の設定又は更新を行う。
【００８４】
最後にＥＣＵ９０は、上記ステップＳ３０５で設定又は更新した供給期間Δｔ１若しくは休止期間Δｔ２に基づき、還元剤添加弁１７を通じた燃料供給の開始、実行継続、休止、又は休止継続、或いは還元成分供給制御の完了といった適宜の処理を行った後（ステップＳ３０６）、本ルーチンを一旦抜ける。
【００８５】
このような制御構造を適用することで、上記実施の形態にかかる還元成分供給制御の緻密性をより高めることができるようになる。すなわち、ＮＯｘ触媒の温度制御に還元剤添加弁１７の系閉弁動作に対するＮＯｘ触媒床温の応答遅れを反映させることで、ＮＯｘ触媒に堆積したＳＯｘ等の除去と、当該触媒の過熱防止とを確実に行うといった効果を一層高めることができる。
【００８６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、還元剤の供給動作から所定の応答遅れをもって対応するように変動する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の熱収支が調整され、当該触媒の温度を最適範囲に保持することが容易となる。
【００８７】
また、前記還元剤供給動作に対する前記触媒の熱収支（温度）の応答遅れが、前記触媒の温度制御に高い精度で反映させるようになる。よって、当該触媒に堆積したＳＯｘ等の除去（ＳＯｘ被毒回復）を効率的に行いつつ、当該触媒の過熱を一層確実に防止することができるようになる。従って、ＮＯｘ触媒による安定した排気浄化機能が長期に亘って保証されるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態にかかるディーゼルエンジンシステムを示す概略構成図。
【図２】 同実施の形態におけるＳ被毒回復制御の実施に伴いＮＯｘ触媒から放出されるＳＯｘの量、およびＮＯｘ触媒の床温の推移を同一時間軸上に示すタイムチャートの一例。
【図３】 同実施の形態における昇温制御の実行手順を示すフローチャート。
【図４】 同実施の形態における還元成分供給制御の実行手順を示すフローチャート。
【図５】 本発明の他の実施の形態において適用される還元成分供給制御の実行手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
１ エンジン（内燃機関）
１０ 燃料供給系
１１ サプライポンプ
１２ コモンレール
１３ 燃料噴射弁
１６ 調量弁
１７ 還元剤添加弁
２０ 燃焼室
３０ 吸気系
３１ インタークーラ
３２ スロットル弁
４０ 排気系
４２ 触媒ケーシング
５０ ターボチャージャ
５１ シャフト
５２ タービンホイール
５３ コンプレッサホイール
６０ ＥＧＲ通路
６１ ＥＧＲ弁
６２ ＥＧＲクーラ
７０ レール圧センサ
７１ 燃圧センサ
７２ エアフロメータ
７３ 空燃比（Ａ／Ｆ）センサ
７４ 排気温センサ
７５ ＮＯｘセンサ
７６ アクセルポジションセンサ
７７ クランク角センサ
９０ 電子制御装置（ＥＣＵ）
９１ 中央処理装置（ＣＰＵ）
９２ 読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）
９３ ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）
９４ バックアップＲＡＭ
９５ タイマーカウンタ
９６ 外部入力回路
９７ 外部出力回路
９８ 双方向性バス
Ｐ１ 機関燃料通路
Ｐ２ 添加燃料通路
Claims (1)
- 希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に設けられ、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸蔵し、流入する排気ガスの空燃比がリッチのときに吸蔵したＮＯｘを放出しＮ2に還元する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に還元剤を供給する還元剤供給手段と、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒からＳＯｘを放出させるＳＯｘ被毒回復処理を実行する時期か否かを判定する被毒回復実行時期判定手段と、前記被毒回復実行時期判定手段により実行時期であると判定されたときに、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を昇温させると共に、該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に堆積しているＳＯｘを放出させ、該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒をＳＯｘ被毒から回復させるように、前記還元剤供給手段から断続的に供給される還元剤量を制御する還元剤量制御手段と、を備え、
前記還元剤量制御手段は、還元剤を供給する供給期間および還元剤の供給を休止する休止期間を調整することで還元剤量を制御するものであって、供給期間および休止期間は前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の昇温が適正な範囲に保持されるように前記還元剤供給に対する前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の温度の応答遅れに基づいて設定されることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
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