JP4711006B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排ガス中に含まれる有害成分を除去する排気浄化装置に関するものである。

内燃機関（以下、エンジンという）はその排気系に排気浄化装置を配備し、排ガスの無害化を図っている。この種の排気浄化装置としては、排出炭化水素（ＨＣ）抑制の手段として三元触媒や酸化触媒が採用されている。この種の三元触媒や酸化触媒は高い炭化水素（ＨＣ）浄化効率を持つものの、酸化触媒を成す貴金属はその酸化活性温度以下では触媒性能を発揮しにくい。

そこで、酸化活性温度に達しない運転域でゼオライト等にＨＣを吸着させ、これが酸化活性温度以上に達し、貴金属活性の後の運転域でゼオライト等に吸着しているＨＣを脱離かつ酸化されるように調整された比較的容量の大きなＨＣ吸着触媒を採用し、これを排気レイアウト中に付加することで、ＨＣ浄化性能を確保している。
一方、ディーゼルエンジンの場合、リーン運転域で排出され易いＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒や排出されるパティキュレートを除去するためのディーゼルパティキュレートフィルタ（以後単にフィルタと記す）が採用されている。

当該排気浄化装置では、通常エンジンの排気系の上流側に酸化触媒を設け、下流側にフィルタを設け、排ガス中のパティキュレートをフィルタに捕集する。この運転中において、排ガス温度が比較的高い運転状態にあると、酸化触媒の作用により排ガス中のＮＯからＮＯ_２を生成し、このＮＯ_２を酸化剤として利用してフィルタに捕集されたパティキュレートを焼却除去し、フィルタの連続再生を行っている。
このようなディーゼル機関は排気温度が比較的低いため、この連続再生作用が得られない運転状態が継続されて、パティキュレート堆積量が許容量を越える場合があり、このような場合には排圧が過度に上がるため、このパティキュレートを強制的に除去する必要がある。

パティキュレートを除去する手段の一つとして、例えばポスト噴射により膨張行程或いは排気行程で追加燃料を噴射し、追加燃料中のＨＣを燃焼させて、フィルタへ高温ガス（約６００℃以上）を流入させ、フィルタ上のパティキュレートを強制的に焼却除去し、フィルタ強制再生を行っている。
ところで、ＨＣ吸着触媒は、図１０に示すように、排気ガス入口温度が２００℃前後であると、ＨＣを吸着し、運転域が２５０℃を上回ると３５０℃をピークとして、高温側に達するほど触媒出口側のスリップＨＣの濃度（ＨＣ吸着触媒出口で示す）が増加する。この間、吸着ＨＣの脱離が進み、排気ガス中のスリップＨＣ濃度を高め、４００℃を上回る運転域では脱離機能が低下している。

更に、図１１に示すように、ＨＣ吸着触媒のＨＣ吸着量が吸着限界に近い場合において、時点ｔ１で加速運転に入るとＨＣ吸着触媒の入口温度（細い実線）が急増し、続いてＨＣ吸着触媒の前段温度（２点鎖線）が上昇し、続いてＨＣ吸着触媒の後段温度（太い実線）が上昇を開始する。そして、４５秒程度の経過後の時点ｔ２で加速をやめ、アイドル運転に入るとする。この際、入口温度（細い実線）が急減し、前段温度（２点鎖線）は急増してから減少し、後段温度（太い実線）は過度に急増する傾向にある。
これは、ＨＣ吸着触媒上の比較的吸着限界に近い量のＨＣが燃焼し、前段温度（２点鎖線）はピーク後に低下し、後段温度（太い実線）はより吸着限界量に近い量のＨＣの過剰燃焼により、過昇温を招いているためであり、ＨＣ吸着触媒上の溶損を招く場合がある。

なお、ＨＣ吸着触媒のＨＣ吸着量が比較的少ない場合には、時点ｔ１で加速運転に入り、時点ｔ２でアイドル運転に変わると、前段温度（細い破線）や後段温度（太い破線）は燃焼する吸着ＨＣが少ないため、比較的小さなピークを経て共に低下し、過昇温の発生は防止されている。
なお、特開２００４−３６５４３号公報（特許文献１）には、触媒温度ＴやＨＣ濃度ＨＣｐｏｓｔ等の情報に基づきＨＣ総吸着量ＨＣａｄｓｏｒｂを制御周期毎に求め、ＨＣ総吸着量ＨＣａｄｓｏｒｂが許容量ＨＣｍａｘを越えていると、ポスト噴射を禁止し、多量のＨＣの急燃焼による酸化触媒の過昇温を防止し、過昇温による酸化触媒の破損を未然に防止している。

特開２００４−３６５４３号公報

ところで、このようなディーゼル機関の排気系にフィルタとＨＣ吸着触媒を併設した場合次のような問題が生じる。
ディーゼル機関はガソリン機関と比べると排気温度が低く、酸化活性温度以下での運転が継続し易い。このためＨＣ吸着触媒にはＨＣ吸着が過度に進行する傾向にある。このようにＨＣ過吸着の状態での運転中において、フィルタ強制再生時期に達したとする。この際、フィルタの強制再生が行われると、高温ガス（約６００℃以上）がフィルタに流入されると共に、ＨＣ吸着触媒に酸化活性温度を上回る高温ガスが流入されることとなる。すると、ＨＣ吸着触媒に吸着された多量のＨＣが燃焼を速め、急激かつ過度の温度上昇を引き起こすこととなり、ＨＣ吸着触媒の劣化、最悪の場合には触媒溶損を招く可能性がある。

なお、特許文献１にかかる発明では、ＨＣ総吸着量ＨＣａｄｓｏｒｂが許容量ＨＣｍａｘを越えていると、ポスト噴射を禁止し、過昇温による酸化触媒の破損を未然に防止することができる。しかし、ＨＣ総吸着量が許容量ＨＣａｄｓｏｒｂに達する前の運転域において、ディーゼル機関のフィルタの強制再生制御が行われた場合、高温ガス（約６００℃以上）がフィルタに流れ、同時にＨＣ吸着触媒にも流れる。この場合、フィルタの強制再生時にＨＣ吸着触媒の過度の温度上昇が発生しやすく、これを防止することはできず、ＨＣ吸着触媒の劣化、触媒溶損を招く可能性がある。

本発明は以上のような課題に基づきなされたもので、目的とするところは、フィルタ強制再生時におけるＨＣ吸着触媒の過昇温を防止してから、フィルタ強制再生を行える排気浄化装置を提供することにある。

本願請求項１の発明は、内燃機関の排気系のパティキュレートを捕集するフィルタと、前記排気系に設けられ炭化水素を吸着及び脱離するＨＣ吸着触媒と、前記フィルタへのパティキュレート捕集量を算出する捕集量算出手段と、前記ＨＣ吸着触媒への炭化水素吸着量を算出する吸着量算出手段と、前記ＨＣ吸着触媒に吸着したＨＣを脱離処理するＨＣ吸着触媒再生制御手段と、前記パティキュレート捕集量が所定量を上回るとフィルタの強制再生を実施するフィルタ再生制御手段とを備え、前記ＨＣ吸着触媒再生制御手段は、前記フィルタの強制再生に際して前記炭化水素吸着量が所定量を上回る場合には、該フィルタの強制再生に先立ち前記ＨＣ吸着触媒の脱離処理を実施する、ことを特徴とする。

ここでの本願請求項２の発明は、請求項１記載の排気浄化装置において、前記ＨＣ吸着触媒を昇温させる昇温手段を更に備え、前記ＨＣ吸着触媒再生制御手段は、前記ＨＣ脱離処理において前記ＨＣ吸着触媒を酸化活性温度以上で且つ前記フィルタの強制再生温度未満に保持するよう前記昇温手段を制御することにより脱離処理を実施する、ことを特徴とする。

ここでの本願請求項３の発明は、請求項２記載の排気浄化装置において、前記昇温手段は、前記ＨＣ脱離処理においては前記内燃機関の膨張行程噴射によるＨＣ供給である、ことを特徴とする。

ここでの本願請求項４の発明は、請求項２または３に記載の排気浄化装置において、前記ＨＣ吸着触媒の触媒容量に応じて前記ＨＣ吸着触媒を昇温する所定経過時間を設定する、ことを特徴とする。

ここでの本願請求項５の発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載の排気浄化装置において、前記排気系の上流より前記フィルタ及び前記ＨＣ吸着触媒がこの順に配備される、ことを特徴とする。

請求項１の発明は、フィルタの強制再生制御に先立ち、予め、ＨＣ吸着触媒に所定量を上回るＨＣが吸着されている場合に、ＨＣ吸着触媒に吸着されていたＨＣを酸化且つ脱離して排除する。このため、その後に比較的高温でのフィルタの強制再生処理が行われても、その際にＨＣ吸着触媒に過度に吸着されているＨＣが酸化することで過度の昇温を招くことが未然に防止され、ＨＣ吸着触媒の触媒劣化、溶損を回避することができる。

請求項２の発明は、フィルタの強制再生制御に先立ち、予め、昇温手段によりＨＣ吸着触媒を酸化活性温度以上で、フィルタの強制再生温度未満にＨＣ吸着触媒を保持しつつ焼却するので、この後、フィルタの強制再生制御が成された際に、ＨＣ吸着触媒にＨＣが吸着されてないので、ＨＣ吸着触媒が過昇温することを防止でき、触媒劣化、溶損を回避できる。

請求項３の発明は、ＨＣ吸着触媒の昇温を内燃機関の膨張行程噴射によるＨＣ供給により行うので、供給されたＨＣは内燃機関の燃焼室内で燃焼され未燃ＨＣが排気系へ供給されることがなく、ＨＣ脱離処理の度に排気系でＨＣ燃焼を要しないので排気系の劣化を防止できる。

請求項４の発明は、ＨＣ吸着触媒の容量に応じて設定される所定経過時間の間、ＨＣ吸着触媒を強制再生温度未満に保持するようにＨＣ供給量を制御するので、ＨＣ吸着触媒に吸着されているＨＣを脱離且つ酸化して排除する駆動時間を適正化でき、無駄な強制再生駆動を防止でき、フィルタの強制再生制御が過度に遅れることを防止できる。

請求項５の発明は、フィルタの強制再生時の排気ガス温度が前記ＨＣ吸着触媒の耐熱温度を上回るとしても、フィルタの下流側にＨＣ吸着触媒を配備するので、ＨＣ吸着触媒に達するときの排気温度は比較的低下することとなるので、下流側のＨＣ吸着触媒の溶損を防止できる。

本発明の一実施形態としての排気浄化装置の全体構成図である。 図１の排気浄化装置で用いる排気形の斜視図である。 図１の排気浄化装置で用いるＨＣ吸着触媒内の触媒表面でのＨＣ吸着脱離を説明する概略図で、（ａ）は酸化活性温度以下でのＨＣ挙動を、（ｂ）は酸化活性温度以上でのＨＣ挙動を説明する図である。 図１の排気浄化装置で用いるＨＣ供給手段がインジェクタを通常噴射モードで駆動する場合の説明図で、（ａ）は駆動信号を、（ｂ）は噴射量を示す。 図１の排気浄化装置で用いるＮＯｘ還元運転制御手段、フィルタ強制再生運転制御手段及びＨＣ吸着触媒強制再生制御手段が選択的にインジェクタをＨＣ添加噴射モードで駆動する場合の説明図で、（ａ）は駆動信号を、（ｂ）は噴射量を示す。 図１の排気浄化装置で行うＨＣ吸着触媒再生制御でのスリップＨＣ排出量の平時変化特性線図である。 図１の排気浄化装置で行うＨＣ吸着触媒再生制御でのＨＣ吸着触媒のＨＣ吸着量がゼロに変化する時の経時特性線図である。 図１の排気浄化装置で行う再生制御ルーチンのフローチャートである。 本発明の変形例としての内燃機関の排気浄化装置で行う、ＨＣ吸着触媒のＨＣ吸着量演算処理ブロック説明図である。 ＨＣ吸着触媒の昇温時におけるスリップＨＣ濃度の変動特性線図である。 ＨＣ吸着触媒のＨＣ吸着量が吸着限界に近い場合と、そうでない場合の触媒の前段、触媒の後段、触媒の入口における各昇温変化特性線図である。

以下、本発明の一実施形態としての排気浄化装置を装着する内燃機関であるディーゼルエンジン（以後単にエンジンと記す）１を図１に沿って説明する。
エンジン１は直列に４つの燃焼室３を配備し、各燃焼室３には直接燃料を噴射する燃料噴射弁８が設けられ、各燃料噴射弁８はコモンレール１５（蓄圧室）に接続され、コモンレール１５には燃料タンク１４の燃料（軽油）が高圧燃料噴射ポンプ１３によって加圧供給されており、これらが燃料供給装置ＭＦを構成する。ここでの燃料噴射弁８は制御手段であるエンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵと記す）１２から出力される燃料制御信号に応じてその燃料噴射量（図４ではＱｐ＋Ｑｍ）と噴射時期（図４ではｔｐ、ｔｍ）が制御される。

各燃焼室３の一側より延びる不図示の吸気ポートは吸気マニホールド９０１に連通し、同吸気マニホールド９０１が吸気路Ｉを形成する吸気管９に接続される。この吸気管９はエアクリーナ１１よりの吸気の量を吸気絞り弁である吸気スロットル弁３３で調整してから吸気マニホールド９０１に導入している。なお、吸気スロットル弁３３のアクチュエータ３３１は後述のＥＣＵ１２により駆動制御される。
各燃焼室３の他側より延びる不図示の排気ポートは排気マニホールド４に連通し、同排気マニホールド４には排気路Ｒが接続される。排気路Ｒは排気マニホールド４に直結された前段酸化触媒２と、排気管５と、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１と、パティキュレート除去用のフィルタ２２と、後段の酸化触媒を成すＨＣ吸着触媒１９と、その下流の図示しないマフラーとを備える。

燃料供給装置ＭＦはエンジン駆動の高圧燃料ポンプ１３の高圧燃料をＥＣＵ１２内の燃圧制御手段１２１により制御される燃圧調整部１４１で定圧化した上でコモンレール１５に導き、コモンレール１５より分岐して延出する噴射管１６を介し各インジェクタ８に供給している。なお、燃料供給装置ＭＦは本発明において、昇温手段としての機能を備える。
インジェクタ８の電磁バルブ１７はインジェクタドライバ１０を介して噴射制御部１２２に接続される。同噴射制御部１２２は演算された燃料噴射量、噴射時期に応じた出力Ｄｊ信号を電磁バルブ１７に出力し、インジェクタ８を噴射制御する。

ここで噴射制御部１２２はエンジン回転数Ｎｅとアクセルペダル踏込量θａに応じた燃料噴射量Ｕｆを求める。更に噴射時期は、周知の基本進角値に運転条件に応じた補正を加えて導出される。その上で、図５に示すように、演算された噴射時期及び燃料噴射量Ｕｆ相当の出力信号（通常噴射Ｍ１、ＨＣ添加噴射Ｍ２）をインジェクタドライバ１０にセットし、燃料噴射部１１の電磁バルブ１７に出力し、インジェクタ８の燃料噴射であるパイロット噴射Ｑｆｐ（時間幅Ｔｐ），主噴射Ｑｆｍ（時間幅Ｔｍ）、及び適時にアフター噴射Ｑｆａ（時間幅Ｔａ：膨張行程での噴射）、ポスト噴射Ｑｆｄ（時間幅Ｔｄ：排気行程での噴射）を行う。

次に、前段酸化触媒２は排気マニホールド４に直結され、しかも、エンジンの排ガスにより効率よく早期活性化されるよう、比較的小容量に形成される。この前段酸化触媒２は、エンジン１から排出される排気中の一酸化窒素（ＮＯ）を酸素Ｏ２で酸化して高活性の二酸化窒素（ＮＯ_２）に生成し、すなわち、「２ＮＯ＋Ｏ_２→２ＮＯ_２」の反応を促進させるもので、ここではプラチナ系酸化触媒が採用される。
排気管５の下流のＮＯｘ吸蔵還元触媒２１は、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに、排気中のＮＯｘ（ＮＯ_２、ＮＯ）を吸収し、流入排気ガスがリッチになると吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘの吸放出作用を行う。

即ち、このＮＯｘ吸蔵還元触媒２１は、排気ガスがリーン空燃比になると、排気ガス中の酸素が白金Ｐｔ上で排気中のＮＯｘ（ＮＯが主成分）と酸化反応を起して、ＮＯ_２が生成される。また、流入排気中のＮＯ_２は白金Ｐｔ上で更に酸化されつつ吸収剤としての酸化バリウムＢａＯと結合しながら吸収剤内に拡散する。このため、リーン雰囲気下では排気中のＮＯｘがＮＯｘ吸蔵還元触媒２１内に吸収されるようになる。また、流入排気中の酸素濃度が低下すると、即ち、排気の空燃比がリッチ側に変化すると、白金Ｐｔ上でのＮＯ_２生成量が減少するため、反応が逆方向に進むようになり、吸収剤内のＮＯｘはＮＯ_２の形でＮＯｘ吸蔵還元触媒２１から放出されるようになる。この場合、排気中にＨＣ、ＣＯ等の成分が存在すると白金Ｐｔ上でこれらの成分によりＮＯ_２がＮ_２に還元される。

本実施形態では、エンジン１としてディーゼル機関が使用されているため機関排気は通常リーン空燃比であり、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１は排気中のＮＯｘを吸収する。しかし、リッチ運転域が少ないことでＮＯｘ吸蔵還元触媒２１の吸収ＮＯｘ量が増大すると、排気中のＮＯｘを吸収できない限界吸着状態となる。このため、吸収されたＮＯｘ量が飽和する前の早めの時期に、強制的にリッチ運転してＮＯｘ吸蔵還元触媒２１からＮＯｘを放出させ、強制的に還元浄化する必要がある。

ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１の下流のパティキュレート除去用のフィルタ２２は、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるカーボン等の排気微粒子（パティキュレート）を大気に放出しないよう排気通路Ｒに配設される。このフィルタ２２はセラミック製、例えば、Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉを主成分とするコージェライトから成り、多数の排ガス通路ｒ２を排気路Ｒの方向に向けて並列状に積層してなるハニカム構造体として形成される。ここで互いに隣合う各排ガス通路ｒ２は交互に排気路Ｒ上流側と下流側のいずれか一方が端部２３で閉鎖されるように形成される。これにより上流側に流入した排ガスは各排ガス通路ｒ２−１の通路対向壁ｂを透過して排気路Ｒ下流側に出口を形成された各排ガス通路ｒ２−２に達し、排出され、その際、排ガス中のパティキュレートが通路対向壁ｂによって濾過され、所定温度（５００〜６００℃）を上回る高温排気ガスが流入した際に焼却除去される。

フィルタ２２の下流に配備された後段の酸化触媒であるＨＣ吸着触媒１９は前段酸化触媒２１と比較して、十分に大きな容量を備え、酸化機能を十分に確保している。ゼオライトを主成分とし、図３（ａ）に示すように、酸化活性温度（例えば、２５０℃）未満では排ガス中のＨＣを吸着し、図３（ｂ）に示すように、酸化活性温度以上では吸着していたＨＣを放出し、しかも、吸着ＨＣや放出ＨＣを酸化してＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏとして無害化して大気放出している。

ここで、図６や、図１０に示すように、ＨＣ吸着触媒１９は、通常運転時において、その雰囲気温度となる排気ガス入口温度スリップＨＣｉｎが２００℃前後であると、スリップＨＣ濃度の差分がＨＣ吸着触媒入口と出口でほとんどなく、あるいはわずかな差分ｄ１（図１０参照）である。これに対し、昇温運転に入ると、即ち、排気ガス入口温度スリップＨＣｉｎが２５０〜４００℃に昇温されると、図１０に示すように、３５０℃前後でスリップＨＣ濃度がＨＣ吸着触媒入口と出口で比較的大きな差分ｄ２（ＨＣ放出が急増）となっている。即ち、この際、脱離ＨＣが酸化燃焼して放出されていることが明らかであり、ＨＣ吸着触媒１９を２５０℃を上回り、４００℃以下の温度領域に保持することで、確実にＨＣ放出量を増大でき、この温度域で吸着ＨＣの焼却除去を行うことが可能であると判断される。

一方、この排気浄化装置で用いるＥＣＵ１２は、その入出力回路に多数のポートを有し、吸入空気量Ｑａを検出するエアフローセンサ７と、エンジン１のアクセルペダル開度θａを検出するアクセルペダル開度センサ２４と、クランク角情報Δθを検出するクランク角センサ２５と、フィルタ２２の直下流の排気温度（以後、単に排気温度ｇｔ）を検出する排気温度検出手段としての排気温度センサ２６と、水温ｗｔを検出する水温センサ２７と、大気圧Ｐａを出力する大気圧センサ２８と、フィルタ２２の前後差圧ｄＰを出力する差圧センサ２９とが接続される。なお、クランク角情報ΔθはＥＣＵ１２においてエンジン回転数Ｎｅの導出に用いられると共に燃料噴射時期（ｔｐ、ｔｍ、ｔａ、ｔｄ：図４，５参照）制御に使用される。

ＥＣＵ１２は各センサ２４、２５、２６、２７、２８、２９等よりの検出信号を採り込み、捕集量算出手段１２２−３ａ、吸着量算出手段１２２−４ａ、フィルタ強制再生制御手段１２２−３、及びＨＣ吸着触媒再生制御手段１２２−４として機能する。即ち、ＥＣＵ１２は周知のエンジン制御処理機能に加え、特に、燃圧制御部１２１や、噴射制御部１２２としての機能を備えている。
特に、噴射制御部１２２は燃料供給装置ＭＦの噴射制御手段１２２−１として、後述のＥＣＵ１２からの制御信号に応じてインジェクタ８を通常噴射モードＭ１で制御する。
更に、噴射制御部１２２は排ガス温度上昇と共に下流のＮＯｘ吸蔵還元触媒２１のリッチ化を図り、ＮＯｘの放出と還元浄化とを行なうＮＯｘ還元運転制御手段１２２−２として機能する。

ここではＥＣＵ１２により、エンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷としての燃料供給量Ｑに応じて、ＮＯｘ吸蔵還元触媒２１に単位時間あたり吸収されるＮＯｘ量に対応するカウント量ｑｎを不図示のカウント量マップにより設定する。更に、そのカウント数を運転時に順次積算し、積算値が所定のしきい値を上回ると、リッチ運転指令Ｓを発して、ＮＯｘ還元運転制御手段１２２−２がポスト噴射Ｑｆｄ（時間幅Ｔｄ：排気行程での噴射）のモードで駆動して、ＮＯｘの放出と還元浄化とを行ない、ＮＯｘの還元浄化運転を行っている。

更に、噴射制御部１２２はフィルタ強制再生制御手段１２２−３として機能する。このフィルタ強制再生制御手段１２２−３はフィルタ２２の堆積量（フィルタへのパティキュレート捕集量）Ｍｓを算出する捕集量算出手段１２２−３ａとしての機能を内蔵する。

ここで、フィルタ２２の堆積量Ｍｓは、フィルタの前後の差圧ｄｐ及び排気流量と相関する。このため、捕集量算出手段１２２−３ａは、所定の排気流量における前後の差圧ｄｐを求め、これよりフィルタの堆積量Ｍｓを算出している。

特に、フィルタ強制再生制御手段１２２−３は排気流量が所定の値となる運転域での差圧ｄｐがしきい値を上回ると、フィルタ２２のパティキュレートが限界堆積量に達したと判断する。この際、フィルタ強制再生制御手段１２２−３はフィルタ強制再生指令Ｓｄｐｆを発するに先立ち、まず、ＨＣ吸着触媒１９を酸化活性温度以上に所定経過時間Ｔｄｒｉだけ昇温すべく、この所定経過時間Ｔｄｒｉの間、ＨＣ吸着触媒駆動指令Ｓｗａｉｔを出力し、その後にフィルタ強制再生指令Ｓｄｐｆを発する。

そして、フィルタ強制再生指令Ｓｄｐｆが出力されると、フィルタ強制再生制御手段１２２−３はポスト噴射Ｑｆｄ（時間幅Ｔｄ：排気行程での噴射）のモードＭ２ｄ（図５参照）でインジェクタ８を駆動して、焼却温度（５００〜６００℃）を上回る高温排気ガスを強制的にフィルタ２２に流入して、パティキュレートの焼却除去を行なっている。

更に、噴射制御部１２２はＨＣ吸着触媒再生制御手段１２２−４として機能する。ここで、ＨＣ吸着触媒１９は排気系の最下流側に位置し、排気中のＨＣを吸着及び酸化・脱離する機能を有する。しかし、排気温度が低い運転域が続くと吸着ＨＣの増加が進み、上流に位置するフィルタの強制再生運転が実施された場合に耐熱温度を超えて過昇温を生じる吸着状態となる。さらに吸着が進行すると、排気中のＨＣを吸収できない限界吸着状態となる。このため、パティキュレート捕集量が限界捕集量に達した時に吸着されたＨＣ量がフィルタ強制再生時に過昇温を生じる所定量を超えていた場合は、フィルタ強制再生前に強制的に吸着ＨＣの焼却を行いＨＣ吸着触媒１９からＨＣを酸化・脱離させる必要がある。またＨＣ吸着触媒の限界吸着量に達する場合は、フィルタ強制再生に関わらず飽和する前の時期に強制的に吸着ＨＣの焼却を行い、ＨＣ吸着触媒１９からＨＣを酸化・脱離させるようにしても良い。

そこで、ＨＣ吸着触媒再生制御手段１２２−４は吸着量算出手段１２２−４ａとしてＨＣ吸着量を演算する機能を備える。そこで、ＨＣ吸着触媒再生制御手段１２２−４は、パティキュレート捕集量が限界堆積量に達しているとの情報を受けた場合に、この時点での最新のＨＣ吸着量がＨＣ吸着触媒の限界吸着量に達するか判断し、限界吸着量に達すると判断した場合にはＨＣ吸着触媒再生指令Ｓｔｒを発する。
ここで、ＨＣ吸着触媒再生制御手段１２２−４の一機能部である吸着量算出手段１２２−４ａはＨＣ吸着量を演算する。

ここでは予め、ＨＣ吸着触媒１９の入口でのＨＣ濃度Ｍｈｃｉｎを入口ＨＣ濃度センサ３６により検出し、出口でのＨＣ濃度Ｍｈｃｏｕｔを出口ＨＣ濃度センサ３７により検出し、両データを取り込む。更に、エアフローセンサ７により吸気質量流量Ｑａｉｒ（ｎ）を取り込む。その上で、排気ガスのモル換算係数Ｋｍｏｌと前回のＨＣ吸着量Ｍｍｏｎ（ｎ−１）とを用い、下式（１）で今回のＨＣ吸着量Ｍｍｏｎ（ｎ）を演算する。

Ｍｍｏｎ（ｎ）＝Ｍｍｏｎ（ｎ−１）＋［｛Ｍｈｃｉｎ―Ｍｈｃｏｕｔ｝
×Ｑａｉｒ（ｎ）×Ｋｍｏｌ］×ｄｔ・・・・（１）
ここでは入口ＨＣ濃度センサ３６の入口ＨＣ濃度Ｍｈｃｉｎと出口ＨＣ濃度センサ３７の出口ＨＣ濃度Ｍｈｃｏｕｔとの実測値を基に、式（１）を用いて各制御周期ｄｔ毎に今回のＨＣ吸着量Ｍｍｏｎ（ｎ）を演算している。

このＨＣ吸着量Ｍｍｏｎ（ｎ）を演算した上で、更に、ＨＣ吸着触媒再生制御手段１２２−４は次のように機能する。
図７に示すように、ＨＣ吸着触媒では入口ＨＣ濃度Ｍｈｃｉｎに対して出口ＨＣ濃度Ｍｈｃｏｕｔが相対的に低く、この差分ｄＨＣが当初は大きく、吸着ＨＣの堆積量が増加すると、吸着許容量が低減し、即ち、吸着せず、入口ＨＣ濃度Ｍｈｃｉｎに対して出口ＨＣ濃度Ｍｈｃｏｕｔが接近し、吸着量がゼロで入口ＨＣ濃度Ｍｈｃｉｎと出口ＨＣ濃度Ｍｈｃｏｕｔが一致することとなる。このため、差分ｄＨＣを求めることで、ＨＣ吸着触媒の吸着許容量が判定でき、即ち、図７に示すように、所定量または限界吸着量に達する時期ｔｆを判断できる。

更に、ＨＣ吸着触媒再生制御手段１２２−４は、限界吸着量に達する時期ｔｆに基づき、ＨＣ吸着触媒再生指令Ｓｔｒを発してもよい。この際、ＨＣ吸着触媒再生制御手段１２２−４は燃料供給装置ＭＦを昇温手段として噴射制御する機能を備える。即ち、インジェクタ８をアフター噴射Ｑｆａ（時間幅Ｔａ：膨張行程での噴射）で駆動している。これにより、内燃機関の燃焼室より排出される排ガス温度が２５０℃を上回るよう昇温する。この際、特に、昇温された排気ガスがＮＯｘ吸蔵還元触媒２１及びフィルタ２２を通過してＨＣ吸着触媒１９に達し、ここで、ＨＣ吸着触媒１９に吸着されていたＨＣを酸化活性温度以上（２５０℃以上）でフィルタの強制再生温度未満である５００〜６００℃未満に、ここでは４００℃未満に保持するよう噴射制御する。

更に、ＨＣ吸着触媒再生制御手段１２２−４はこのような酸化活性温度以上の昇温制御をＨＣ吸着触媒の容量に応じ、予め設定した経過時間行う。例えば、１０秒の間、インジェクタ８をアフター噴射Ｑｆａで駆動し、吸着ＨＣの排除が完了したとみなされる、１０秒の経過時に停止する。
この直後に、フィルタ強制再生指令Ｓフィルタが出力され、フィルタ強制再生制御手段１２２−３がポスト噴射Ｑｆｄ（時間幅Ｔｄ：排気行程での噴射）でインジェクタ８を駆動する。この際、焼却温度（５００〜６００℃）を上回る高温排気ガスを強制的にフィルタ２２に流入して、パティキュレートの焼却除去を行なう。この時、その下流のＨＣ吸着触媒にも焼却温度（５００〜６００℃）を下回るが高温排気ガスが流入する。しかし、ＨＣ吸着触媒１９からは予め吸着ＨＣが排除されており、ＨＣ吸着触媒で吸着ＨＣが燃焼して過昇温が生じることは無く、過度の昇温でＨＣ吸着触媒が溶損するということを未然に防止できる。

次に、ＥＣＵが不図示のメインルーチンの途中の所定の時点で行うフィルタ強制再生及びＨＣ吸着触媒再生制御処理を図８の再生制御ルーチンに沿って説明する。
この再生制御ルーチンに先立ち不図示のメインルーチンでは各種の運転情報データを取り込み、所定の格納エリアにストアしている。しかも、内燃機関が通常運転中にあると、燃圧制御部１２１や噴射制御部１２２のＨＣ供給手段１２２−１がインジェクタ８を通常噴射モードＭ１で制御している。

各制御周期ｄｔ毎にその制御処理の途中で再生制御ルーチンのステップｓ１に達すると、今回のＨＣ吸着量Ｍｍｏｎ（ｎ）を取り込む。なお、今回のＨＣ吸着量Ｍｍｏｎ（ｎ）は不図示のメインルーチンの途中で予め、入口ＨＣ濃度センサ３６の入口ＨＣ濃度Ｍｈｃｉｎと出口ＨＣ濃度センサ３７の出口ＨＣ濃度Ｍｈｃｏｕｔとの実測値を基に、式（１）を用いて演算されている。
ステップｓ２に達すると、今回の制御周期ｄｔでのフィルタ２２の堆積量Ｍｓを取り込む。この値は、不図示のメインルーチンの途中で予め、排気流量が所定の値となる運転域での差圧ｄｐがしきい値を上回るか否か判断する。この際、フィルタ２２のパティキュレートが限界堆積量ＤＰＦｆに達したと判断した場合はステップｓ３に進む。達していないと、この場合は今回の再生制御ルーチンの制御を終えて、メインルーチンに戻る。

ステップｓ３に達すると、ここではステップｓ１で取り込んだ、モニタ量であるＨＣ吸着量Ｍｍｏｎ（ｎ）の値がＨＣ吸着触媒の容量に応じた設定値である限界吸着量Ｍｍｏｎ１を上回るか否か判断し、上回ることが無い状態の間は直接ステップｓ７に進み、限界吸着量Ｍｍｏｎ１を上回る状態にあると、その時点ｔ−ａを限界吸着量に達した時期ｔｆ（フィルタが限界堆積量ＤＰＦｆに達している時点）と見做して、ＨＣ吸着触媒再生指令Ｓｔｒを発し、ステップｓ４に進む。

ステップｓ４ではＨＣ吸着触媒再生制御手段１２２−４として、インジェクタ８をアフター噴射Ｑｆａ（時間幅Ｔａ：膨張行程での噴射）で駆動し、燃焼室へ膨張行程でＨＣを供給し、内燃機関の燃焼室より排出される排ガス温度が２５０℃を上回ると共に４００℃未満を保持するよう昇温する。この昇温された排気ガスがＮＯｘ吸蔵還元触媒２１及びフィルタ２２を通過してＨＣ吸着触媒１９に達し、ここで、ＨＣ吸着触媒１９に吸着されていたＨＣを酸化活性温度以上（２５０℃以上）に加熱して、焼却する。この際の加熱温度は酸化活性温度以上であって、フィルタの強制再生温度（５００〜６００℃）未満に、ここでは４００℃未満に保持するよう噴射制御する。

このような酸化活性温度以上の昇温制御によりＨＣ吸着触媒から吸着ＨＣが脱離すると共に酸化焼却される。この際、ＨＣ吸着触媒１９の出口での排出量は、例えば、図６に示す時点ｔ−ａから増加し、吸着ＨＣの入口と出口での排出量変化がゼロとなる時点ｔ−ｂを越えると、吸着ＨＣの焼却処理を休止する状態となる。ここで、時点ｔ−ａから時点ｔ−ｂに達するまでの時間はＨＣ吸着触媒１９の容量に応じた値となり、例えば、１０秒程度となる。

そこで、このＨＣ吸着触媒の容量に応じて設定される所定経過時間である、例えば、１０秒の間、ＨＣ吸着触媒１９を酸化活性温度以上（２５０℃以上）でフィルタ２２の強制再生温度未満での加熱制御を行うことで、ＨＣ吸着触媒１９の強制再生時間を適正化できる。これにより無駄な強制再生駆動を防止でき、この後のフィルタ２２の強制再生制御が過度に遅れることを防止できる。

このＨＣ吸着触媒１９の強制再生中において、排気ガス温度はフィルタの強制再生温度未満であるので、パティキュレートの焼却は行われず、この点よりＨＣ吸着触媒１９が過度に昇温することは防止される。
ステップｓ５に達すると、ここでは予め設定した経過時間、例えば、ＨＣ吸着触媒再生指令Ｓｔｒ後の積算時間Ｔｗが待ち時間Ｔｗを経過したか否か判断し、時間待ちの間、インジェクタ８がアフター噴射Ｑｆａで駆動し、１０秒の経過時にアフター噴射Ｑｆａの駆動を停止し、ステップｓ６に進む。

ステップｓ５あるいはステップｓ３よりステップｓ６に達するとする。
ここでは、すでにフィルタ２２のパティキュレートが限界堆積量に達したと判断しているので、フィルタ強制再生制御手段１２２−３がポスト噴射Ｑｆｄ（時間幅Ｔｄ：排気行程での噴射）でインジェクタ８を駆動し、焼却温度（５００〜６００℃）を上回る高温排気ガスを強制的にフィルタ２２に流入して、パティキュレートの焼却除去を行なう。
次いで、ステップｓ７に達すると、フィルタ２２の容量に基づき設定された強制再生時間の経過、及び、排気流量が所定の値となる運転域での差圧ｄｐが所定の再生完了差圧ｄｐ０に達したことを検出すると、フィルタ強制再生指令Ｓｄｐｆを停止し、インジェクタ８をポスト噴射Ｑｆｄ（時間幅Ｔｄ：排気行程での噴射）より、通常噴射モードＭ１に戻し、不図示のメインルーチンに戻る。

このような図８の再生制御ルーチンに沿ってフィルタ強制再生及びＨＣ吸着触媒再生制御を行う場合、予め、ＨＣ吸着触媒に設定量を上回るＨＣが吸着されているとしても、このフィルタの強制再生制御に先立ちＨＣを酸化且つ脱離して排除するようにしている。このため、その後に比較的高温（５００℃〜６００℃）でのフィルタ２２の強制再生処理が行われても、その際にＨＣ吸着触媒に過度に吸着されているＨＣが酸化することで過度の昇温を招くことが未然に防止され、ＨＣ吸着触媒の触媒劣化、溶損を回避することができる。

しかも、フィルタ２２の強制再生時の排気ガス温度がＨＣ吸着触媒１９の耐熱温度を上回るとしても、フィルタ２２の下流側にＨＣ吸着触媒１９を配備するので、ＨＣ吸着触媒１９に達するまでに排気系の外壁部材からの外気放熱が進み、排気温度は比較的低下することとなるので、この点からも、下流側のＨＣ吸着触媒１９の溶損を防止できる。

図１の内燃機関の排気浄化装置ではステップｓ１で式（１）を用いて読み取るＨＣ吸着量Ｍｍｏｎ（ｎ）が前回値と変化しない、即ち、新たなＨＣ吸着量がゼロとなる時点ｔｆ（図７参照）に達した場合、以後のＨＣ吸着触媒のＨＣ吸着能力が無くなり、ＨＣの放出が生じることとなるため、この時期ｔｆがＨＣ吸着触媒に吸着する吸着ＨＣの焼却時期と適正に判断できる。そこで、ステップｓ４に達すると、ＨＣ吸着触媒再生制御手段１２２−４として、インジェクタ８をアフター噴射Ｑｆａ（時間幅Ｔａ：膨張行程での噴射）で駆動し、排ガス温度を２５０℃を上回ると共に４００℃未満に保持するよう昇温する。これにより、ＨＣ吸着触媒上の吸着限界量に近いＨＣを過度な昇温を招くことなく速やかに焼却排除することで、ＨＣ吸着触媒の溶損を未然に防止できる。

上述のところにおいて、図１の内燃機関の排気浄化装置では、入口ＨＣ濃度センサ３６の入口ＨＣ濃度Ｍｈｃｉｎと出口ＨＣ濃度センサ３７の出口ＨＣ濃度Ｍｈｃｏｕｔとの実測値を基に、式（１）を用いてＨＣ吸着量Ｍｍｏｎ（ｎ）を読み取っていたが、これに代えて、推測値を用いて演算したＨＣ吸着量Ｍｍｏｎ（ｎ）を読み取ってもよい。
この場合、図１の内燃機関の排気浄化装置で用いるＨＣ吸着触媒強制再生制御手段１２２−４’は図９に示す推定演算処理により、ＨＣ吸着量Ｍｍｏｎ（ｎ）を下記の式（２）を用いて算出する。

ここで式（２）で用いる推定値を説明する。まず、ＨＣ吸着触媒へのＨＣ流入量Ｍｉｎ（ｎ）を、エンジン回転数Ｎｅ及び吸気質量流量ＱＦＩＮを引数としたマップｍ−１で付与し、前段酸化触媒２のＨＣ浄化効率ηｏｘｉ（ｎ）を空燃比センサ４１（図１に２点差線で示す）の空燃比平均値ＡＦＳＡＶ及び前段酸化触媒２の上流触媒温度Ｔｃ（図１に２点差線で示す上流触媒温度センサ４２を用いる）を引数としたマップｍ−２で付与している。

更に、ＨＣ吸着触媒のＨＣ吸着効率ηａｄ（ｎ）を空燃比センサの空燃比ＡＦＳＡＶ及びＨＣ吸着触媒１９の触媒温度スリップＨＣを引数としたマップｍ−３で付与し、ＨＣ酸化・脱離量Ｍｄｅｓｏｒｐ（ｎ）を空燃比センサの空燃比平均値ＡＦＳＡＶ及びＨＣ吸着触媒１９の触媒温度スリップＨＣを引数としたマップｍ−４で付与している。
ＨＣ吸着量Ｍｍｏｎ（ｎ）＝ＨＣ吸着量Ｍｍｏｎ（ｎ−１）＋Ｍｉｎ（ｎ）
×｛１−ηｏｘｉ（ｎ）｝×ηａｄ（ｎ）―Ｍｄｅｓｏｒｐ（ｎ）・・・（２）
即ち、ＨＣ吸着触媒強制再生制御手段１２２−４’で用いる式（２）では、エンジン回転数Ｎｅ、吸気質量流量ＱＦＩＮ、前段酸化触媒２のＨＣ浄化効率ηｏｘｉ（ｎ）、空燃比平均値ＡＦＳＡＶ、前段酸化触媒２の上流触媒温度Ｔｃ、ＨＣ吸着触媒１９のＨＣ吸着効率ηａｄ（ｎ）、排気ガスの空燃比平均値ＡＦＳＡＶ、ＨＣ吸着触媒１９の触媒温度スリップＨＣを読み込む。

その上で、排気系へのＨＣ流入量Ｍｉｎ（ｎ）に対し、前段酸化触媒２でのＨＣ浄化分を減算した値：「Ｍｉｎ（ｎ）×｛１−ηｏｘｉ（ｎ）｝」を求める。更に、この減算した値に対し、ηａｄ（ｎ）を乗算することでＨＣ吸着触媒１９での吸着分を求める。更に、このＨＣ吸着触媒１９での吸着分：「Ｍｉｎ（ｎ）×｛１−ηｏｘｉ（ｎ）｝×ηａｄ（ｎ）」よりＨＣ吸着触媒１９でのＨＣ酸化・脱離量Ｍｄｅｓｏｒｐ（ｎ）を減算してＨＣ吸着触媒１９に今回残留する吸着量を求める。その上で、この残留吸着量を前回のＨＣ吸着量Ｍｍｏｎ（ｎ−１）に加算して、今回のＨＣ吸着量Ｍｍｏｎ（ｎ）を求め、更新している。

このような推定値を用いた場合も、実測値を基に式（１）を用いてＨＣ吸着量Ｍｍｏｎ（ｎ）を演算した場合とほぼ同様のＨＣ吸着量Ｍｍｏｎ（ｎ）を求められ、図８の再生制御ルーチンに沿ってフィルタ強制再生及びＨＣ吸着触媒再生制御を同様に行うことができる。これによって、ＨＣの放出を防止し、吸着ＨＣの焼却時期を適正に検出でき、ＨＣ吸着触媒に吸着限界量に近い吸着ＨＣを速やかに排除することで、過昇温の発生によりＨＣ吸着触媒の溶損を未然に防止できる。

１ エンジン（内燃機関）
２ 前段酸化触媒
８ インジェクタ
１２ 制御手段（ＥＣＵ）
１２２ 噴射制御部
１２２−１ ＨＣ供給手段
１２２−２ ＮＯｘ還元運転制御手段
１２２−３ フィルタ強制再生制御手段
１２２−３ａ 捕集量算出手段
１２２−４ ＨＣ吸着触媒再生制御手段
１２２−４ａ 吸着量算出手段
１９ ＨＣ吸着触媒
２１ ＮＯｘ吸蔵還元触媒
２２ フィルタ
２９ 差圧センサ
ｄＰ 前後差圧
Ｍ１ 通常噴射モード
Ｍ２ ＨＣ添加噴射
ＭＦ ＨＣ供給手段
Ｍｍｏｎ（ｎ） ＨＣ吸着量
Ｑｆａ ポスト噴射
Ｒ 排気系
Ｔｄｒｉ 所定経過時間

Claims (5)

1. 内燃機関の排気系のパティキュレートを捕集するフィルタと、
   前記排気系に設けられ炭化水素を吸着及び脱離するＨＣ吸着触媒と、
   前記フィルタへのパティキュレート捕集量を算出する捕集量算出手段と、
   前記ＨＣ吸着触媒への炭化水素吸着量を算出する吸着量算出手段と、
   前記ＨＣ吸着触媒に吸着したＨＣを脱離処理するＨＣ吸着触媒再生制御手段と、
   前記パティキュレート捕集量が所定量を上回るとフィルタの強制再生を実施するフィルタ再生制御手段とを備え、
   前記ＨＣ吸着触媒再生制御手段は、前記フィルタの強制再生に際して前記炭化水素吸着量が所定量を上回る場合には、該フィルタの強制再生に先立ち前記ＨＣ吸着触媒の脱離処理を実施する、
   ことを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記ＨＣ吸着触媒を昇温させる昇温手段を更に備え、
   前記ＨＣ吸着触媒再生制御手段は、前記ＨＣ脱離処理において前記ＨＣ吸着触媒を酸化活性温度以上で且つ前記フィルタの強制再生温度未満に保持するよう前記昇温手段を制御することにより脱離処理を実施する、
   ことを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
3. 前記昇温手段は、前記ＨＣ脱離処理においては前記内燃機関の膨張行程噴射によるＨＣ供給である、
   ことを特徴とする請求項２記載の排気浄化装置。
4. 前記ＨＣ吸着触媒の触媒容量に応じて前記ＨＣ吸着触媒を昇温する所定経過時間を設定する、
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の排気浄化装置。
5. 前記排気系の上流より前記フィルタ及び前記ＨＣ吸着触媒がこの順に配備される、
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の排気浄化装置。

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