JP4524728B2 - ターボ過給機付き筒内噴射式エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気通路におけるターボ過給機下流に排気ガス中のＮＯｘをトラップするトラップ触媒を備えたターボ過給機付き筒内噴射式エンジンの排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平９−３１７４４７号公報には、空燃比をリッチ化してＮＯｘトラップ触媒に付着したＳＯｘを放出させる際に、排気温度に応じたＳＯｘ透過率を用いて当該触媒に付着したＳＯｘ量を推定し、この推定された通過するＳＯｘ量を内燃機関の運転状態から推定したＳＯｘ量から差し引く構成が記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術に対して、ターボ過給機を備える筒内噴射式エンジンに上記従来のＮＯｘトラップ触媒を搭載して排気浄化するシステムを考えた場合、空燃比をリーンからリッチに切り替えてＮＯｘトラップ触媒に付着したＳＯｘを放出する際にリッチな排気ガスとリーンな排気ガスとがターボチャージャで撹拌されて燃料の未燃成分が再燃焼するため、排気ガス温度は上昇できるが放出したＳＯｘの還元剤となるＨＣが減少し、ＳＯｘの浄化効果が低減してしまうという問題がある。
【０００４】
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その目的は、ターボ過給機の撹拌による硫黄還元剤の減少を考慮して硫黄放出時に触媒高温化下で硫黄還元剤を供給し、硫黄成分の浄化効果の低下を抑えるターボ過給機付き筒内噴射式エンジンの排気浄化装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明に係るターボ過給機付き筒内噴射式エンジンの排気浄化装置は、排気通路におけるターボ過給機下流に排気ガス中のＮＯｘをトラップするトラップ触媒を備えるターボ過給機付き筒内噴射式エンジンの排気浄化装置において、前記トラップ触媒の昇温要求時において、燃料をエンジンの吸気行程から点火時期までの前段噴射と当該点火時期以降の膨張行程の後段噴射とに分割して噴射する第１分割噴射制御を実行する噴射制御手段と、前記トラップ触媒に吸着した排気ガス中の硫黄成分量を推定する推定手段とを備え、前記噴射制御手段は、前記推定された硫黄成分量が閾値に達していると判定され、前記トラップ触媒が活性化する温度以下の時、前記噴射制御手段は、前記前段噴射と前記後段噴射の燃料割合を略等しくすると共に、前記推定された硫黄成分量が閾値に達していると判定され、前記トラップ触媒が活性化する温度よりも高い時、前記前段噴射の燃料割合を前記後段噴射の燃料割合に対して大きくして、前記第１分割噴射を実行する。
【０００７】
また、好ましくは、前記排気通路におけるトラップ触媒の上流に排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘを浄化する三元触媒が配設されており、前記トラップ触媒の昇温要求時において、当該トラップ触媒を通過する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリッチに設定する空燃比設定手段を更に備える。
【０００８】
また、好ましくは、前記噴射制御手段は、エンジンの点火時期以前において前段噴射と後段噴射とに分割して燃料を噴射する第２分割噴射制御を実行し、前記推定された硫黄成分量が閾値に達していると判定されたときに、前記トラップ触媒が活性化する温度以下ならば前記第１分割噴射制御を実行すると共に、前記トラップ触媒が活性化する温度以上ならば前記第２分割噴射制御を実行する。
【０００９】
また、好ましくは、前記トラップ触媒の温度は、エンジンの運転状態から間接的に又はセンサから直接的に検出される。
【００１０】
また、好ましくは、前記噴射制御手段は、エンジンの吸気行程から点火時期までの前段噴射と当該点火時期以降の膨張行程の後段噴射とに分割して燃料を噴射する前記第１分割噴射制御を実行する一方、エンジンの点火時期以前において前段噴射と後段噴射とに分割して燃料を噴射する第２分割噴射制御を実行し、前記推定された硫黄成分量が閾値に達していると判定され、前記トラップ触媒が活性化する温度よりも高い時、エンジンの運転状態に応じて前記第１又は第２分割噴射制御を切り換えて実行する。
【００１１】
また、好ましくは、前記噴射制御手段は、車速が所定車速以上ならば前記第１分割噴射制御を実行すると共に、前記所定車速以下ならば前記第２分割噴射制御を実行する。
【００１２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、トラップ触媒の昇温要求時において、燃料をエンジンの吸気行程から点火時期までの前段噴射と当該点火時期以降の膨張行程の後段噴射とに分割して噴射する第１分割噴射制御を実行すると共に、トラップ触媒に吸着した排気ガス中の硫黄成分量を推定し、推定された硫黄成分量が閾値に達していると判定され、トラップ触媒が活性化する温度以下の時、前段噴射と後段噴射の燃料割合を略等しくすることにより、硫黄放出時に触媒を高温化して硫黄還元剤を供給し、硫黄成分の浄化効果の低下を抑えることができる。また、推定された硫黄成分量が閾値に達していると判定され、トラップ触媒が活性化する温度よりも高い時、前段噴射の燃料割合を後段噴射の燃料割合に対して大きくして、第１分割噴射を実行することにより、前段噴射の燃料割合によって決まる排気ガス中の酸素濃度が低下するため、その後後段噴射を行ってもターボ過給機での撹拌作用が抑制され、硫黄還元剤が減少するのを抑制でき、硫黄成分の浄化効果の低下を抑えることができる。
【００１３】
請求項２の発明によれば、トラップ触媒の昇温要求時とは当該触媒が活性化する温度以下の時であり、前段噴射と後段噴射の燃料割合を略等しくすることにより、硫黄放出時に触媒を高温化して硫黄還元剤を供給し、硫黄成分の浄化効果の低下を抑えることができる。
【００１４】
請求項２の発明によれば、排気通路におけるトラップ触媒の上流に排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘを浄化する三元触媒が配設されており、トラップ触媒の昇温要求時において、当該トラップ触媒を通過する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリッチに設定することにより、放出されたＮＯｘを効果的に浄化できる。
【００１５】
請求項３の発明によれば、エンジンの点火時期以前において前段噴射と後段噴射とに分割して燃料を噴射する第２分割噴射制御を実行し、推定された硫黄成分量が閾値に達していると判定されたときに、トラップ触媒が活性化する温度以下ならば第１分割噴射制御を実行すると共に、トラップ触媒が活性化する温度以上ならば第２分割噴射制御を実行することにより、硫黄放出時に早急に触媒を高温化しつつ、硫黄成分の還元剤を供給して硫黄成分の浄化効果の低下を抑えることができる。
【００１６】
請求項４の発明によれば、トラップ触媒の温度は、エンジンの運転状態から間接的に又はセンサから直接的に検出されることにより、車両仕様に応じたシステムを構成できる。
【００１７】
請求項５の発明によれば、トラップ触媒の昇温要求時において、エンジンの吸気行程から点火時期までの前段噴射と当該点火時期以降の膨張行程の後段噴射とに分割して燃料を噴射する第１分割噴射制御を実行する一方、エンジンの点火時期以前において前段噴射と後段噴射とに分割して燃料を噴射する第２分割噴射制御を実行すると共に、トラップ触媒に吸着した排気ガス中の硫黄成分量を推定し、推定された硫黄成分量が閾値に達していると判定され、トラップ触媒が活性化する温度よりも高い時、エンジンの運転状態に応じて第１又は第２分割噴射制御を切り換えて実行することにより、第１分割噴射制御ではターボ過給機の撹拌による硫黄還元剤の減少を考慮して硫黄放出時に触媒高温化下で硫黄還元剤を供給し、硫黄成分の浄化効果の低下を抑え、第２分割噴射制御では噴射増量しないので燃費を向上させることができる。
【００１８】
請求項６の発明によれば、車速が所定車速以上ならば前記第１分割噴射制御を実行すると共に、所定車速以下ならば前記第２分割噴射制御を実行することにより、高車速時にはターボ過給機の撹拌による硫黄還元剤の減少を考慮して硫黄放出時に触媒高温化下で硫黄還元剤を供給し、硫黄成分の浄化効果の低下を抑え、低車速時には噴射増量しないので燃費を向上させることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る実施形態のターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
尚、以下に説明する実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で下記実施形態を修正又は変形したもの、例えば、筒内噴射式エンジンだけでなくポート噴射エンジンや、ガソリン、ディーゼル、その他の排気ガスの浄化が必要な内燃機関に適用可能である。
［全体構成］
図１に示すように、本実施形態のターボ過給機付きエンジンは火花点火式の筒内噴射式エンジン１（以下、「エンジン１」という。）であり、吸気弁２が開かれたときに、吸気通路３から燃焼室４内に燃料燃焼用のエアを吸入するようになっている。そして、この燃焼室４内のエア中に、所定のタイミングで燃料噴射弁５（燃料噴射装置）から燃料（ガソリン）が直接噴射され、混合気が形成される。
【００２１】
この混合気は、ピストン６によって圧縮され、所定のタイミングで点火プラグ７（火花点火装置）により点火されて燃焼する。燃焼ガスすなわち排気ガスは、排気弁８が開かれたときに排気通路９に排出される。
【００２２】
燃料噴射弁５には、燃料供給通路１０を介して、高圧燃料ポンプ１１によって燃料が供給される。このように、高圧燃料ポンプ１１が用いられているので、燃焼室４内が高圧となる圧縮行程後半でも支障なく燃料噴射を行うことができる。燃料噴射弁５はスワール型インジェクタであって、燃料噴射孔が燃焼室４に直接臨むように配置されている。また、燃料噴射弁５は、ピストン６が上死点位置近傍に位置するときに、該ピストン６の頂部に形成されたキャビティ６ａ内に向けて燃料を噴射できるように配置されている。これにより、圧縮行程後半において燃料噴射弁５から噴射された燃料が、キャビティ６ａによってはね返され、点火プラグ７まわりに層状化（成層化）される。このように、燃料ないしは混合気が層状化されてその着火性が高められるので、空燃比を大幅にリーンにすることができ、燃費性能が高められる。
【００２３】
吸気通路３には、エア（吸気）の流れ方向にみて、上流側から順に、エアを絞るエレキスロットルバルブ１２と、エアの流れを安定させるサージタンク２１と、スワールを生成するために燃焼室４へのエアの流入方向を調整するガス流動御弁１３とが設けられている。ここで、エレキスロットルバルブ１２は、コントロールユニット２０（ＥＣＵ）から出力される制御信号に応じて作動する電気式アクチュエータ１２ａによって駆動され、燃焼室４に流入するエア量を調節するようになっている。なお、図示していないが、エレキスロットルバルブ１２より上流側において、吸気通路３には、上流側から順に、エア中のダスト等を除去するエアクリーナ（図示せず）と、エア流量を検出するエアフローセンサと、後で説明するターボ式過給機１５のブロワ（ポンプ）と、ブロワにより加圧されて高温となったエアを冷却するインタクーラとが設けられている。
【００２４】
排気通路９には、排気流れ方向に沿って上流側から順に、排気ガス中の酸素濃度ひいては空燃比を検出するリニアＯ₂センサ１４（λ＝１近傍で出力が逆転する普通のλＯ₂センサでもよい）と、ターボ過給機１５のタービン１５ａと、上流触媒コンバータ１６と、下流触媒コンバータ１７とが設けられている。
【００２５】
詳しくは図示していないが、上流触媒コンバータ１６は２ベッドタイプのものであって、その上流側のベッドにはＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ等を浄化する三元触媒が装填され、下流側のベッドには主としてＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒が装填されている。なお、上流触媒コンバータ１６を１ベッドタイプとして、三元触媒のみを装填するようにしてもよい。
【００２６】
また、下流触媒コンバータ１７は１ベッドタイプのものであって、空燃比がリーンで排気ガス中のＮＯｘをトラップし、空燃比がリッチになった時にＮＯｘを放出しつつ排気ガス中のＨＣと反応してＨ₂、Ｎ₂、ＣＯ₂に還元されることによりＮＯｘを浄化するＮＯｘトラップ触媒が装填されている。なお、いずれの触媒も、その温度が活性化温度以上になると十分な浄化力を発揮するが、その温度が活性化温度より低いと、十分な浄化力は得られない。
【００２７】
また、上流及び下流触媒コンバータ１６，１７には各触媒温度を直接的に検出する触媒温度センサ１６ａ，１７ａが配設されている。尚、両触媒１６，１７の温度はエンジン回転数、エンジン水温、始動後の経過時間、排気ガス温度、空燃比などの運転状態から間接的に推定することもできる。
【００２８】
また、排気通路９には、両触媒１６，１７に流入する直前の排気ガスの温度を検出する排気温センサ２７が配設されている。
【００２９】
更に、エンジン１には、排気通路９内の排気ガスの一部を吸気通路３に還流させるＥＧＲ通路１８が設けられ、このＥＧＲ通路１８に、ＥＧＲガス流量を制御するＥＧＲ弁１９が介設されている。なお、吸気弁２は、可変バルブタイミング機構２２により、その開弁期間及び開閉タイミングを変えることができる。
【００３０】
コントロールユニット２０は、エンジン１の総合的な制御装置であって、各種制御情報に基づいて種々のエンジン制御を行うようになっている。具体的には、コントロールユニット２０には、吸入空気量、スロットル開度、クランク角、エンジン回転数、エンジン水温（エンジン温度）、空燃比等の各種制御情報が入力される。そして、コントロールユニット２０は、これらの制御情報に基づいて、燃料噴射弁５の燃料噴射量制御（空燃比制御）及び噴射タイミング制御、点火プラグ７の点火時期の制御（点火時期制御）、エレキスロットルバルブ１２の開度の制御、ＥＧＲ弁１９の開度の制御、ガス流動制御弁１３の開度の制御、吸気弁２の開弁期間及び開閉タイミングの制御等を行う。
【００３１】
しかしながら、コントロールユニット２０によるエンジン１の通常の制御は一般に知られており、またかかる通常の制御は本願発明の要旨とするところでもないのでその説明を省略し、以下では本願発明の要旨である排気ガス浄化制御にかかわるＮＯｘ放出制御及びＮＯｘトラップ触媒に付着したＳＯｘ（硫黄成分）を放出する硫黄被毒回復制御について説明する。
［排気ガス浄化制御］
先ず、ＮＯｘ浄化制御についてを概説する。図２は、このエンジン１の目標空燃比マップである。同図に示すように、このマップにおいては、エンジン回転数とエンジン負荷とをパラメータとするエンジンの運転領域が、低中回転低中負荷の第１の領域Ａと、高回転高負荷の第２の領域Ｂと、これらの領域Ａ，Ｂの間に設けられた第３の領域Ｃと、所定エンジン回転数以上の低負荷領域に設けられ、燃焼室４内への燃料の噴射が停止される燃料カット領域Ｄとに分割されている。
【００３２】
最も運転頻度の高い第１の領域Ａは、空燃比（Ａ／Ｆ）を大きくするリーン運転領域である。このリーン運転領域Ａにおけるリーン運転時は、燃料を圧縮行程中に噴射し（後段噴射）、燃料を点火プラグ５の近傍に偏在させて成層燃焼させる。このリーン運転時は、排気ガス中のＣＯやＨＣの排出量が少なくなる一方、酸素濃度及びＮＯｘ濃度が高くなる。しかし、ＮＯｘはＮＯｘトラップ触媒１７に吸収されるから、燃費性能と排気性能とが共に向上することになる。
【００３３】
また、高速運転時や加速時等の運転領域である第２の領域Ｂは、空燃比を小さくするリッチ運転領域である。このリッチ運転領域Ｂにおけるリッチ運転時は、燃料を吸気行程中に噴射し（前段噴射）、燃料を燃焼室４内で充分に気化霧化させる。このリッチ運転時は、排気ガス中のＣＯやＨＣの排出量が多くなる一方、酸素濃度及びＮＯｘ濃度が低くなる。しかし、ＮＯｘトラップ触媒１７にトラップされていたＮＯｘと、ＣＯ，ＨＣとが酸化還元反応するから、良好なトルクが得られると共に排気性能が向上することになる。
【００３４】
さらに、第３の領域Ｃは、空燃比を理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）にする理論空燃比運転領域（λ１運転領域）である。この理論空燃比運転領域Ｃにおける理論空燃比運転時は、上記リッチ運転時と同様、燃料を吸気行程中に噴射し（前記噴射）、燃料を燃焼室４内で充分に気化霧化させる。この理論空燃比運転時は、排気ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘが三元触媒１６によって同時に浄化される。
【００３５】
図３のタイムチャートに示すように、リーン運転が継続するに伴い、ＮＯｘトラップ触媒１７にトラップされるＮＯｘ量が増加していく。これをそのまま放置すると、そのうち飽和状態となり、ＮＯｘトラップ触媒１７の触媒機能が低下するから、トラップしたＮＯｘを放出するために、図中符号アで示す所定の周期で、符号イで示す所定時間だけ、空燃比を理論空燃比（λ＝１）とする。明らかに、上記所定周期アは、ＮＯｘトラップ触媒１７がＮＯｘ飽和状態になるより短い周期に設定されている。これにより、ＮＯｘトラップ触媒１７のＮＯｘトラップ能力が回復し、再びＮＯｘを安定的にトラップできるようになる。
【００３６】
ＮＯｘトラップ触媒１７にトラップされたＮＯｘは、このように定期的且つ意図的に放出処理されるほか、運転者の運転操作に応じて、例えば、図中符号ウで示すように運転領域がリーン運転領域Ａからリッチ運転領域Ｂに切り換わったときや、理論空燃比運転領域Ｃに切り換わったときにも、当該触媒１７から放出され、ＮＯｘトラップ触媒１７のＮＯｘトラップ能力が回復することになる。
【００３７】
ところで、図２のマップのように制御されるエンジン１は、タービン１５ａで排気ガス温度が低下する（定常運転で約１００℃）ため、ＮＯｘトラップ触媒１７に対して硫黄被毒回復制御を実行するためには触媒温度を６５０℃程度まで昇温させる必要がある。
【００３８】
そして、圧縮行程で燃料を噴射する成層運転を行いながら、膨張行程で燃料を追加噴射することで触媒温度（排気ガス温度）を６５０℃程度まで昇温させることができる。
【００３９】
しかしながら、膨張行程で追加噴射された未燃燃料と排気ガス中の酸素とがタービン１５ａで撹拌されて（撹拌効果）、未燃燃料が排気通路９内で再燃焼して放出された硫黄の還元剤となる排気ガス中のＨＣが減少してしまい、硫黄成分の浄化が十分にできないという弊害がある。
【００４０】
そこで、上記弊害に対する対策として、本実施形態では硫黄被毒回復制御時に、圧縮行程での燃料と膨張行程での燃料とを略同一にして噴射し、且つ理論空燃比（λ＝１）で運転することでＮＯｘトラップ触媒１７を早期に６５０℃程度まで昇温させる一方、当該触媒１７が所望温度に達したら圧縮行程での燃料割合を膨張行程での燃料に比べて増加して噴射しつつ、空燃比をリッチ（λ＜１）にして運転することで排気ガス中の酸素濃度を低下させて撹拌効果を抑え、硫黄の還元に必要なＨＣを供給できるようにしている。
［硫黄被毒回復制御］
図４は、本実施形態の硫黄被毒回復制御について説明するフローチャートである。図５は、図４の硫黄被毒回復制御において実行される燃料噴射制御を示すタイムチャートである。
【００４１】
図４及び図５に示すように、ステップＳ１，Ｓ３では、硫黄被毒時間Ｔｓ及びリーン継続時間Ｔｌｎを計測する。ステップＳ５では、空燃比がリーンな成層燃焼領域において、前回の硫黄放出終了時点から現在までにＮＯｘトラップ触媒１７に付着した硫黄付着量Ｓａを推定する。
【００４２】
次のステップＳ７では、上記硫黄付着量ＳａがＮＯｘトラップ触媒１７のＮＯｘトラップ特性から決まる許容付着量Ｓ０を超えたか否か判定し、許容付着量Ｓ０を下回るならば（ステップＳ３でＮＯ）、上記ステップＳ１にリターンして上記処理を繰返し実行する。
【００４３】
一方、ステップＳ７で許容付着量Ｓ０に達したならば（ステップＳ７でＹＥＳ）、ステップＳ９に進み、圧縮行程と膨張行程で略同一の燃料を噴射し、且つ理論空燃比（λ＝１）で運転する。
【００４４】
ステップＳ１１では、ＮＯｘトラップ触媒温度としての排気ガス温度Ｔｍｐが硫黄を放出し浄化可能な目標温度Ｔ０（６５０℃程度）まで昇温したか判定し、目標温度Ｔ０に達したならば（ステップＳ１１でＹＥＳ）、ステップＳ１３に進む。
【００４５】
ステップＳ１３では、現在の運転状態を判定するにあたり、車速Ｖが所定車速Ｖ０より高いか判定し、車速Ｖが所定車速Ｖ０よりも高くエンジンが高負荷運転状態ならば（ステップＳ１３でＹＥＳ）、ステップＳ１５に進み、圧縮行程での前段噴射量を膨張行程での後段噴射量に比べて増加して噴射しつつ、空燃比をリッチ（λ＜１）にして運転する。
【００４６】
また、ステップＳ１３で車速Ｖが所定車速Ｖ０よりも低くエンジンが低負荷運転状態ならば（ステップＳ１３でＮＯ）、ステップＳ１７に進み、吸気行程での前段噴射量と圧縮行程での後段噴射量とを略同じ量で噴射し、或いは圧縮行程において前段噴射と後段噴射に分割して燃料を噴射しつつ、空燃比をリッチ（λ＜１）にして運転する。これにより、噴射増量しないので燃費を向上させることができる。
【００４７】
次のステップＳ１９では、硫黄残存量Ｓｒを推定し、ステップＳ１７で硫黄残存量Ｓｒが零になるまで硫黄残存量Ｓｒの演算を継続する。
【００４８】
ステップＳ２１で硫黄残存量Ｓｒが零になったならば（ステップＳ２１でＹＥＳ）、ステップＳ２３で空燃比をリーン化して硫黄被毒回復制御を終了し、通常のエンジン制御に移行させる。
［硫黄付着量Ｓａの演算］
上記ステップＳ５における硫黄付着量Ｓａの推定は、具体的には、図６に示すフローチャートに従って行われ、ステップＳ４１で、図１に示す各センサからのデータを読み込んだうえで、前回硫黄付着量Ｓａを推定してから今回硫黄付着量Ｓａを推定するまでの間にインジェクタ５から噴射された燃料（燃料供給量）Ｔｐを算出する。
【００４９】
次に、ステップＳ４２で、上記燃料供給量Ｔｐに基づいて、前回硫黄付着量Ｓａを推定してから今回硫黄付着量Ｓａを推定するまでの間に増加した硫黄付着量（すなわち、単位時間当たりにＮＯｘトラップ触媒１７に付着した硫黄付着瞬時量）の基本値Ｓｖを設定する。ここで、この基本硫黄増加量Ｓｖは、図７に示すように、硫黄の発生源である燃料の上記供給量Ｔｐに略比例する。
【００５０】
次に、ステップＳ４３〜Ｓ４５で、上記基本硫黄増加量Ｓｖに対する補正係数Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３をそれぞれ設定する。すなわち、ステップＳ４３では排気温センサ２７で検出された排気ガス温度Ｔｍｐに基づいて第１補正係数Ｋ１を、ステップＳ４４では上記ステップＳ３で計測されたリーン運転継続時間Ｔｌｎに基づいて第２補正係数Ｋ２を、そして、ステップＳ４５では硫黄付着量の前回値（既硫黄付着量）Ｓａ［ｉ−１］に基づいて第３補正係数Ｋ３を設定する。
【００５１】
ここで、第１補正係数Ｋ１は、図８に示すように、所定の排気ガス温度Ｔｍｐ’をピークにそれより高くなってもまた低くなっても小さい値に設定される。また、第２補正係数Ｋ２は、図９に示すように、所定のリーン運転継続時間Ｔｌｎ’をピークにそれより長くなってもまた短くなっても小さい値に設定される。また、第３補正係数Ｋ３は、図１０に示すように、所定の既硫黄被毒量Ｓａ'より多くなったときに小さい値に設定される。
【００５２】
特に第２補正係数Ｋ２が上記のような特性であるのは、およそ次のような理由による。すなわち、リーン運転時間Ｔｌｎが長いときは、図１１に模式的に示すように、ＮＯｘ触媒装置１７に用いられているＮＯｘ吸収材の主成分であるバリウム（Ｂａ）にすでに多量のＮＯｘや硫黄（Ｓ）が付着している。そのため、新規に硫黄がバリウムに付着し難くなり、単位時間あたりの硫黄付着量が減少する。
【００５３】
また、リーン運転時間Ｔｌｎが短いときには、図１２に模式的に示すように、硫黄とバリウムとの接触時間が短くなるため、これらの硫黄とバリウムとの間に強固な結合が生成し難くなり、次に理論空燃比運転やリッチ運転に切り換わったときに、硫黄がＮＯｘ同様、放出され易くなり、やはり単位時間あたりの硫黄付着量が減少する。
【００５４】
つまり、時間の経過とともに累積の硫黄付着量Ｓａは増加するにしても、例えば、同じ５分間のリーン運転であっても、１分間のリーン運転を５回行ったときに比べて、５分間のリーン運転（図９に示す所定のリーン運転継続時間Ｔｌｎ’に相当する）を１回行ったときの方が、硫黄付着量の累積総量が多くなるのである。また、例えば、同じ２０分間のリーン運転であっても、２０分間のリーン運転を１回行ったときに比べて、５分間のリーン運転（同じく、図９に示す所定のリーン運転継続時間Ｔｌｎ’に相当する）を４回行ったときの方が、同じく硫黄付着量の累積総量が多くなるのである。
【００５５】
したがって、連続リーン運転時間を上記所定時間Ｔｌｎ’を避けて、それより短くするか、あるいは長くすることが、硫黄成分をＮＯｘ吸収材に付着させ難くする観点から有利となり、前述のＮＯｘ浄化制御においてＮＯｘ放出のために定期的に空燃比を理論空燃比とする周期（ア）は、例えば、上記所定時間Ｔｌｎ’より短く設定されている。
【００５６】
そして、このような特性を有する第２補正係数Ｋ２で、基本硫黄増加量Ｓｖを補正することにより、一層精度の高い硫黄付着量Ｓａの推定が行える。
【００５７】
次に、ステップＳ４６で、下記式に従って、上記基本硫黄増加量Ｓｖに第１〜第３補正係数Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３を乗算することにより、補正硫黄増加量Ｓｖ’を算出する。
【００５８】
Ｓｖ’＝Ｓｖ×Ｋ１×Ｋ２×Ｋ３
そして、ステップＳ４７で、下記式に従って、上記補正硫黄増加量Ｓｖ’を前回推定した既硫黄付着量Ｓａ［ｉ−１］に加算することにより、今回の硫黄付着量Ｓａを算出する。
【００５９】
Ｓａ＝Ｓａ［ｉ−１］＋Ｓｖ’
なお、硫黄被毒、すなわちＮＯｘ吸収材への硫黄成分の付着は、排気ガスが先に流入するＮＯｘトラップ触媒１７の上流部分から優先して始まる。つまり、触媒装置１７は一様には硫黄成分が付着せず、硫黄成分は排気ガスの通過経路に沿って偏って付着する。それゆえ、硫黄付着量Ｓａを推定するにあたり、触媒装置１７を排気ガスの通過経路に沿って一般にｎ個のブロックに分割して考え、各ブロック毎に硫黄付着量Ｓａ［ｊ］（ｊ＝１〜分割数ｎ）を推定して、その総和（Ｓａ［１］＋…＋Ｓａ［ｎ］）を触媒１７全体の硫黄付着量Ｓａとすることができる。明らかに、上流側ブロックの硫黄付着量Ｓａ［ｊ］は、下流側ブロックのそれに比べて多く推定されることになる。
【００６０】
あるいは、各ブロック毎に推定した硫黄付着量Ｓａ［ｊ］の平均値（（Ｓａ［１］＋…＋Ｓａ［ｎ］）／ｎ）を触媒１７の硫黄付着量Ｓａを代表する値として取り扱うようにすることもできる。
［硫黄残存量Ｓｒの演算］
上記ステップＳ１５における硫黄残存量Ｓｒの推定は、図１４に示すフローチャートに従って行われ、先ず、ステップＳ７１で、排気ガス温度Ｔｍｐが６５０℃以上であるか否かを判定し、その結果、排気ガス温度Ｔｍｐが６５０℃未満のときは、ステップＳ７２で硫黄被毒回復処理時間Ｔｒをリセットし、６５０℃以上のときは、ステップＳ７３で硫黄被毒回復処理時間Ｔｒを計測する。
【００６１】
つまり、上記ステップＳ７で、図１３を用いて第１目標温度Ｔ１を設定したときと同様に、排気ガス温度ＴｍｐひいてはＮＯｘトラップ触媒１７の温度が最低限６５０℃以上のときに硫黄成分が放出され得るものとして、この６５０℃を硫黄成分の放出可能温度の最低温度としているのである。もちろん、例えばＮＯｘトラップ触媒１７に流入する排気ガスの空燃比などのその他の環境条件などにより、この硫黄成分放出可能温度はいろいろな値に設定され得るものである。
【００６２】
次いで、ステップＳ７４以下において、上記硫黄被毒回復処理時間Ｔｒと、排気温センサ２７によって検出された排気ガス温度Ｔｍｐとに基づいて、硫黄放出量を推定し、該硫黄放出量から硫黄残存量Ｓｒを推定する。
【００６３】
まず、このステップＳ７４以下で行う硫黄残存量Ｓｒの推定方法の概略を説明する。図６の硫黄付着量Ｓａの推定で述べたように、排気ガスは図１５に示すようにＮＯｘトラップ触媒１７の上流部分から先に流れ込む。従って、図４の硫黄被毒回復処理においても、硫黄放出可能温度にまで昇温された排気ガスはＮＯｘ吸収材の上流部分から先に流れ込み、該上流部分が先に昇温されて、硫黄の放出は該上流部分において優先して始まる。つまり、ＮＯｘトラップ触媒１７は一様には硫黄成分が放出除去されず、硫黄成分は排気ガスの通過経路に沿って偏って除去され、偏って残存する。
【００６４】
それゆえ、硫黄放出量ないし残存量Ｓｒを推定するにあたり、触媒１７を、図１５に示すように、排気ガスの通過経路に沿って一般にｎ個のブロック（斜線を施した部分）に分割して考え、各ブロック毎に硫黄残存量Ｓｒ［ｊ］（ｊ＝１〜分割数ｎ）を推定して、その総和（Ｓｒ［１］＋…＋Ｓｒ［ｎ］）を触媒１７全体の硫黄残存量Ｓｒとするのである。これにより、精度のよい硫黄放出量ないし硫黄残存量の推定を図ることが可能となる。明らかに、図１５において左側の上流側ブロックの硫黄残存量Ｓｒ［ｊ］は、下流側ブロックのそれに比べて少なく推定される。
【００６５】
なお、各ブロック毎に推定した硫黄残存量Ｓｒ［ｊ］の総和（Ｓｒ［１］＋…＋Ｓｒ［ｎ］）に代えて、各ブロック毎に推定した硫黄残存量Ｓｒ［ｊ］の平均値（（Ｓｒ［１］＋…＋Ｓｒ［ｎ］）／ｎ）を触媒１７の硫黄残存量Ｓｒを代表する値として取り扱うようにしてもよい。
【００６６】
この実施の形態においては、一例として、図１５に示すように、ＮＯｘトラップ触媒１７を１０個のブロックに分割して考えている（ｊ＝１〜１０）。ステップＳ７４では、硫黄被毒回復処理時間Ｔｒと排気ガス温度Ｔｍｐとに基づいて、全ＮＯｘ吸収材の容積のうち、硫黄成分が完全に放出除去された領域（完全除去領域）ＳＡの割合（％）、換言すればブロックの数を、図１６に示すような特性のマップから設定する。図１６に示すように、完全除去領域ＳＡは、硫黄被毒回復処理時間Ｔｒが長くなるほど、また、排気ガス温度Ｔｍｐが高くなるほど、大きくなる。つまり、完全除去領域ＳＡに属するブロックの数が多くなる。
【００６７】
図１６のマップは、例えば、排気ガス温度Ｔｍｐが７００℃のときは、硫黄被毒回復処理時間Ｔｒがｔ１に到達したときに、また、排気ガス温度Ｔｍｐが６５０℃のときは、それより長いｔ２に到達したときに、１０個のブロック全部から硫黄が放出され、完全除去領域ＳＡが１００％となることを示している。
【００６８】
次のステップＳ７５では、同じく硫黄被毒回復処理時間Ｔｒと排気ガス温度Ｔｍｐとに基づいて、ＮＯｘ吸収材のうち、硫黄成分が部分的に放出除去された領域（部分除去領域）ＳＢの割合（％）（ブロック数）を、図１７に示すような特性のマップから設定する。図１７に示すように、部分除去領域ＳＢは、少なくとも硫黄被毒回復処理時間Ｔｒが長くなるに従って小さくなり、完全除去領域ＳＡが１００％となったとき（ｔ１またはｔ２）に消滅する。
【００６９】
なお、硫黄成分が全く除去されていない未除去領域ＳＣの割合（％）（ブロック数）は、上記完全除去領域ＳＡの割合と部分除去領域ＳＢの割合とを加えた値を、全ＮＯｘ吸収材の容積から減算することにより求められる。
【００７０】
次のステップＳ７６では、同じく硫黄被毒回復処理時間Ｔｒと排気ガス温度Ｔｍｐとに基づいて、部分除去領域ＳＢにおける硫黄除去率α（％）を、図２３に示すような特性のマップから設定する。図１８に示すように、部分除去領域ＳＢにおける硫黄除去率α（％）は、この実施の形態においては、硫黄被毒回復処理時間Ｔｒとは無関係に、排気ガス温度Ｔｍｐが高くなるほど大きくなるように設定されている。
【００７１】
なお、部分除去領域ＳＢにおける硫黄残存率β（％）は、（１００−α）％であり、また、完全除去領域ＳＡにおける硫黄除去率は１００％（硫黄残存率は０％）、未除去領域ＳＣにおける硫黄除去率は０％（硫黄残存率は１００％）である。
【００７２】
次のステップＳ７７では、以上得られた各データから最終的にＮＯｘ吸収材全体の硫黄残存量Ｓｒを算出する。そのためには、例えば、各領域ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ毎に放出された硫黄成分の量を推定し、その総和を求め、そして、その値をステップＳ３で推定した硫黄付着量Ｓａから減算する。あるいは、各領域ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ毎に放出された硫黄成分の量を推定し、その値を各領域ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ毎に付着した硫黄成分の量（例えば「Ｓａ／ｊ（ブロックの数）」とする）から減算し、そして、その総和を求めてもよい。
【００７３】
ここで、完全除去領域ＳＡに属するブロック（上流側ブロック）の各硫黄残存量Ｓｒ［ｊ］はゼロであり、未除去領域ＳＣに属するブロック（下流側ブロック）の各硫黄残存量Ｓｒ［ｊ］はステップＳ３で推定された各硫黄付着量（Ｓａ／ｊ）のままであり、そして、部分除去領域ＳＢに属するブロック（中央部のブロック）の各硫黄残存量Ｓｒ［ｊ］は、（（Ｓａ／ｊ）×（１００−α））であるから、ＮＯｘ吸収材全体の総硫黄残存量Ｓｒは、例えば下記式に従って求められる。
【００７４】
Ｓｒ＝Ｓａ／ｊ×（１００−α）×（ｊ×ＳＢ／１００）＋Ｓａ／ｊ×（ｊ×ＳＣ／１００）
なお、式中に記した「ＳＢ」、「ＳＣ」は、それぞれＮＯｘ吸収材のうちの部分除去領域、未除去領域の割合（％）を示すものとする。そして、同じく式中に記した「（ｊ×ＳＢ／１００）」，「（ｊ×ＳＣ／１００）」は、それぞれ部分除去領域、未除去領域に属するブロックの数を示すものとする。
【００７５】
ここで求められたＮＯｘ吸収材全体の総硫黄放出量または総硫黄残存量Ｓｒは、一回一回の硫黄被毒回復処理について放出された硫黄放出量または硫黄残存量であって、各硫黄被毒回復処理の結果放出された硫黄放出量または硫黄残存量の累積量ではない。そして、該放出量あるいは残存量を求めるためのパラメータである硫黄被毒回復処理時間Ｔｒは、ステップＳ７１，Ｓ７２で、排気ガス温度Ｔｍｐが硫黄放出可能温度（６５０℃）以上とならなくなったときにリセットされるから、硫黄放出が連続して実行された時間を示し、途切れ途切れに硫黄放出が行なわれた時間の累積ではない。
【００７６】
例えば、１分間の硫黄被毒回復処理を５回行っても、採用される硫黄被毒回復処理時間Ｔｒは、各硫黄被毒回復処理すべてにおいて１分間であるから、図１６〜図１８に示すマップからは、排気ガス温度Ｔｍｐが同じであれば、常に同じ完全除去領域ＳＡの割合、同じ部分除去領域ＳＢの割合、および同じ部分除去領域ＳＢにおける硫黄除去率αが読み出され、したがって、結果的に、同じ硫黄放出量、同じ硫黄残存量が算定されることになり、硫黄放出量または硫黄残存量が更新されることはない。つまり、各１分間の硫黄被毒回復処理の結果算定された各硫黄放出量または硫黄残存量をすべて累積総和するものではないのである。
【００７７】
したがって、例えば、同じ５分間の硫黄被毒回復処理であっても、このように１分間の硫黄被毒回復処理を５回行ったときに比べて、５分間の硫黄被毒回復処理を１回行ったときの方が、硫黄放出量が多くなり、硫黄残存量が少なくなる。
【００７８】
そして、例えば、１分間の硫黄被毒回復処理が行なわれたのちに、次に２分間の硫黄被毒回復処理が行なわれたときに、硫黄放出量あるいは残存量の値が、その２分間の硫黄放出の結果算定された、より大きい硫黄放出量、あるいは、より小さい残存量の値に更新されることになる。
【００７９】
つまり、硫黄被毒回復処理は、前述したように、昇温された排気ガスが先に流れ込むＮＯｘ吸収材の上流部分から優先して始まり、加熱が遅れるＮＯｘ吸収材の下流部分は時間がある程度経過しないとなかなか硫黄が除去されない。そして、一回の硫黄被毒回復処理が終了して、次に再び硫黄被毒回復処理が行われるまでの間に、ＮＯｘ吸収材はまた温度が低下するから、この二回目の硫黄被毒回復処理においても、再度、ＮＯｘ吸収材は上流部分から加熱され始める。したがって、このときに、また前回と同じ、またはそれ以下の時間で、この二回目の硫黄被毒回復処理が終了すると、この二回目の硫黄被毒回復処理では、全く何も新しく硫黄が除去されることのないまま終わることになるのである。したがって、硫黄放出連続時間Ｔｒが短くなればなるほど、全体の硫黄除去率が低下し、硫黄放出連続時間Ｔｒが長くなればなるほど、全体の硫黄除去率が向上するということができる。
【００８０】
ところで、一般に、リッチ運転時及び理論空燃比運転時は、リーン運転時に比べて、排気ガス温度Ｔｍｐが高くなり、自然に硫黄放出可能温度（例えば６５０℃）またはそれ以上にまで上昇することがある。つまり、ステップＳ１０の硫黄被毒回復処理を行わなくても、リッチ運転時又は理論空燃比運転時は、硫黄放出をしているのと同じ効果が得られる場合があるのである。
【００８１】
したがって、例えば、リッチ運転時又は理論空燃比運転時（λ≦１）であって、且つ、排気ガス温度が硫黄放出可能温度以上のとき（Ｔｍｐ≧６５０℃）は、硫黄被毒回復処理時における上記ステップＳ１１の硫黄放出量ないし硫黄残存量Ｓｒの推定手法と同じ手法を用いて、放出除去された硫黄成分の量を推定し、それをステップＳ３で推定した硫黄付着量Ｓａから減じる等して該推定硫黄付着量Ｓａを修正するとよい。
【００８２】
これにより、硫黄付着量Ｓａの推定精度がより向上し、無駄に早い時期に硫黄被毒回復処理が開始されたり、あるいは無駄に長く硫黄被毒回復処理が続行されるという、実際より多い量の硫黄付着量Ｓａを推定した場合に生じる不具合が回避されることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態のエンジンの制御システム構成図である。
【図２】本実施形態のエンジンについての空燃比マップを示す図である。
【図３】本実施形態のＮＯｘ浄化制御及び硫黄被毒回復制御における空燃比、ＮＯｘトラップ量、硫黄付着量の推移を示すタイムチャートである。
【図４】本実施形態の硫黄被毒回復制御を示すフローチャートである。
【図５】本実施形態の硫黄被毒回復制御における燃料噴射制御を示すタイムチャートである。
【図６】硫黄被毒回復制御における硫黄付着量の推定方法を示すフローチャートである。
【図７】硫黄被毒回復制御で用いる燃料供給量と基本硫黄増加量との関係を示す特性図である。
【図８】硫黄被毒回復制御で用いる排気ガス温度と第１補正係数との関係を示す特性図である。
【図９】硫黄被毒回復制御で用いる連続リーン運転時間と第２補正係数との関係を示す特性図である。
【図１０】硫黄被毒回復制御で用いる既硫黄付着量と第３補正係数との関係を示す特性図である。
【図１１】連続リーン運転時間が長いときの第２補正係数Ｋ２の特性を説明する模式図である。
【図１２】連続リーン運転時間が短いときの第２補正係数Ｋ２の特性を説明する模式図である。
【図１３】硫黄被毒経過時間と標準的な第１排気ガス目標温度との関係を示す特性図である。
【図１４】硫黄被毒回復制御における硫黄残存量の推定方法を示すフローチャートである。
【図１５】硫黄被毒回復制御における硫黄残存量の推定方法の特徴を説明するＮＯｘトラップ触媒の概念図である。
【図１６】硫黄残存量推定中の完全硫黄除去領域割合の設定で用いる硫黄被毒回復処理時間と完全硫黄除去領域割合との関係を示す特性図である。
【図１７】硫黄残存量推定中の部分硫黄除去領域割合の設定で用いる硫黄被毒回復処理時間と部分硫黄除去領域割合との関係を示す特性図である。
【図１８】硫黄残存量推定中の部分硫黄除去領域での硫黄除去率の設定で用いる硫黄被毒回復処理時間と該除去率との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１ エンジン
２ 吸気弁
３ 吸気通路
４ 燃焼室
５ 燃料噴射弁
６ ピストン
７ 点火プラグ
８ 排気弁
９ 排気通路
１０ 燃料供給通路
１１ 高圧燃料ポンプ
１２ エレキスロットルバルブ
１２ａ 電気式アクチュエータ
１３ ガス流動制御弁
１４ リニアＯ₂センサ
１５ ターボ過給機
１５ａ タービン
１６ 上流触媒コンバータ（三元触媒）
１７ 下流触媒コンバータ（ＮＯｘトラップ触媒）
１８ ＥＧＲ通路
１９ ＥＧＲ弁
２０ コントロールユニット
２１ サージタンク
２２ 可変バルブタイミング機構
２７ 排気温センサ

Claims (6)

1. 排気通路におけるターボ過給機下流に排気ガス中のＮＯｘをトラップするトラップ触媒を備えるターボ過給機付き筒内噴射式エンジンの排気浄化装置において、
   前記トラップ触媒の昇温要求時において、燃料をエンジンの吸気行程から点火時期までの前段噴射と当該点火時期以降の膨張行程の後段噴射とに分割して噴射する第１分割噴射制御を実行する噴射制御手段と、
   前記トラップ触媒に吸着した排気ガス中の硫黄成分量を推定する推定手段とを備え、
   前記噴射制御手段は、前記推定された硫黄成分量が閾値に達していると判定され、前記トラップ触媒が活性化する温度以下の時、前記噴射制御手段は、前記前段噴射と前記後段噴射の燃料割合を略等しくすると共に、
   前記推定された硫黄成分量が閾値に達していると判定され、前記トラップ触媒が活性化する温度よりも高い時、前記前段噴射の燃料割合を前記後段噴射の燃料割合に対して大きくして、前記第１分割噴射を実行することを特徴とするターボ過給機付き筒内噴射式エンジンの排気浄化装置。
2. 前記排気通路におけるトラップ触媒の上流に排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘを浄化する三元触媒が配設されており、前記トラップ触媒の昇温要求時において、当該トラップ触媒を通過する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりリッチに設定する空燃比設定手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のターボ過給機付き筒内噴射式エンジンの排気浄化装置。
3. 前記噴射制御手段は、エンジンの点火時期以前において前段噴射と後段噴射とに分割して燃料を噴射する第２分割噴射制御を実行し、
   前記推定された硫黄成分量が閾値に達していると判定されたときに、前記トラップ触媒が活性化する温度以下ならば前記第１分割噴射制御を実行すると共に、前記トラップ触媒が活性化する温度以上ならば前記第２分割噴射制御を実行することを特徴とする請求項１に記載のターボ過給機付き筒内噴射式エンジンの排気浄化装置。
4. 前記トラップ触媒の温度は、エンジンの運転状態から間接的に又はセンサから直接的に検出されることを特徴とする請求項３に記載のターボ過給機付き筒内噴射式エンジンの排気浄化装置。
5. 前記噴射制御手段は、エンジンの吸気行程から点火時期までの前段噴射と当該点火時期以降の膨張行程の後段噴射とに分割して燃料を噴射する前記第１分割噴射制御を実行する一方、エンジンの点火時期以前において前段噴射と後段噴射とに分割して燃料を噴射する第２分割噴射制御を実行し、
   前記推定された硫黄成分量が閾値に達していると判定され、前記トラップ触媒が活性化する温度よりも高い時、エンジンの運転状態に応じて前記第１又は第２分割噴射制御を切り換えて実行することを特徴とする請求項１に記載のターボ過給機付き筒内噴射式エンジンの排気浄化装置。
6. 前記噴射制御手段は、車速が所定車速以上ならば前記第１分割噴射制御を実行すると共に、前記所定車速以下ならば前記第２分割噴射制御を実行することを特徴とする請求項５に記載のターボ過給機付き筒内噴射式エンジンの排気浄化装置。

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