JP4174952B2

JP4174952B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP4174952B2
Application number: JP2000128851A
Authority: JP
Inventors: 公二郎岡田; 保樹田村; 隆堂ヶ原; 圭介田代
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2008-11-05
Anticipated expiration: 2020-04-28
Also published as: JP2001304011A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気通路に排気中のイオウ成分を吸蔵すると共に高温で且つ排気空燃比がリッチのときに吸蔵されたイオウ成分を放出する特性をもち触媒を有する内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内燃機関をリーン空燃比で運転して燃費の向上を図るようにした希薄燃焼内燃機関が実用化されている。この希薄燃焼内燃機関では、リーン空燃比で運転すると、三元触媒がその浄化特性から排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を充分に浄化できないという問題があり、最近では、リーン空燃比で運転中に排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、ストイキオまたはリッチ空燃比で運転中に吸蔵されたＮＯｘを放出還元する吸蔵型ＮＯｘ触媒が採用されてきている。
【０００３】
この吸蔵型ＮＯｘ触媒は、内燃機関の酸素の過剰状態で排気ガス中のＮＯｘを硝酸塩（Ｘ−ＮＯ₃）として吸蔵し、吸蔵したＮＯｘを一酸化炭素（ＣＯ）の過剰状態で放出して窒素（Ｎ₂）に還元させる特性（同時に炭酸塩Ｘ−ＣＯ₃が生成される）を有した触媒である。ところが、燃料中にはイオウ（Ｓ）成分が含まれており、このＳ成分は酸素と反応して硫黄酸化物（ＳＯｘ）となり、このＳＯｘがＮＯｘの代わりに硫酸塩として硝酸塩の代わりに吸蔵型ＮＯｘ触媒に吸蔵されてしまい、触媒の浄化効率が低下してしまうという問題がある。しかしながら、触媒に吸蔵されたＳＯｘは、空燃比をリッチ状態にして触媒を高温状態にすることで、ＳＯ₂として放出（Ｓパージ）されることがわかっている。例えば、特開平７−２１７４７４号公報に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＳＯ₂が放出されると、排気ガスが高温で且つ一酸化炭素や炭化水素等が多く存在する還元雰囲気のもとでは、例えば、下記各化学反応式に従って硫化水素（Ｈ₂Ｓ）が発生する。
ＳＯ₂＋３Ｈ₂→Ｈ₂Ｓ＋２Ｈ₂Ｏ
ＳＯ₂＋２ＣＯ＋Ｈ₂→Ｈ₂Ｓ＋ＣＯ₂
３ＳＯ₂＋Ｃ₃Ｈ₆→３Ｈ₂Ｓ＋３ＣＯ₂
このＨ₂Ｓは、一般に知られるように強い臭気を発するために極力発生しないようにすることが望ましい。
【０００５】
しかしながら、前述した公報に開示された技術では、吸蔵されたＳＯｘがＳＯ₂として瞬時に多量に放出されることになるため、この放出されたＳＯ₂と触媒周辺のＨ₂、ＣＯ、ＨＣ等との化学反応が急速に進行することになり、Ｈ₂Ｓが急激に大量に生成されてしまうことになる。このようにＨ₂Ｓが急激に大量に生成されると、Ｈ₂Ｓ濃度が局所的に高まることになり、大気中に排出された排気ガスが極めて強い臭気を放ち好ましいことではない。
【０００６】
なお、特開平１１−１０７８０９号公報に開示された「エンジンの制御装置」には、ＮＯｘ触媒の再生制御に関して、Ｈ₂Ｓは排気ガス温度が高いときに発生するために、排気空燃比のリッチ化の度合をストイキ程度に小さくする技術が開示されている。ところが、前述したように、触媒に吸蔵されたＳＯｘは、空燃比をリッチ状態にして触媒を高温状態にすることで効率よく放出されるものであり、温度を基準にリッチ化の程度をストイキにするだけでは、Ｈ₂Ｓの大量生成は抑制できても、触媒の再生時間が極端に長くなってしまうという問題がある。
【０００７】
また、吸蔵型ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘは、空燃比をリッチ状態にして触媒を高温状態にする再生制御の実施時以外に、触媒が高温状態であれば車両の加速時などに伴うリッチ化時にも自然にパージされる。しかし、上述した公報に開示された制御は、ＮＯｘ触媒の再生時における制御しかなく、加速時などの自然Ｓパージ時に大量発生するＨ₂Ｓの問題については何に考慮されていない。
【０００８】
本発明は上述した問題を解決するために、触媒からのＳＯｘの放出に伴って生成されるＨ₂Ｓの濃度を低く抑えて排気ガスの異臭を防止する一方で、触媒の再生時間の長時間化を抑制して安定した触媒装置の再生を可能とした内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための請求項１の発明の内燃機関の排気浄化装置では、内燃機関の排気通路に排気中のイオウ成分を吸蔵すると共に高温で且つ排気空燃比がリッチのときに吸蔵されたイオウ成分を放出する特性を有する触媒を設け、高温状態検知手段が触媒が吸蔵したイオウ成分を放出可能な高温状態であることを検出または推定し、制御手段はこの触媒が高温状態であることを検出または推定されるときに排気空燃比をリッチにする場合には徐々にリッチ化させ、前記触媒が低温状態であることが検出または推定されるときに排気空燃比をリッチにする場合には排気空燃比を直ちにリッチ化又は前記触媒が高温状態であることが検出または推定されるときに排気空燃比をリッチにする場合よりも速い変化で徐々にリッチ化させるようにしている。
【００１０】
従って、触媒が吸蔵したイオウ成分を放出する場合、高温状態であるときに排気空燃比のリッチにする場合には徐々にリッチ化させるようにすることで、触媒からＨ₂Ｓが一度に大量発生するのを防止して放出濃度を低く抑え、排気ガスの異臭を防止する一方で、効率よくイオウ成分を放出させることが可能となる。そして、このＨ₂Ｓの大量発生の防止制御は、車両の加速時などに伴うリッチ化で自然にＳパージする場合にも適用できる。
【００１１】
また、請求項２の発明の内燃機関の排気浄化装置では、イオウ放出状況検知手段が触媒がイオウ成分を放出しうる状況にあることを検出または推定し、制御手段はこのイオウ成分を放出しうる状況にあると検出または推定した場合に限り、触媒が高温状態であることが検出または推定されるときに排気空燃比をリッチにする場合には徐々にリッチ化させるようにしている。
【００１２】
従って、触媒がイオウ成分を放出しうる状況にあると検出または推定した場合に限り、高温状態であるときに排気空燃比のリッチにする場合には徐々にリッチ化させるようにすることで、触媒からイオウ成分が放出しうる状況にあるときだけ排気空燃比を徐々にリッチ化させるため、触媒からＨ₂Ｓが一度に大量発生するのを適正に防止して放出濃度を低く抑える一方で、触媒からイオウ成分が放出しうる状況になく触媒を高温状態且つリッチ化しても大量のＨ₂Ｓが発生しないと推定されるときは排気空燃比を徐々にリッチ化せず、このときのリッチ化の応答遅れが防止される。
【００１３】
好ましくは、触媒が高温状態であるときに実施する排気空燃比のリッチ化は、車両の加速時などに伴うリッチ化であって、自然Ｓパージ時でのＨ₂Ｓの大量発生を効率よく防止できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１５】
図１に本発明の第１実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成、図２に本実施形態の排気浄化装置による自然Ｓパージ制御のフローチャート、図３に自然Ｓパージ制御時における目標Ａ／Ｆの時間変化に対するＨ₂Ｓ発生量の時間変化を表すタイムチャートを示す。
【００１６】
本実施形態の内燃機関（以下、エンジンと称する。）は、例えば、燃料噴射モード（運転モード）を切換えることで、吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射モード）または圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射モード）を実施可能な筒内噴射型火花点火式直列４気筒ガソリンエンジンである。そして、この筒内噴射型のエンジン１１は、容易にして理論空燃比（ストイキ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）が実現可能となっており、特に圧縮行程噴射モードでは、超リーン空燃比での運転が可能となっている。
【００１７】
本実施形態において、図１に示すように、エンジン１１のシリンダヘッド１２には、各気筒毎に点火プラグ１３と共に電磁式の燃料噴射弁１４が取付けられており、この燃料噴射弁１４によって燃焼室１５内に燃料を直接噴射可能となっている。この燃料噴射弁１４には、図示しない燃料パイプを介して燃料タンクを擁した燃料供給装置（燃料ポンプ）が接続されており、燃料タンク内の燃料が高燃圧で供給され、この燃料を燃料噴射弁１４から燃焼室１５内に向けて所望の燃圧で噴射する。この際、燃料噴射量は燃料ポンプの燃料吐出圧と燃料噴射弁１４の開弁時間（燃料噴射時間）とから決定される。
【００１８】
シリンダヘッド１２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド１６の一端がそれぞれ接続されている。そして、吸気マニホールド１６の他端にはドライブバイワイヤ（ＤＢＷ）方式の電動スロットル弁１７が接続されており、このスロットル弁１７にはスロットル開度θthを検出するスロットルセンサ１８が設けられている。また、シリンダヘッド１２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１９の一端がそれぞれ接続されている。
【００１９】
そして、エンジン１１には、クランク角を検出するクランク角センサ２０が設けられており、このクランク角センサ２０はエンジン回転速度Ｎｅを検出可能となっている。なお、上述した筒内噴射型エンジン１１は既に公知のものであり、その構成の詳細についてはここでは説明を省略する。
【００２０】
また、エンジン１１の排気マニホールド１９には排気管（排気通路）２１が接続されており、この排気管２１にはエンジン１１に近接した小型の三元触媒２２及び排気浄化触媒装置２３を介して図示しないマフラーが接続されている。そして、この排気管２１における三元触媒２２と排気浄化触媒装置２３との間の部分には、排気浄化触媒装置２３の直上流、即ち、後述する吸蔵型ＮＯｘ触媒２５のに直上流に位置して排気温度を検出する高温センサ２４が設けられている。
【００２１】
この排気浄化触媒装置２３は、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５と三元触媒２６との２つの触媒を有して構成されており、三元触媒２６の方が吸蔵型ＮＯｘ触媒２５よりも下流側に配設されている。なお、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が三元触媒の機能を十分に有している場合には、この吸蔵型ＮＯｘ触媒２５だけであってもよい。この吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、酸化雰囲気においてＮＯｘを一旦吸蔵させ、主としてＣＯの存在する還元雰囲気中においてＮＯｘを放出してＮ₂（窒素）等に還元させる機能を持つものである。詳しくは、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、貴金属として白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）等を有した触媒として構成されており、吸蔵剤としてはバリウム（Ｂａ）等のアルカリ金属、アルカリ土類金属が採用されている。そして、排気浄化触媒装置２３の下流にはＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ２７が設けられている。
【００２２】
更に、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を有するＥＣＵ（電子コントロールユニット）２８が設けられており、このＥＣＵ２８によりエンジン１１を含めた本実施形態の排気浄化装置の総合的な制御が行われる。即ち、ＥＣＵ２８の入力側には、上述した高温センサ２４やＮＯｘセンサ２７等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力する。一方、ＥＣＵ２８の出力側には、点火コイルを介して上述した点火プラグ１３や燃料噴射弁１４等が接続されており、これら点火コイル、燃料噴射弁１４等には、各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量や点火時期等の最適値がそれぞれ出力される。これにより、燃料噴射弁１４から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ１３によって適正なタイミングで点火が実施される。
【００２３】
実際に、ＥＣＵ２８では、図示しないアクセル開度センサからのアクセル開度情報とクランク角センサ２０からのエンジン回転速度情報Ｎｅとに基づいてエンジン負荷に対応する目標筒内圧、即ち目標平均有効圧Ｐｅを求めるようにされており、更に、この目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じてマップ（図示せず）より燃料噴射モードを設定するようにされている。例えば、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとが共に小さいときには、燃料噴射モードは圧縮行程噴射モードとされて燃料が圧縮行程で噴射され、一方、目標平均有効圧Ｐｅが大きくなり、あるいはエンジン回転速度Ｎｅが大きくなると燃料噴射モードは吸気行程噴射モードとされ、燃料が吸気行程で噴射される。
【００２４】
そして、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとから制御目標となる目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）が設定され、適正量の燃料噴射量がこの目標Ａ／Ｆに基づいて決定される。また、高温センサ２４により検出された排気温度情報からは触媒温度Ｔcat が推定される。詳しくは、高温センサ２４と吸蔵型ＮＯｘ触媒２５とが多少なりとも離れて配置されていることに起因する誤差を補正するために、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じて温度差マップが予め実験等により設定されており、触媒温度Ｔcat は、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとが決まると一義に推定されるようにされている。
【００２５】
以下、このように構成された本実施形態の内燃機関の排気浄化装置の作用について説明する。
【００２６】
排気浄化触媒装置２３の吸蔵型ＮＯｘ触媒２５では、リーンモードにおける超リーン燃焼運転時のような酸素濃度過剰雰囲気で、排気中のＮＯｘから硝酸塩が生成され、これによりＮＯｘが吸蔵されて排気の浄化が行われる。一方、三元触媒２６では、酸素濃度が低下した雰囲気で、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵した硝酸塩と排気中のＣＯとが反応して炭酸塩が生成されると共にＮＯｘが放出される。従って、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５へのＮＯｘの吸蔵が進むと、空燃比のリッチ化あるいは追加の燃料噴射を行うなどして酸素濃度を低下させてＣＯを排気中に供給し、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘを放出させて機能を維持する。
【００２７】
ところで、燃料や潤滑油内に含まれるイオウ成分（ＳＯｘ）も排気中に存在し、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、酸素濃度過剰雰囲気で、ＮＯｘの吸蔵とともにＳＯｘも吸蔵する。つまり、イオウ成分は酸化されてＳＯｘになり、このＳＯｘの一部は吸蔵型ＮＯｘ触媒２５上でさらに元来ＮＯｘ吸蔵用である吸蔵剤と反応して硫酸塩となってＮＯｘに代わって吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵される。
【００２８】
また、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、酸素濃度が低下すると吸蔵されたＳＯｘを放出する機能を有している。つまり、酸素濃度が低下してＣＯが過剰となった雰囲気では、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵した硫酸塩の一部と排気中のＣＯとが反応して炭酸塩が生成され易くなると共にＳＯｘが脱離され易くなる。しかし、硫酸塩は硝酸塩よりも塩としての安定度が高く、酸素濃度が低下した雰囲気になっただけではその一部しか分解されないため、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に残留する硫酸塩の量は時間とともに増加する。これにより、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の吸蔵能力が時間と共に低下し、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５としての性能が悪化することになる（Ｓ被毒）。
【００２９】
一般的には、ＮＯｘ吸蔵能力を再生するために吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＳＯｘ量を推定してＳ被毒状況を推定し、Ｓ被毒がある程度以上進行したり、触媒温度Ｔcat がＳ再生頻度に相関する触媒昇温設定温度以上となったりした場合に、触媒を昇温させて空燃比をリッチ化して吸蔵したＳＯｘを放出し、ＮＯｘ吸蔵能力を回復するようにしている。また、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＳＯｘは、空燃比をリッチ状態にして触媒を高温状態にする再生制御の実施時以外に、触媒が高温状態であれば車両の加速時などに伴うリッチ化時にも自然に放出される。
【００３０】
そして、この吸蔵型ＮＯｘ触媒２５における車両の加速時などに伴うリッチ化による自然Ｓパージ時には、ＳＯｘはＳＯ₂として放出されることから排気ガスが高温で且つ水素や一酸化炭素や炭化水素等が多く存在する還元雰囲気のもとでは、硫化水素（Ｈ₂Ｓ）が発生して臭気を放ってしまう。そして、リッチ度合が大きいほど水素等の還元剤も多くＳＯ₂からＨ₂Ｓが急激に多量に生成される。このため、本実施形態では、自然Ｓパージ時には、制御手段が排気空燃比をリッチにする場合には徐々にリッチ化させるようにしている。
【００３１】
ここで、この自然Ｓパージ制御について、図２に示すフローチャートに基づいて詳細に説明する。図２に示すように、まず、ステップＳ１では、高温センサ２４により検出された排気温度情報から吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒温度Ｔcat を推定する。この場合、前述したように、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じて設定された温度差マップに基づいて、高温センサ２４と実際の触媒温度との誤差が補正される。
【００３２】
次に、ステップＳ２にて、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとに応じて決定される最終目標Ａ／Ｆがリーン空燃比またはストイキからリッチ空燃比に切り換わった否か、即ち、運転者の加速操作に伴って機関運転状態に対応した最終目標Ａ／Ｆがリッチ空燃比に切り換わった否かが判定され、そうでない場合はそのままリターンし、リッチ空燃比に切り換わった場合は、ステップＳ３に進む。このステップＳ３では、推定された触媒温度Ｔcatが所定の高温度ＴcatH（例えば、６５０℃）以上であるか否かを判定（高温状態検知手段）し、触媒温度Ｔcatが高温度ＴcatHより低ければステップＳ４に進んで通常パターンで目標空燃比をリッチ化して最終目標Ａ／Ｆとする一方、触媒温度Ｔcatが高温度ＴcatH以上であればステップＳ５に進み、最終目標Ａ／Ｆに向けて徐々にリッチ化する。即ち、ステップＳ５におけるリッチ化はステップＳ４における通常パターンのリッチ化より徐々に行われる。そして、ステップＳ４、Ｓ５を経過した後はリターンする。ここで、前述のステップＳ２、Ｓ３では、エンジン１１の燃料噴射モードがＯ／Ｌモードとされて運転状態がエンリッチ運転とされ、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が吸蔵したイオウ成分を放出可能な高温状態に達しているか否かを判別している。
【００３３】
触媒温度Ｔcatが所定の高温度ＴcatHを超えているときにリッチ空燃比化されると、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＳＯｘはＳＯ₂として放出されると同時にＨ₂Ｓが大量発生してしまう。そのため、車両の加速時などのエンリッチ運転のもとでは、前述のステップＳ５のように、目標のリッチ空燃比に向けて徐々にリッチ化するようにし、これによってＨ₂Ｓが多量に発生し易い自然Ｓパージの開始時において、Ｈ₂やＣＯやＨＣの供給量を制限してＳＯ₂の放出量を抑制すると共に、Ｈ₂Ｓの発生量を少なく抑えるようにする。これによってＨ₂Ｓが多量に発生しやすい自然Ｓパージ開始時のＨ₂Ｓ濃度を低く抑えることができる。
【００３４】
つまり、図３に、加速運転時における目標Ａ／Ｆの時間変化（ａ）とＨ₂Ｓ発生量の時間変化（ｂ）とがタイムチャートとして示してある。この場合、従来（通常のリッチ化）のように最終目標Ａ／Ｆの切換時から直ぐ（もしくは徐々に変化させている場合においても数サイクル程度の速い変化）に所定のリッチ空燃比ＡＦ₁（例えば、値１４）とした場合を破線で示し、本実施形態のようにＳ再生頻度に応じて目標Ａ／Ｆを最初はストイキオ近傍のリッチ化度合の小さな値とし、徐々に所定のリッチ空燃比ＡＦ₁に向けて移行させた場合を実線で示してある。このタイムチャートからわかるように、従来の制御（破線）では、最終目標Ａ／Ｆの切換直後に一時的に大量にＨ₂Ｓが発生していたが、本実施形態の制御（実線）では、切換直後のＨ₂Ｓの発生濃度を低くすると共にこのまま保持するようにでき、エンリッチ運転の場合においてもＨ₂Ｓ濃度を低く抑えて排ガスが異臭を放つことを確実に防止することができる。
【００３５】
また、特に目標Ａ／Ｆを徐々に所定のリッチ空燃比ＡＦ₁に向けて移行させることにより、Ｈ₂Ｓの発生濃度を低い値のまま保持し、目標Ａ／Ｆを所定のリッチ空燃比ＡＦ₁に比較的早期に到達させることができ、これにより、内燃機関の出力トルク不足を好適に防止しながら、加速運転時の排ガスの異臭を確実に防止することができるし、触媒に吸蔵されていたＳＯｘを効率よく放出することができる。
【００３６】
なお、上述した実施形態では、Ｏ／Ｌモードにおいて、エンリッチ運転を行う場合を相違して、目標Ａ／Ｆとしてリッチ空燃比ＡＦ₁に向けて移行させる場合を考えたが、Ｏ／Ｌモードではなくストイキフィードバック制御において、リッチシフトするすることによって目標Ａ／Ｆを平均空燃比としてリッチ空燃比にする場合に適用してもよい。即ち、Ｏ₂センサ等を利用したストイキフィードバック制御において、フィードバック制御用の積分ゲイン（係数）や比例ゲイン（係数）をリッチ側に大きくリーン側に小さく変更して目標Ａ／Ｆをリッチ空燃比ＡＦ₁にする場合に適用してもよい。この場合は積分ゲインや比例ゲインを徐々に変化させることによって目標Ａ／Ｆを徐々に所定のリッチ空燃比ＡＦ₁に向けて移行させればよい。これによって触媒温度Ｔcatが高温時にリッチに切り換えたときに、急激に大量にＳが放出されるてＨ₂Ｓが生成されることを防止してＨ₂Ｓの濃度を低く抑えることができる。
【００３７】
なお、上述した実施形態では、自然Ｓパージ時に、目標Ａ／Ｆを最終目標Ａ／Ｆである所定のリッチ空燃比ＡＦ₁に向けて連続して滑らかに移行させたが、複数に分けて段階的（段階状）にリッチ空燃比ＡＦ₁に移行させてもよい。
【００３８】
このように本実施形態では、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が高温状態がリッチ化されて自然に触媒から吸蔵したイオウ成分が放出される場合には空燃比を徐々にリッチ化させるようにする。つまり、目標Ａ／Ｆを最初はストイキオ近傍のリッチ化度合の小さな値とし、徐々に所定のリッチ空燃比ＡＦ₁に向けて移行させるようにしている。
【００３９】
従って、自然Ｓパージに伴って大量のＨ₂Ｓが急激に発生する現象はなく、このＨ₂Ｓの発生濃度を小さくすると共にＨ₂Ｓ濃度を小さい値のまま保持することができ、Ｈ₂Ｓ濃度を低く抑えて排気ガスが異臭を放つことを確実に防止する一方で、リッチ空燃比にすること自体を禁止するものではないため、効率よくイオウ成分を放出させることができる。そして、このＨ₂Ｓの大量発生の防止制御は、車両の加速時などに伴うリッチ化で自然にＳパージする場合に適用すると有効的である。
【００４０】
図４に本発明の第２実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置による自然Ｓパージ制御のフローチャートを示す。なお、前述した実施形態で説明したものと同様の処理について重複する説明は省略する。
【００４１】
本実施形態の自然Ｓパージ制御について、図４に示すように、まず、ステップＳ１１では、高温センサ２４により検出された排気温度情報から吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒温度Ｔcat を推定する。この場合、前述したように、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じて設定された温度差マップに基づいて、高温センサ２４と実際の触媒温度との誤差が補正される。
【００４２】
次に、ステップＳ１２では、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとに応じて決定される最終目標Ａ／Ｆがリーン空燃比またはストイキからリッチ空燃比に切り換わったか否かが判定され、そうでない場合はそのままリターンし、リッチ空燃比に切り換わった場合は、ステップＳ１３に進む。このステップＳ１３では、目標Ａ／Ｆが所定値（例えば、値１４．７）以上のリーン運転が、所定時間（例えば、５分間）以上継続しているかどうかを判定（イオウ放出状況検知手段）する。即ち、排気ガス中のイオウ成分はリーン運転時にＮＯｘの代わりに吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されるものであり、このリーン運転が所定時間以上継続していることを判定することで、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５のＳ吸蔵量がＳ放出時にＨ₂Ｓが問題になる程度か否かを判定するようにしている。
【００４３】
即ち、所定の高温度ＴcatH以上であっても温度に拘らずリーン運転であれば、イオウ成分は吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されると考えられ、それが所定時間以上継続すると、所定の高温度ＴcatH（例えば、６５０℃）以上で且つ目標Ａ／Ｆが所定値（例えば、値１４．７）以上のリッチ運転時にＳを放出する状況になる値推定される。なお、この所定時間とは、所定の高温度ＴcatH（例えば、６５０℃）以上で且つ目標Ａ／Ｆが所定値（例えば、値１４．７）以下のリッチ運転を含まない継続時間である。
【００４４】
従って、目標Ａ／Ｆが所定値以上のリーン運転が、所定時間以上継続していたらステップＳ１４に移行し、ここで推定された触媒温度Ｔcatが所定の高温度ＴcatH（例えば、６５０℃）以上であるか否かを判定し、触媒温度Ｔcatが高温度ＴcatH以上であればステップＳ１５に進んで最終目標Ａ／Ｆに向けて目標Ａ／Ｆを徐々にけっち化する。一方、ステップＳ１３でリーン運転が所定時間以上継続していないと判定された場合、及びステップＳ１４で触媒温度Ｔcatが高温度ＴcatHより低いと判定された場合は通常パターンでリッチ化され、比較的急激に最終目標Ａ／Ｆに切り換えられる。
【００４５】
なお、ステップＳ１３からＳ１６に移行する場合、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５へのＳ吸蔵量が少ないため、排気空燃比を徐々にリッチ化せずに直ちにリッチ化してもＳ放出量も少ないためにＨ₂Ｓが大量に発生することはない。そして、ステップＳ１５または１６を経過した後はリターンする。
【００４６】
このように本実施形態では、リッチ空燃比への切り換えに伴って吸蔵型ＮＯｘ触媒２５から自然に吸蔵イオウ成分が放出される場合、リーン運転の継続時間が短く、触媒にイオウ成分があまり吸蔵されていないときはイオウ成分の放出量も少なく、リッチ化しても大量のＨ₂Ｓは発生しないので、排気空燃比を徐々にリッチ化しないようにする。従って、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５にイオウ成分が多く吸蔵されているときには、排気空燃比を徐々にリッチ化してＳ放出に伴うＨ₂Ｓの急激な大量発生がなく、Ｈ₂Ｓの発生量を少なく保つことができ、Ｈ₂Ｓ濃度を低く抑えて排気ガスが異臭を放つことを確実に防止する一方で、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５にイオウ成分があまり吸蔵されていないときには、イオウ放出量も少ないと推定され、Ｈ₂Ｓが大量に発生することはないので、空燃比を直ちにリッチ化して加速等の応答遅れが防止される。
【００４７】
上述の実施形態では、触媒温度が高い状態でリッチ空燃比に切り換える場合に、目標Ａ／Ｆが所定値以上であるリーン運転が所定時間以上継続していたら、Ｓパージモードで排気空燃比を徐々にリッチ化するようにしたが、エンジン１１のがストイキフィードバック制御されている状態を含めて所定時間以上継続していたら、空燃比を徐々にリッチ化するようにしてもよい。即ち、ストイキ運転であってもＯ₂センサ等によるストイキを中心としたフィードバック運転の場合は、短時間であってもリーン運転を行うことになるので、イオウ成分が触媒に吸蔵されるためである（ストイキ運転であっても、オープンループ運転であればイオウ成分は吸蔵しにくい）。
【００４８】
なお、本発明は、触媒が吸蔵したイオウ成分を放出するＳ再生時に、制御手段は触媒が高温状態であるときに排気空燃比のリッチにする場合に徐々にリッチ化させることが特徴であるため、自然Ｓパージ時の制御に限定されるものではない。例えば、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＳＯｘ量（Ｓ被毒量）が所定量以上になったことや自然Ｓパージま発生頻度が少ないこと、あるいはＳ放出にによるＳ被毒から再生頻度が少ないことを条件として触媒を強制的に昇温させると共に、空燃比をリッチにしてイオウ成分を強制的に放出させる場合に適用してもよい。
【００４９】
また、空燃比を徐々にリッチ化させる場合の空燃比の変化速度を可変としてもよい。この場合、触媒のイオウ成分吸蔵量が多いほど、あるいは自然Ｓパージの発生頻度が少ないほど、あるいはＳ放出によるＳ被毒からの再生頻度が引く内ほど、あるいはリーン継続時間が長いほど、リッチ化の変化速度を遅くすればよく、上記吸蔵量が少ない場合や上記頻度が多い場合、上記継続時間が短い場合は機遊隙にＨ₂Ｓが大量発生しやすいと考えられるので、例えば、図３に二点鎖線で示すように、空燃比の変化速度を比較的速くすればよい。
【００５０】
また、イオウ放出状況検知手段としては、上述の実施形態のように、リーン運転が所定時間継続したことにより推定または検出する方法の他に、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５へ吸蔵されたＳＯｘ量（Ｓ被毒量）を空燃比、触媒温度、燃料中イオウ濃度等から求めてその値が所定値以上であれば、触媒を高温且つリッチにしたときにイオウ放出状況にあると判定してもよい。また、Ｓ放出によるＳ被毒からのＳ再生の頻度がイオウ放出状況と相関があることが判明したので、Ｓ再生頻度が所定値以下であるときにイオウ放出状況にあると判定してもよい。更に簡略化して、走行距離あるいは燃料噴射量の積算値が触媒が高温且つリッチ運転を含まずに所定値以上と鳴った場合にイオウ放出状況にあると判定してもよい。
【００５１】
また、触媒温度の求め方としては、上述の実施形態のように、高温センサ２４から求める方法の他に、目標平均有効圧Ｐｅ（エンジン負荷）とエンジン回転速度Ｎｅのマップとして予め実験的に触媒温度をＥＣＵ２８にメモリさせた値から求めてもよいし、より簡略化して車速に対するマップとして予め実験的に触媒温度をＥＣＵ２８にメモリさせた値から求めてもよい。この場合、精度は多少低下するが、高温センサ２４を用いる必要がないためにコストが低減されるメリットがある。
【００５２】
更に、上述の実施形態では、エンジン１１を筒内噴射型ガソリンエンジンとしたが、これに限られず、吸気管噴射型ガソリンエンジンであってもよく、また、上記実施形態では、三元触媒２２を設けて排気ガスの浄化効率を向上させているが、必ずしも三元触媒２２を設けなくてもよく、三元触媒２０がなくても本発明を好適に実現可能である。また、イオウ成分を吸蔵して放出する触媒としては吸蔵型ＮＯｘ触媒２５を上述の実施形態において取り上げたが、触媒としてはその他のものであってもよく、吸着したＮＯｘを直接接触還元する吸着片ＮＯｘ触媒やイオウ成分を吸蔵しやすいタイプの三元触媒であってもよい。また、ＮＯｘセンサを吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の下流に設けてＮＯｘ吸蔵能力の低下を検知し、その場合には触媒がＳ被毒しており、イオウ放出状況にあると判断するようにしてもよい。更には、エンジンとしては、ディーゼルエンジンに適用することも可能である。
【００５３】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように請求項１の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、触媒が高温状態であることを検出または推定されるときに排気空燃比のリッチにする場合には徐々にリッチ化させ、前記触媒が低温状態であることが検出または推定されるときに排気空燃比をリッチにする場合には排気空燃比を直ちにリッチ化又は前記触媒が高温状態であることが検出または推定されるときに排気空燃比をリッチにする場合よりも速い変化で徐々にリッチ化させるようにしたので、触媒からのＨ₂Ｓの大量発生を防止して放出濃度を低く抑え、排気ガスの異臭を防止する一方で、触媒から効率よくイオウ成分を放出させることができる。
【００５４】
また、請求項２の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、イオウ成分を放出しうる状況にあると検出または推定した場合に限り、触媒が高温状態であることが検出または推定されるときに排気空燃比のリッチにする場合には徐々にリッチ化させるようにしたので、触媒からイオウ成分がある程度多量に放出されるときにだけ排気空燃比を徐々にリッチ化させるため、触媒からのＨ₂Ｓの大量発生を適正に防止して放出濃度を低く抑える一方で、触媒からイオウ成分があまり放出されることなくリッチ化しても大量のＨ₂Ｓが発生しないときは排気空燃比を徐々にリッチ化せず、このときのリッチ化の応答遅れを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】本実施形態の排気浄化装置による自然Ｓパージ制御のフローチャートである。
【図３】自然Ｓパージ制御時における目標Ａ／Ｆの時間変化に対するＨ₂Ｓ発生量の時間変化を表すタイムチャートである。
【図４】本発明の第２実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置による自然Ｓパージ制御のフローチャートである。
【符号の説明】
１１エンジン（内燃機関）
２１排気管（排気通路）
２２三元触媒
２３排気浄化触媒装置（触媒）
２４高温センサ
２５吸蔵型ＮＯｘ触媒
２６三元触媒
２７ＮＯｘセンサ
２８電子コントロールユニット，ＥＣＵ（高温状態検知手段、制御手段）

Claims

内燃機関の排気通路に設けられて排気中のイオウ成分を吸蔵すると共に高温で且つ排気空燃比がリッチのときに吸蔵されたイオウ成分を放出する特性を有する触媒と、
該触媒が吸蔵したイオウ成分を放出可能な高温状態であることを検出または推定する高温状態検知手段と、
該高温状態検知手段により、前記触媒が高温状態であることが検出または推定されるときに排気空燃比をリッチにする場合には徐々にリッチ化させ、前記触媒が低温状態であることが検出または推定されるときに排気空燃比をリッチにする場合には排気空燃比を直ちにリッチ化又は前記触媒が高温状態であることが検出または推定されるときに排気空燃比をリッチにする場合よりも速い変化で徐々にリッチ化させる制御手段とを具えた
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒がイオウ成分を放出しうる状況にあることを検出または推定するイオウ放出状況検知手段を設け、前記制御手段は該イオウ放出状況検知手段がイオウ成分を放出しうる状況にあると検出または推定した場合に限り、前記高温状態検知手段により前記触媒が高温状態であることが検出または推定されるときに排気空燃比をリッチにする場合には徐々にリッチ化させることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。