JP4702020B2 - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Description

本発明は、ＮＯｘ触媒やパティキュレートフィルタ等を備えた内燃機関の排気浄化システムに関する。

内燃機関の排気浄化システムとして、酸化能を有する前段触媒と、ＮＯｘ吸蔵能或いはＰＭ捕集能を有する排気浄化装置が直列に配置されたものが知られている。排気浄化装置のＰＭ捕集能やＮＯｘ吸蔵能を再生させる場合等には、排気浄化装置を昇温させる必要がある。排気浄化装置を昇温させる方法としては、前段触媒へ還元剤を供給し、還元剤の酸化反応熱により排気浄化装置へ流入する排気の温度を高める方法が知られている。

前段触媒へ還元剤を供給する場合には、前段触媒が活性している必要がある。前段触媒が活性しているか否かを判別する方法としては、前段触媒の床温を求め、求められた床温が活性温度域にあるか否かを判別する方法が一般的である。

触媒の床温を求める方法としては、内燃機関の運転状態から床温を推定し、推定された床温と触媒下流に配置された排気温度センサの測定値との差に基づいて推定温度を補正する方法が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２００３−３３６５３８号公報 特開２００３−２０６７２４号公報 特許第２５２３４５９号公報 特許第３３８７７９２号公報

ところで、触媒下流の排気温度は、触媒が活性しているか否かにかかわらず同等の温度を示す場合がある。このため、上記した従来の技術では、前段触媒が活性していない（失活）にもかかわらず前段触媒が活性していると誤判定される可能性があった。失活状態の前段触媒が活性していると誤判定されると、前段触媒へ供給された還元剤が酸化されずに大気中へ放出され、排気浄化装置の昇温に時間がかかり、或いは排気浄化装置で還元剤が酸化して該排気浄化装置が過昇温する可能性がある。

本発明は、上記したような種々の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、酸化能を有する前段触媒と、ＰＭおよび／またはＮＯｘを捕捉する排気浄化装置とが直列に配置された内燃機関の排気浄化システムにおいて、前段触媒の活性状態を正確に判別することにより排気浄化装置に対する還元剤の供給を好適に行える技術を提供することにある。

本発明は、上記した課題を解決するために、排気中のＰＭおよび／またはＮＯｘを捕捉する排気浄化装置と、前記排気浄化装置の上流に配置された酸化能を有する前段触媒と、前段触媒より上流の排気中に還元剤を供給する還元剤供給装置と、前段触媒の床温を実測する温度センサと、温度センサの測定値に基づいて前段触媒が活性しているか否かを判別する判別手段と、判別手段の判別結果に基づいて還元剤供給装置の作動を制御する制御手段と、を備えるようにした。

このような構成によれば、前段触媒の床温の実測値に基づいて前段触媒が活性しているか否かが判別されるため、前段触媒の活性状態を正確に判別することができる。前段触媒
の活性状態が正確に判別されると、前段触媒が活性していない状態（失活状態）の時に還元剤供給装置から還元剤が供給されなくなる。

前段触媒が失活している時に還元剤供給装置から還元剤が供給されると、還元剤が前段触媒で酸化されずに排気浄化装置へ到達する。排気浄化装置へ到達した還元剤は、排気浄化装置で酸化されきらずに大気中へ放出され、或いは一斉に酸化して排気浄化装置を過昇温させる可能性がある。

これに対し、前段触媒の失活時に還元剤供給装置から還元剤が供給されなくなると、還元剤が大気中へ放出されることが抑制され、或いは排気浄化装置の過昇温が抑制される。依って、燃費の悪化、排気エミッションの悪化、或いは排気浄化装置の熱劣化等が抑制される。

また、前段触媒の活性／失活が正確に判別されると、前段触媒が活性している時に還元剤供給装置から還元剤を供給させることができるため、前段触媒及び排気浄化装置の浄化性能を有効に活用することが可能となる。

尚、触媒は、排気の流れ方向における下流側の部位（後端部）から上流側の部位へ向かって順次活性する特性を有している。このため、触媒の下流側の部位が活性していても上流側の部位が失活している場合がある。逆に触媒の上流側の部位が活性している時は下流側の部位も活性していることになる。

依って、本発明に係る温度センサは、排気の流れ方向における前段触媒の中間部位より上流側に取り付けられることが好ましい。このように温度センサが前段触媒に取り付けられれば、温度センサの測定値が活性温度に達していれば、前段触媒の略全体が活性温度に達していると判別することができる。

本発明に係る排気浄化システムは、前段触媒が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒であり且つ排気浄化装置がＮＯｘ吸蔵能を具備するパティキュレートフィルタである時に好適である。

吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は酸化触媒に比べて失活し易いという特性を有している。このため、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の活性或いは失活を判別する場合には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の床温を正確に検出する必要がある。

吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の活性／失活が正確に判別されないと、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒及びパティキュレートフィルタのＮＯｘ吸蔵量を正確に推定することができなくなり、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒及びパティキュレートフィルタのＮＯｘ再生処理やＳ被毒回復処理の実行タイミングが不適当になる可能性がある。

これに対し、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の床温が実測されると、その実測値に基づいて吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の活性／失活が正確に判別されるようになる。その結果、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒及びパティキュレートフィルタのＮＯｘ吸蔵量を正確に推定することが可能となり、ＮＯｘ再生処理やＳ被毒回復処理の実行タイミングが適当なタイミングとなる。

本発明に係る内燃機関の排気浄化システムにおいて、判別手段は、排気浄化装置の浄化能力を再生させるべく還元剤供給装置から還元剤を供給させる再生処理が行われている時にも、温度センサの測定値に基づいて前段触媒が活性しているか否かを判別するようにしてもよい。

再生処理中に判別手段が前段触媒の失活を判別した場合には、制御手段は前記再生処理
の実行を停止させるべく還元剤供給装置からの還元剤の供給を停止させるようにしてもよい。

この場合、還元剤が大気中へ放出されたり、或いは還元剤が排気浄化装置で一斉に酸化して該排気浄化装置を過昇温させたりすることがなくなる。

本発明に係る内燃機関の排気浄化システムにおいて、判別手段は、排気浄化装置の再生処理が実行される前に還元剤供給装置から一定量の還元剤を供給させて前段触媒が活性しているか否か（言い換えれば、還元剤を酸化可能であるか否か）を判別するようにしてもよい。

判別手段により前段触媒が失活していると判別された場合には、制御手段が再生処理の実行を禁止することができる。その結果、還元剤供給装置が不要に還元剤を供給することがなくなる。

また、制御手段は、判別手段により前段触媒が失活していると判別された場合に、再生処理の実行を禁止して、前段触媒を活性させるための触媒活性処理を実行するようにしてもよい。

触媒活性処理としては、内燃機関を低温燃焼運転させる処理（以下、「第１の活性処理」と称する）と、内燃機関の燃料噴射弁からポスト噴射させる処理（以下、「第２の活性処理」と称する）と、前段触媒より上流の排気通路に設けられた還元剤添加弁から還元剤を添加させる処理（以下、「第３の活性処理」と称する）とから選択されるようにしてもよい。

前記第１〜第３の活性処理のうち前段触媒を最も活性させ易い処理は、第１の活性処理である。第１の活性処理の次に前段触媒を活性させ易い処理は、第２の活性処理である。従って、制御手段は、触媒活性処理を実行する際の内燃機関の運転状態および／または温度センサの測定値に基づいて第１の活性処理を実行可能か否かを判別し、第１の活性処理を実行可能であれば第１の活性処理を実行して前段触媒を活性させ、第１の活性処理を実行不可能であれば第２の活性処理を実行可能か否かを判別し、第２の活性処理を実行可能であれば第２の活性処理を実行して前段触媒を活性させ、第２の活性処理を実行不可能であれば第３の活性処理を実行して前段触媒を活性させることが好ましい。このように触媒活性処理の実行方法が選択されれば、前段触媒を可能な限り早期に活性させることが可能となる。

本発明によれば、酸化能を有する前段触媒と、ＰＭおよび／またはＮＯｘを捕捉する排気浄化装置とが直列に配置された内燃機関の排気浄化システムにおいて、前段触媒の活性状態を正確に判別することができるため、排気浄化装置に対する還元剤の供給を好適に行うことができる。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。

先ず、本発明の第１の実施例について図１〜図５に基づいて説明する。図１は、本発明に係る内燃機関の排気浄化システムの概略構成を示す図である。

図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を有する圧縮着火式の内燃機関（ディーゼルエ
ンジン）である。内燃機関１には、各気筒２内へ直接燃料を噴射する燃料噴射弁３が取り付けられている。

各気筒２には、吸気通路４を介して空気が導入されるようになっている。各気筒２へ導入された空気は、前記燃料噴射弁３から噴射された燃料とともに燃焼される。各気筒２で燃焼されたガス（既燃ガス）は、排気通路５へ排出されるようになっている。

内燃機関１から排気通路５へ排出された既燃ガス（排気）は、触媒ケーシング６を経て大気中へ放出される。触媒ケーシング６内には、前段触媒６０と排気浄化装置６１が排気の流れ方向に沿って順次直列に配置されている。更に、触媒ケーシング６には、排気浄化装置６１から流出した排気の温度を測定する排気温度センサ６２が取り付けられている。

前記した前段触媒６０は、酸化能を有した触媒である。このような前段触媒６０としては、ＨＣ吸着能を有する酸化触媒（ＨＣ吸着酸化触媒）や吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を例示することができるが、本実施例では吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を用いる例について述べる（以下では、前段触媒６０を「吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０」と記す）。前記した排気浄化装置６１は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が担持されたパティキュレートフィルタである（以下、「パティキュレートフィルタ６１」と記す）。

内燃機関１の排気が上記した触媒ケーシング６を通過すると、排気中のＮＯｘやＰＭ等が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０及びパティキュレートフィルタ６１によって排気中から取り除かれる。

触媒ケーシング６より上流の排気通路５には、該排気通路５内を流れる排気中に還元剤を添加する還元剤添加弁７が配置されている。この還元剤添加弁７から添加される還元剤としては、内燃機関１の燃料を利用することができる。

前記還元剤添加弁７は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０やパティキュレートフィルタ６１の浄化能力（ＮＯｘ吸蔵能やＰＭ捕集能）を再生させる時等に、還元剤としての燃料を排気中へ添加する。

前記吸気通路４と前記排気通路５は、ＥＧＲ通路８により相互に接続されている。ＥＧＲ通路８の途中には、ＥＧＲ弁９とＥＧＲクーラ１０が配置されている。吸気通路４において前記ＥＧＲ通路８の接続部位より上流には吸気絞り弁１１が配置されている。

前記した還元剤添加弁７、ＥＧＲ弁９、及び吸気絞り弁１１の動作は、ＥＣＵ１２によって制御されるようになっている。ＥＣＵ１２は、排気温度センサ６２、クランクポジションセンサ１３、或いはアクセルポジションセンサ１４などの各種センサの測定値より内燃機関１の運転状態を判別し、判別された運転状態に応じて前記した還元剤添加弁７、ＥＧＲ弁９、及び吸気絞り弁１１を制御する。

例えば、ＥＣＵ１２は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０及びパティキュレートフィルタ６１の浄化能を再生させるために各種の再生処理を実行する。再生処理としては、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０及びパティキュレートフィルタ６１に吸蔵されたＮＯｘを還元・浄化するＮＯｘ再生処理、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０及びパティキュレートフィルタ６１に吸蔵されたＳＯｘを還元・浄化するＳ被毒回復処理、パティキュレートフィルタ６１に捕集されたＰＭを酸化・浄化するＰＭ再生処理等を例示することができる。

ＮＯｘ再生処理では、ＥＣＵ１２は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０及びパティキュレートフィルタ６１の各々のＮＯｘ吸蔵量を推定し、各々のＮＯｘ吸蔵量が一定量以上となった
時に還元剤添加弁７を作動させて吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０又はパティキュレートフィルタ６１に吸蔵されたＮＯｘを還元・浄化する。

Ｓ被毒回復処理では、ＥＣＵ１２は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０及びパティキュレートフィルタ６１の各々のＳＯｘ吸蔵量を推定し、各々のＳＯｘ吸蔵量が予め定められた上限量に達した時に還元剤添加弁７を作動させて吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０及びパティキュレートフィルタ６１に吸蔵されたＳＯｘを還元・浄化する。

ＰＭ再生処理では、ＥＣＵ１２は、パティキュレートフィルタ６１のＰＭ捕集量を推定し、ＰＭ捕集量が一定量以上となった時に還元剤添加弁７を作動させてパティキュレートフィルタ６１に捕集されたＰＭを酸化・浄化する。

ところで、上記した各種再生処理においては吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０の活性状態、すなわち吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０が活性しているか或いは失活しているかの判別が重要となる。

吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０の活性状態が誤判定されると、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０及びパティキュレートフィルタ６１のＮＯｘ吸蔵量を推定する際の誤差が大きくなる可能性があるとともに、ＮＯｘ再生処理の際に還元剤添加弁７から添加された燃料により排気エミッションの悪化やパティキュレートフィルタ６１の過昇温を招く可能性がある。

例えば、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０が失活しているにもかかわらず活性していると誤判定されると、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０のＮＯｘ吸蔵量の推定値が実際の吸蔵量より多くなると同時にパティキュレートフィルタ６１のＮＯｘ吸蔵量の推定値が実際の吸蔵量より少なくなる。

このような場合には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０の実際のＮＯｘ吸蔵量が一定量に達していないにもかかわらずＮＯｘ再生処理が実行され、或いはパティキュレートフィルタ６１の実際のＮＯｘ吸蔵量が一定量を超えているにもかかわらずＮＯｘ再生処理が行われなくなる等の不具合が生じる。

また、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０の失活時に該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０が活性していると誤判定されると、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０が失活している時にパティキュレートフィルタ６１のＮＯｘ再生処理、ＳＯｘ被毒回復処理、或いはＰＭ再生処理が行われる可能性もある。

吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０が失活している時にパティキュレートフィルタ６１のＮＯｘ再生処理が行われると、還元剤添加弁７から添加された燃料（以下、「添加燃料」と称する）の略全てが吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０で酸化されずにパティキュレートフィルタ６１へ到達する。

パティキュレートフィルタ６１へ到達した添加燃料の一部は該パティキュレートフィルタ６１に吸蔵されているＮＯｘの還元・浄化に消費されるが、余剰の燃料がパティキュレートフィルタ６１で酸化されずに大気中へ放出される可能性がある。

吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０が失活している時にパティキュレートフィルタ６１のＳＯｘ被毒回復処理やＰＭ再生処理が行われると、添加燃料の略全てが吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０で酸化されずにパティキュレートフィルタ６１へ到達する。更に、添加燃料が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０で酸化されなければ、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０から流出する排気の温度（言い換えれば、パティキュレートフィルタ６１へ流入する排気の温度）が低くなる。

従って、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０が失活している時にパティキュレートフィルタ６１のＳＯｘ被毒回復処理やＰＭ再生処理が行われると、多量の添加燃料を含む低温な排気がパティキュレートフィルタ６１へ流入するようになる。

その際、パティキュレートフィルタ６１の温度が低ければ、パティキュレートフィルタ６１がＰＭやＳＯｘを浄化可能な温度域まで昇温することができなくなるとともに、添加燃料の一部がパティキュレートフィルタ６１において酸化されずに大気中へ放出される可能性がある。

一方、パティキュレートフィルタ６１の温度が高ければ、添加燃料がパティキュレートフィルタ６１において一斉に酸化して該パティキュレートフィルタ６１を過昇温させる可能性がある。

以上述べたように、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０の下流にパティキュレートフィルタ６１が配置された構成においては、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０の活性状態を正確に判別することが肝要となる。

吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０は、該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０の床温が一定温度（以下、「活性温度」と称する）以上である時に活性する。但し、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の活性状態は、酸化触媒のような酸化能が高い触媒に比して温度（床温）の影響を受け易い。そのため、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０の活性／失活を正確に判別する場合には吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の床温を正確に検出する必要がある。

吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０の床温を検出する方法として、従来では、図２に示すように吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０の直下流に排気温度センサ６００を取り付け、排気温度センサ６００の測定値（吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０から流出する排気の温度）から床温を推定する方法が用いられていた。

ところで、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０より下流の排気温度は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０の活性／失活にかかわらず同等の温度を示す場合がある。図３は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０の上流側端部から下流側端部の直下流までの各位置において温度（床温及び排気温度）を測定した結果を示す図である。

図３中の（ａ）は吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０が活性している時の測温結果を示し、図３中の（ｂ）は吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０が失活している時の測温結果を示している。図３（ａ）において、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０が活性している時は該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０内の温度が上流側端部から下流側端部にかけて略均等に高温となり、排気温度センサ６００の測定位置における温度（排気温度）Ｔ１も活性温度以上となる。

一方、図３（ｂ）において、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０が失活している時は該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０の上流側の部位が低温となり、下流側端部近傍が高温となっている。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０の下流側端部近傍が高温になると、該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０から流出する排気は、前記下流側端部近傍の熱を受けて高温となる。このため、排気温度センサ６００の測定位置における排気温度は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０が活性している時の排気温度Ｔ１と略同等になる。

図３に示したように排気温度センサ６００の測定値が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０の失活時と活性時で略同等になる事態が発生すると、前述した従来の活性状態判別方法において吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０が失活しているにもかかわらず活性していると誤判定される。
その結果、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０が失活している状態で還元剤添加弁７から燃料が添加され、排気エミッションの悪化、燃費の悪化、或いはパティキュレートフィルタ６１の過昇温が誘発される。

これに対し、本実施例の内燃機関の排気浄化システムでは、図１に示すように、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０の床温を直接測定する温度センサ６３が触媒ケーシング６に取り付けられるようにした。

その際、温度センサ６３は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０の上流側端部と下流側端部との中間位置より上流寄りに配置されることが好ましい。これは、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０の床温は、下流側の部位から上流側の部位へ順次昇温していく特性を有しているからである。

このように温度センサ６３が触媒ケーシング６に取り付けられた場合の温度センサ６３の測定位置における温度（床温）は、図４に示すように、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０の活性時（図４中（ａ）を参照）と失活時（図４中（ｂ）を参照）とで明確に異なる。すなわち、温度センサ６３の測定位置における温度は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０の活性時に活性温度より高くなり、且つ吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０の失活時に活性温度より低くなる。

依って、温度センサ６３の測定値に基づいて吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０の活性状態が判別されれば、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０の活性／失活が正確に判別されるようになる。その結果、前述した各種の再生処理を好適に行うことが可能となる。

以下、本実施例におけるパティキュレートフィルタ６１の再生処理について図５に沿って説明する。図５は、再生処理ルーチンを示すフローチャートである。この再生処理ルーチンは、ＥＣＵ１２によって所定期間毎に繰り返し実行されるルーチンである。

再生処理ルーチンでは、ＥＣＵ１２は、先ずＳ１０１においてパティキュレートフィルタ６１の再生処理実行条件が成立したか否かを判別する。再生処理実行条件は、ＮＯｘ再生処理の実行条件、ＰＭ再生処理の実行条件、或いはＳＯｘ被毒回復処理の実行条件の何れか一が成立することである。

前記Ｓ１０１において否定判定された場合は、ＥＣＵ１２は本ルーチンの実行を一旦終了する。一方、前記Ｓ１０１において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１２はＳ１０２へ進む。

Ｓ１０２では、ＥＣＵ１２は、温度センサ６３の測定値（吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０の床温）を読み込み、その測定値を第１の触媒床温Ｔｃ１として記憶する。

Ｓ１０３では、ＥＣＵ１２は、還元剤添加弁７から失活判断用の燃料添加を行わせる。具体的には、ＥＣＵ１２は、少量の燃料を還元剤添加弁７から添加させる。

Ｓ１０４では、ＥＣＵ１２は、温度センサ６３の測定値を読み込み、その測定値を第２の触媒床温Ｔｃ２として記憶する。

Ｓ１０５では、ＥＣＵ１２は、前記Ｓ１０４で読み込まれた第２の触媒床温Ｔｃ２から前記Ｓ１０２で読み込まれた第１の触媒床温Ｔｃ１を減算した値（＝Ｔｃ２-Ｔｃ１）が
所定値Ａ以上であるか否かを判別する。

前記した所定値Ａは、活性状態の吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０に対して失活判断用燃料添
加が行われた時の床温上昇量に相当する値であり、予め実験的に求められている値である。

前記Ｓ１０５において否定判定された場合（Ｔｃ２-Ｔｃ１＜Ａ）は、ＥＣＵ１２は、
Ｓ１１６へ進み、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０が失活していると判定する。この場合、ＥＣＵ１２は、再生処理を実行せずに本ルーチンの実行を終了する。これにより、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０が失活している時には再生処理が実行されないことになる。その結果、排気エミッションの悪化、燃費の悪化、或いはパティキュレートフィルタ６１の過昇温が防止される。

一方、前記Ｓ１０５において肯定判定された場合（Ｔｃ２-Ｔｃ１≧Ａ）は、ＥＣＵ１
２は吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０が活性している、若しくは添加燃料を酸化可能な状態にあると判定してＳ１０６へ進む。

Ｓ１０６では、ＥＣＵ１２は、還元剤添加弁７に燃料添加を行わせることにより再生処理（ＮＯｘ再生処理、ＰＭ再生処理、或いはＳ被毒回復処理）を開始する。この場合、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０が活性若しくは添加燃料を酸化可能な状態で再生処理が行われることになる。その結果、排気エミッションの悪化、燃費の悪化、或いはパティキュレートフィルタ６１の過昇温を抑制しつつパティキュレートフィルタ６１の浄化能が再生されるようになる。

Ｓ１０７では、ＥＣＵ１２は、再生処理実行中に温度センサ６３の測定値（以下、「第３の触媒床温Ｔｃ３」と称する）を読み込む。

Ｓ１０８では、ＥＣＵ１２は、前記Ｓ１０７で読み込まれた第３の触媒床温Ｔｃ３が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０の活性温度Ｔｒより低いか否かを判別する。

前記Ｓ１０８において肯定判定された場合（Ｔｃ３＜Ｔｒ）は、ＥＣＵ１２は、Ｓ１０９へ進み、排気温度センサ６２の測定値（以下、「排気温度Ｔｅｘ」と称する）を読み込む。

Ｓ１０９では、ＥＣＵ１２は、前記Ｓ１０８で読み込まれた排気温度Ｔｅｘが所定温度Ｔｌより高いか否かを判別する。所定温度Ｔｌは、パティキュレートフィルタ６１が過昇温した時の排気温度より若干低い温度であり、予め実験的に求められている。

前記Ｓ１０９において肯定判定された場合（Ｔｘ＞Ｔｌ）は、ＥＣＵ１２は、パティキュレートフィルタ６１において過多の添加燃料が酸化されている（言い換えれば、還元剤添加弁７から添加された燃料が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０で酸化されずにパティキュレートフィルタ６１へ到達している）とみなしてＳ１１１へ進む。

Ｓ１１１では、ＥＣＵ１２は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０が失活したと判定する。次いで、Ｓ１１２では、ＥＣＵ１２は、パティキュレートフィルタ６１の再生処理を中止（還元剤添加弁７からの燃料添加を中止）する。

上記したＳ１０７〜Ｓ１１２の処理によれば、パティキュレートフィルタ６１の再生処理実行中も吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０の活性／失活が判定されることになるため、再生処理実行中に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０が失活した時点で直ちに再生処理を中止することができる。その結果、不要な燃料添加が行われなくなるため、排気エミッションの悪化、燃費の悪化、或いはパティキュレートフィルタ６１の過昇温が防止される。

また、前記Ｓ１１０において否定判定された場合（Ｔｅｘ≦Ｔｌ）は、ＥＣＵ１２は、添加燃料の少なくとも一部が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０で酸化されており、且つパティキュレートフィルタ６１が過昇温する可能性が低いとみなしてＳ１１３へ進む。

Ｓ１１３では、ＥＣＵ１２は、パティキュレートフィルタ６１の再生処理終了条件が成立しているか否かを判別する。再生処理終了条件は従来一般に公知な条件であり、例えば、パティキュレートフィルタ６１に吸蔵されているＮＯｘ量が所定量以下まで減少している、パティキュレートフィルタ６１に吸蔵されているＳＯｘ量が所定量以下まで減少している、或いはパティキュレートフィルタ６１に捕集されているＰＭ量が所定量以下まで減少している等の条件である。

前記Ｓ１１３において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１２は、Ｓ１１４へ進み、パティキュレートフィルタ６１の再生処理を終了する。一方、前記Ｓ１１３において否定判定された場合は、ＥＣＵ１２は、前記Ｓ１０７へ戻って再生処理の実行を継続する。

また、前記Ｓ１０８において否定判定された場合（Ｔｃ≧Ｔｒ）は、ＥＣＵ１２は、Ｓ１１３へ進むようにしても良いが、本実施例ではＳ１１５へ進んで還元剤添加弁７やパティキュレートフィルタ６１の異常判定処理を行うようにしている。

異常判定処理では、ＥＣＵ１２は、例えば、パティキュレートフィルタ６１下流における排気温度（排気温度センサ６２の測定値）の単位時間当たりの上昇量を算出し、算出された上昇量が過剰に多ければ還元剤添加弁７が故障若しくはパティキュレートフィルタ６１の上流側端部にＰＭが詰まっていると判定するようにしてもよい。

以上述べたように、ＥＣＵ１２が再生処理ルーチンを実行すると、本発明に係る判別手段と制御手段が実現される。それにより、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０の活性状態が正確に判別されるため、還元剤添加弁７が不要に燃料添加を行うことがなくなる。依って、還元剤添加弁７の不要な燃料添加に起因した排気エミッションの悪化、燃費の悪化、或いはパティキュレートフィルタ６１の過昇温を防止することができる。

次に、本発明の第２の実施例について図６〜図７に基づいて説明する。ここでは、前述した第１の実施例と異なる構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。

前述した第１の実施例では、パティキュレートフィルタ６１の再生処理ルーチンにおいて、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０が失活していると判定されると、再生処理を実行せず、若しくは再生処理を中止する例について述べたが、本実施例では吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０が失活していると判定された時に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０を積極的に活性させる例について述べる。

図６は、本実施例における再生処理ルーチンを示すフローチャートである。図６の再生処理ルーチンにおけるＳ１０１〜Ｓ１１６の処理は、前述した第１の実施例の再生処理ルーチン（図５参照）と同様の処理であるため、説明を省略する。

ＥＣＵ１２は、Ｓ１１２において再生処理の実行を中止した後のＳ２０１、及びＳ１１６において吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０が失活していると判定した後のＳ２０２において、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０を活性させるための触媒活性処理を実行する。

触媒活性処理としては、内燃機関１を低温燃焼運転させる処理（第１の活性処理）、燃料噴射弁３から膨張行程の終期又は排気行程時にポスト噴射させる処理（第２の活性処理
）、或いは還元剤添加弁７から燃料添加させる処理（第３の活性処理）を例示することができる。

上記した３つの活性処理のうち第１の活性処理又は第２の活性処理を優先的に行うことが好ましい。これは、第１の活性処理及び第２の活性処理によれば、内燃機関１から排出される排気の温度が上昇するとともに排気中に含まれる還元成分（ＨＣ）がラジカルな状態となるからである。また、第２の活性処理によれば、ポスト噴射された燃料の燃焼により少なからずトルク変動が発生し、若しくはボアフラッシングが発生する可能性もあるため、第２の活性処理より第１の活性処理を優先的に行うことが好ましい。

以下、本実施例における触媒活性処理について図７に沿って説明する。図７は、触媒活性ルーチンを示すフローチャートである。この触媒活性処理ルーチンは、予めＥＣＵ１２に記憶されているルーチンである。

触媒活性処理ルーチンでは、ＥＣＵ１２は、先ずＳ３０１において内燃機関１の運転状態が低温燃焼運転可能な運転領域にあるか否かを判別する。低温燃焼運転可能な運転領域としては、低中負荷・低中回転運転領域を例示することができる。

前記Ｓ３０１において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１２は、Ｓ３０２へ進む。Ｓ３０２では、ＥＣＵ１２は、ＥＧＲ率（内燃機関１が吸入するガス量に含まれるＥＧＲガス量の割合）を高めるべくＥＧＲ弁９及び吸気絞り弁１１を制御することにより、内燃機関１に低温燃焼運転させる。

この場合、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０へ流入する排気は比較的温度が高く且つラジカルな還元成分を多量に含むガスとなる。このような排気が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０へ流入すると、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０は排気の熱を受けて昇温するとともにラジカルな還元成分の酸化反応熱によって速やかに昇温する。

前記Ｓ３０１において否定判定された場合は、ＥＣＵ１２は、Ｓ３０３へ進む。Ｓ３０３では、ＥＣＵ１２は、内燃機関１の運転状態がポスト噴射可能な運転領域にあるか否かを判別する。ポスト噴射可能な運転領域としては、噴射圧力がボアフラッシングを生じない範囲となる運転領域を例示することができる。噴射圧力がボアフラッシングを生じない場合としては、内燃機関１が低回転運転状態にある場合を例示することができる。

前記Ｓ３０３において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１２は、Ｓ３０４へ進む。Ｓ３０４では、ＥＣＵ１２は、各気筒２の膨張行程時又は排気行程時に燃料噴射弁３からポスト噴射を行わせる。

この場合、燃料噴射弁３からポスト噴射された燃料の一部は高温な既燃ガスに曝されて燃焼し、残りの燃料はラジカルな状態へ遷移する。その結果、内燃機関１から排出される排気は、比較的温度が高く且つラジカルな還元成分を多量に含むガスとなる。このような排気が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０へ流入すると、該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０が速やかに昇温する。

また、前記Ｓ３０３において否定判定された場合は、ＥＣＵ１２は、Ｓ３０５へ進む。Ｓ３０５では、ＥＣＵ１２は、内燃機関１の運転状態が燃料添加可能な運転領域にあるか否かを判別する。燃料添加可能な運転領域としては、排気温度が高くなる高負荷運転領域を例示することができる。

前記Ｓ３０５において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１２は、Ｓ３０６へ進む。Ｓ３０
６では、ＥＣＵ１２は、還元剤添加弁７から燃料添加を行わせる。この場合、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０には、高温且つ添加燃料を含んだ排気が流入する。排気の熱により吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０の少なくとも一部が昇温すると、添加燃料が酸化されるようになる。その結果、添加燃料の酸化反応熱により吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０が昇温する。

尚、前記Ｓ３０５において否定判定された場合は、ＥＣＵ１２は、前記Ｓ３０１以降の処理を再度実行する。

以上述べたようにＥＣＵ１２が触媒活性処理ルーチンを実行すると、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０を可能な限り早期に活性させることができる。吸蔵還元型ＮＯｘ触媒６０が早期に活性されると、それに伴ってパティキュレートフィルタ６１の再生処理も速やかに行うことが可能となる。

本発明に係る内燃機関の排気浄化システムの概略構成を示す図である。 従来の活性状態判別方法を実現するためのハードウェア構成を示す図である。 吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の上流側端部から下流側端部の直下流までの各位置における温度を測定した結果を示す第１の図である。 吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の上流側端部から下流側端部の直下流までの各位置における温度を測定した結果を示す第２の図である。 実施例１における再生処理ルーチンを示すフローチャートである。 実施例２における再生処理ルーチンを示すフローチャートである。 実施例２における触媒活性処理ルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１・・・・・内燃機関
３・・・・・燃料噴射弁
５・・・・・排気通路
８・・・・・ＥＧＲ通路
９・・・・・ＥＧＲ弁
７・・・・・還元剤添加弁（還元剤供給装置）
１２・・・・ＥＣＵ
６０・・・・吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（前段触媒）
６１・・・・パティキュレートフィルタ（排気浄化装置）
６３・・・・温度センサ

Claims (3)

1. ＮＯ _Ｘ 吸蔵能を有するパティキュレートフィルタにより構成される排気浄化装置と、
   前記排気浄化装置の上流に配置され、酸化能を有する吸蔵還元型ＮＯ _Ｘ 触媒により構成される前段触媒と、
   前記前段触媒より上流の排気中に還元剤を供給する還元剤供給装置と、
   前記前段触媒の床温を実測する温度センサと、
   前記温度センサの測定値に基づいて前記前段触媒が活性しているか否かを判別する判別手段と、
   前記排気浄化装置の浄化能力を再生させるべく前記還元剤供給装置から還元剤を供給させる再生処理が行われている時に、前記判別手段によって前記前段触媒が活性していないと判別されると、前記再生処理の実行を停止させるべく前記還元剤供給装置による還元剤の供給を停止させるとともに、前記前段触媒を活性させるための触媒活性処理を実行する制御手段と、を備え、
   前記触媒活性処理は、内燃機関を低温燃焼運転させる処理と、前記内燃機関の燃料噴射弁からポスト噴射させる処理と、前記前段触媒より上流の排気通路に設けられた還元剤添加弁から還元剤を添加させる処理とから選択され、
   前記制御手段は、前記触媒活性処理を実行する際の前記内燃機関の運転状態および／または前記温度センサの測定値に基づいて低温燃焼運転処理が実行可能か否かを判別し、
   低温燃焼運転処理が実行可能であれば低温燃焼運転処理を実行して前記前段触媒を活性させ、
   低温燃焼運転処理が実行不可能であればポスト噴射処理が実行可能か否かを判別し、
   ポスト噴射処理が実行可能であればポスト噴射処理を実行して前記前段触媒を活性させ、
   ポスト噴射処理が実行不可能であれば還元剤添加処理を実行して前記前段触媒を活性させることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
2. 請求項１において、前記温度センサは、排気の流れ方向における前記前段触媒の中間部位より上流側の部位に配置されることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
3. 請求項１において、前記判別手段は、前記再生処理が実行される前に前記還元剤供給装置から一定量の還元剤を供給させて前記前段触媒が活性しているか否かを判別し、
   前記制御手段は、前記判別手段により前記前段触媒が活性していないと判別されると、前記触媒活性処理を実行することを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。

Images