JP5206870B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどの内燃機関の排気ガスには、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃燃料（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）または粒子状物質（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）などの成分が含まれている。内燃機関には、これらの成分を浄化するために排気浄化装置が取り付けられる。
窒素酸化物を除去する方法の一つとして、機関排気通路にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒が配置されることが提案されている。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒は、排気ガスの空燃比がリーンの時にはＮＯ_Ｘを吸蔵する。ＮＯ_Ｘの吸蔵量が許容量に達した時に、排気ガスの空燃比をリッチまたは理論空燃比にすることにより、吸蔵したＮＯ_Ｘが放出される。放出されたＮＯ_Ｘは、排気ガスに含まれる一酸化炭素等の還元剤によりＮ_２に還元される。
特開２０００−３１４３１１号公報には、内燃機関の排ガス流路に窒素酸化物の浄化触媒を配置した浄化装置が開示されている。窒素酸化物の浄化触媒は、貴金属と窒素酸化物の捕捉材とを有し、窒素酸化物の浄化触媒は、理論空燃比より高い空燃比で窒素酸化物をＮＯ_２ として捕捉することが開示されている。また、窒素酸化物の捕捉材はＳＯ_Ｘを捕捉するが、還元雰囲気にすることで捕捉したＳＯ_Ｘを除去することができることが開示されている。また、捕捉したＳＯ_Ｘを除去する温度は５００℃以上が望ましいことが開示されている。
内燃機関の排気ガスには、硫黄酸化物（ＳＯ_Ｘ）が含まれる場合がある。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒は、ＮＯ_Ｘの吸蔵と同時にＳＯ_Ｘを吸蔵する。ＳＯ_Ｘが吸蔵されると、ＮＯ_Ｘの吸蔵可能量が低下する。このように、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒には、いわゆる硫黄被毒が生じる。硫黄被毒を解消するために、ＳＯ_Ｘを放出する硫黄被毒回復処理が行なわれる。硫黄被毒回復処理においては、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒を昇温した状態で、排気ガスの空燃比をリッチまたは理論空燃比にすることによりＳＯ_Ｘを放出する。
ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の硫黄被毒回復処理の時には、ＳＯ_Ｘが大気中に放出される。ＳＯ_Ｘの放出速度が大きいと大量のＳＯ_Ｘが短時間に放出されてしまうために、臭い等の問題が生じる。
一方で、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒は、熱劣化が生じる。熱劣化が生じると、例えばＮＯ_Ｘ吸蔵可能量が減少する。熱劣化は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の温度が高いほど速く進行する。硫黄被毒回復処理を行なうときには、昇温された状態が長い時間継続される。このため、硫黄被毒回復処理のときに、熱劣化が比較的速く進行する。
従来の技術においては、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の目標温度および再生時間を予め設定して、この再生時間の間、目標温度を維持しながら硫黄被毒回復処理を行っていた。または、ＳＯ_Ｘ放出速度は、燃焼室における燃料噴射量および温度等を関数にするマップを用いることにより検出することができる。ＳＯ_Ｘ放出量は、ＳＯ_Ｘ放出速度から算出することができる。しかし、従来の技術により検出されるＳＯ_Ｘ放出速度には、比較的大きな誤差が含まれている。このため、硫黄被毒回復処理のときに、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒が必要以上に高温の雰囲気に曝され、熱劣化が過剰に進行している可能性があった。硫黄被毒回復処理を行っているときのＳＯ_Ｘ放出速度は精度良く検出できることが好ましい。

本発明は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒装置を含む内燃機関の排気浄化装置であって、硫黄被毒回復処理を行うときのＳＯ_Ｘ放出速度を精度良く算出することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
本発明の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時には排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘを吸蔵し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯ_Ｘを放出するＮＯ_Ｘ触媒装置を配置し、ＮＯ_Ｘ触媒装置に吸蔵されたＳＯ_Ｘ量が予め定められた許容量を超えたときに、ＮＯ_Ｘ触媒装置の温度をＳＯ_Ｘ放出可能な温度まで上昇させた後に、ＮＯ_Ｘ触媒装置に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにするＳＯ_Ｘ放出制御により吸蔵されたＳＯ_Ｘを放出させる。ＮＯ_Ｘ触媒装置は、ＳＯ_Ｘ放出制御を行っているときのＮＯ_Ｘ触媒装置の温度に依存して、ＳＯ_Ｘ放出制御を行っても最終的に残留する残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量を有する。今回のＳＯ_Ｘ放出制御の残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量に基づいて、今回のＳＯ_Ｘ放出制御における各時刻のＳＯ_Ｘ放出速度を算出する。この構成により、ＳＯ_Ｘ放出制御を行っているときのＳＯ_Ｘ放出速度を精度良く算出することができる。
上記発明においては、今回のＳＯ_Ｘ放出制御において、各時刻のＳＯ_Ｘ吸蔵量と残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量との差に基づいて、各時刻のＳＯ_Ｘ放出速度を算出することが好ましい。
上記発明においては、ＳＯ_Ｘ放出制御の各時刻において算出したＳＯ_Ｘ放出速度に基づき、ＳＯ_Ｘ放出制御を開始してから現時刻までに放出された積算ＳＯ_Ｘ放出量を算出し、ＳＯ_Ｘ放出制御を開始したときのＳＯ_Ｘ吸蔵量から残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量を減算した放出可能なＳＯ_Ｘ量が第１の半径の円の面積に対応するとしたときに、積算ＳＯ_Ｘ放出量に対応する面積の円の半径が第２の半径として算出され、算出された現時刻のＳＯ_Ｘ放出速度を第１の半径と第２の半径との比に基づいて補正することが好ましい。
上記発明においては、ＮＯ_Ｘ触媒装置は、残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量が残留したときにＮＯ_Ｘを吸蔵できる最終的なＮＯ_Ｘ吸蔵可能量を有し、ＳＯ_Ｘ放出制御の各時刻において算出したＳＯ_Ｘ放出速度に基づき、ＳＯ_Ｘ放出制御を開始してから現時刻までに回復したＮＯ_Ｘ回復量を算出し、最終的なＮＯ_Ｘ吸蔵可能量からＳＯ_Ｘ放出制御を開始したときのＮＯ_Ｘ吸蔵可能量を減算した回復可能なＮＯ_Ｘ吸蔵可能量が第１の半径の円の面積に対応するとしたときに、ＮＯ_Ｘ回復量に対応する面積の円の半径が第２の半径として算出され、算出された現時刻のＳＯ_Ｘ放出速度を第１の半径と第２の半径との比に基づいて補正することが好ましい。
上記発明においては、ＳＯ_Ｘ放出制御の各時刻において算出したＳＯ_Ｘ放出速度に基づき、ＳＯ_Ｘ放出制御を開始してから現時刻までに放出された積算ＳＯ_Ｘ放出量を算出し、ＳＯ_Ｘ放出制御を開始したときのＳＯ_Ｘ吸蔵量から残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量を減算した放出可能なＳＯ_Ｘ量が第１の半径の球の体積に対応するとしたときに、積算ＳＯ_Ｘ放出量に対応する体積の球の半径が第２の半径として算出され、算出された現時刻のＳＯ_Ｘ放出速度を第１の半径と第２の半径との比に基づいて補正することが好ましい。
上記発明においては、ＮＯ_Ｘ触媒装置は、残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量が残留したときにＮＯ_Ｘを吸蔵できる最終的なＮＯ_Ｘ吸蔵可能量を有し、ＳＯ_Ｘ放出制御の各時刻において算出したＳＯ_Ｘ放出速度に基づき、ＳＯ_Ｘ放出制御を開始してから現時刻までに回復したＮＯ_Ｘ回復量を算出し、最終的なＮＯ_Ｘ吸蔵可能量からＳＯ_Ｘ放出制御を開始したときのＮＯ_Ｘ吸蔵可能量を減算した回復可能なＮＯ_Ｘ吸蔵可能量が第１の半径の球の体積に対応するとしたときに、ＮＯ_Ｘ回復量に対応する体積の球の半径が第２の半径として算出され、算出された現時刻のＳＯ_Ｘ放出速度を第１の半径と第２の半径との比に基づいて補正することが好ましい。

図１は、実施の形態１における内燃機関の概略図である。
図２は、ＮＯ_Ｘを吸蔵する時のＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒装置の拡大概略断面図である。
図３は、ＳＯ_Ｘを吸蔵する時のＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒装置の拡大概略断面図である。
図４は、機関回転数と要求トルクとを関数にする単位時間当りのＳＯ_Ｘ吸蔵量のマップである。
図５は、硫黄被毒回復処理を行なうときのタイムチャートである。
図６は、実施の形態１におけるＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒装置に吸蔵されているＳＯ_Ｘ量と、ＳＯ_Ｘ放出速度の関係を説明するグラフである。
図７は、実施の形態１におけるＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒装置の床温と、最終的に残留する残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量との関係を説明するグラフである。
図８は、ＳＯ_Ｘ放出制御において、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒装置に吸蔵されているＳＯ_Ｘ量の変化を説明する図である。
図９は、実施の形態１におけるＳＯ_Ｘ放出制御を行なうときのフローチャートである。
図１０は、実施の形態１において、補正項を用いてＳＯ_Ｘ放出速度を算出した場合と、補正項を用いないでＳＯ_Ｘ放出速度を算出した比較例とのグラフである。
図１１は、高温でＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒装置からＳＯ_Ｘが放出された状態を説明する拡大概略図である。
図１２は、低温でＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒装置からＳＯ_Ｘが放出された状態を説明する拡大概略図である。
図１３は、ＳＯ_Ｘの放出モデルを説明する概略図である。
図１４は、実施の形態２において、算出された補正項を用いて計算したときのＳＯ_Ｘ放出速度のグラフである。
図１５は、実施の形態２におけるＳＯ_Ｘ放出制御を行なうときのフローチャートである。
図１６は、ＳＯ_Ｘ放出制御において、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒装置のＮＯ_Ｘ吸蔵可能量の変化を説明する図である。
図１７は、実施の形態３におけるＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒装置の温度と、放出不可能なＳＯ_Ｘが残留したときの最終的なＮＯ_Ｘ吸蔵可能量との関係を説明するクラブである。
図１８は、実施の形態３におけるＳＯ_Ｘ吸蔵量とＮＯ_Ｘ吸蔵可能量との関係を説明するグラフである。

参照符号の一覧表
１…機関本体
２…燃焼室
３…燃料噴射弁
１７…ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒
３０…電子制御ユニット
４５…触媒担体
４６…触媒金属
４７…ＮＯ_Ｘ吸収剤

実施の形態１
図１から図１０を参照して、実施の形態１における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態における内燃機関は、車両に配置されている。本実施の形態においては、自動車に取り付けられている圧縮着火式のディーゼルエンジンを例に取り上げて説明する。
図１に、本実施の形態における内燃機関の全体図を示す。内燃機関は、機関本体１を備える。また、内燃機関は、排気ガスを浄化する排気浄化装置を備える。機関本体１は、各気筒としての燃焼室２と、それぞれの燃焼室２に燃料を噴射するための電子制御式の燃料噴射弁３と、吸気マニホールド４と、排気マニホールド５とを含む。
吸気マニホールド４は、吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結されている。コンプレッサ７ａの入口は、吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結されている。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置されている。更に、吸気ダクト６の周りには、吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置されている。図１に示される実施例では、機関冷却水が冷却装置１１に導かれている。機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
排気マニホールド５は、排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結されている。本実施の形態における排気浄化装置は、ＮＯ_Ｘ触媒装置としてのＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒装置（ＮＳＲ）１７を備える（以下、単に「ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒」という）。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒１７は、排気タービン７ｂの出口に排気管１２を介して連結されている。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒１７の下流の機関排気通路内には排気ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタ１６が配置されている。また、パティキュレートフィルタ１６の下流の機関排気通路内には、酸化触媒１３が配置されている。
排気マニホールド５と吸気マニホールド４との間には、排気ガス再循環（ＥＧＲ）を行うためにＥＧＲ通路１８が配置されている。ＥＧＲ通路１８には電子制御式のＥＧＲ制御弁１９が配置されている。また、ＥＧＲ通路１８の周りにはＥＧＲ通路１８内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２０が配置されている。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２０内に導かれている。機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
それぞれの燃料噴射弁３は、燃料供給管２１を介してコモンレール２２に連結されている。コモンレール２２は、電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２３を介して燃料タンク２４に連結されている。燃料タンク２４に貯蔵される燃料は、燃料ポンプ２３によってコモンレール２２内に供給される。コモンレール２２内に供給された燃料は、それぞれの燃料供給管２１を介して燃料噴射弁３に供給される。
電子制御ユニット３０は、デジタルコンピュータからなる。本実施の形態における電子制御ユニット３０は、排気浄化装置の制御装置として機能する。電子制御ユニット３０は、双方性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を含む。
ＲＯＭ３２は、読み込み専用の記憶装置である。ＲＯＭ３２には、制御を行なうための必要なマップ等の情報が予め記憶されている。ＣＰＵ３４は、任意の演算や判別を行なうことができる。ＲＡＭ３３は、読み書きが可能な記憶装置である。ＲＡＭ３３は、運転履歴などの情報を保存したり、演算結果を一時的に保存したりすることができる。
ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒１７の下流には、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒１７の温度を検出するための温度センサ２６が配置されている。酸化触媒１３の下流には、酸化触媒１３またはパティキュレートフィルタ１６の温度を検出するための温度センサ２７が配置されている。パティキュレートフィルタ１６には、パティキュレートフィルタ１６の前後差圧を検出するための差圧センサ２８が取付けられている。これらの温度センサ２６，２７、差圧センサ２８および吸入空気量検出器８の出力信号は、それぞれ対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。
アクセルペダル４０には、アクセルペダル４０の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続されている。負荷センサ４１の出力電圧は、対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５には、クランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続されている。クランク角センサ４２の出力により、機関本体１の回転数を検出することができる。
一方、出力ポート３６は、対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０の駆動用ステップモータ、ＥＧＲ制御弁１９および燃料ポンプ２３に接続されている。この様に、燃料噴射弁３およびスロットル弁１０等は、電子制御ユニット３０により制御されている。
酸化触媒１３は、酸化能力を有する触媒である。酸化触媒１３は、例えば、排気ガスの流れ方向に延びる隔壁を有する基体を備える。基体は、例えばハニカム構造に形成されている。基体は、たとえば円筒形状のケースに収容される。基体の表面には、例えば多孔質酸化物粉末により、触媒担持体としてのコート層が形成されている。コート層には、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｄ）、パラジウム（Ｐｄ）のような貴金属で形成された触媒金属が担持されている。排気ガスに含まれる一酸化炭素または未燃炭化水素は、酸化触媒で酸化されて水や二酸化炭素等に変換される。
パティキュレートフィルタ１６は、排気ガス中に含まれる炭素微粒子、サルフェート等のイオン系微粒子等の粒子状物質（パティキュレート）を除去するフィルタである。パティキュレートフィルタは、例えば、ハニカム構造を有し、ガスの流れ方向に伸びる複数の流路を有する。複数の流路において、下流端が封止された流路と上流端が封止された流路とが交互に形成されている。流路の隔壁は、コージライトのような多孔質材料で形成されている。この隔壁を排気ガスが通過するときにパティキュレートが捕捉される。
粒子状物質は、パティキュレートフィルタ１６上に捕集されて酸化される。パティキュレートフィルタ１６に次第に堆積する粒子状物質は、空気過剰の雰囲気中で温度を例えば６００℃程度まで上昇することにより酸化されて除去される。
図２に、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の拡大概略断面図を示す。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒１７は、機関本体１から排出される排気ガスに含まれるＮＯ_Ｘを一時的に吸蔵して、吸蔵したＮＯ_Ｘを放出するときにＮ_２に変換する触媒である。
ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒１７は、基体上に例えばアルミナからなる触媒担体４５が担持されている。触媒担体４５の表面上には貴金属で形成された触媒金属４６が分散して担持されている。触媒担体４５の表面上にはＮＯ_Ｘ吸収剤４７の層が形成されている。触媒金属４６としては、例えば白金Ｐｔが用いられる。ＮＯ_Ｘ吸収剤４７を構成する成分としては、例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、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、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つが用いられている。本実施の形態においては、ＮＯ_Ｘ吸収剤４７を構成する成分としてバリウムＢａが用いられている。
本発明においては、機関吸気通路、燃焼室、または機関排気通路に供給された排気ガスの空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）と称する。排気ガスの空燃比がリーンのとき（理論空燃比より大きなとき）には、排気ガス中に含まれるＮＯが触媒金属４６上において酸化されてＮＯ_２になる。ＮＯ_２は、硝酸イオンＮＯ_３ ⁻の形でＮＯ_Ｘ吸収剤４７内に吸蔵される。これに対して、排気ガスの空燃比がリッチのとき、または理論空燃比になると、ＮＯ_Ｘ吸収剤４７に吸蔵されている硝酸イオンＮＯ_３ ⁻がＮＯ_２の形でＮＯ_Ｘ吸収剤４７から放出される。放出されたＮＯ_Ｘは、排気ガスに含まれる未燃炭化水素や一酸化炭素等によってＮ_２に還元される。
図３に、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の他の拡大概略断面図を示す。排気ガス中にはＳＯ_Ｘ、即ちＳＯ_２が含まれている。ＳＯ_２は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒１７に流入すると、触媒金属４６において酸化されてＳＯ_３となる。このＳＯ_３はＮＯ_Ｘ吸収剤４７に吸収されて、たとえば硫酸塩ＢａＳＯ_４を生成する。硫酸塩ＢａＳＯ_４は安定していて分解しづらい。単に排気ガスの空燃比をリッチにしただけでは硫酸塩ＢａＳＯ_４は分解されずにそのまま残る。このため、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒が吸蔵できるＮＯ_Ｘ量が低下することになる。このように、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒には、硫黄被毒が生じる。
硫黄被毒を回復するためには、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の温度をＳＯ_Ｘ放出が可能な温度まで上昇させる。この状態でＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチまたは理論空燃比にするＳＯ_Ｘ放出制御を行なう。ＳＯ_Ｘ放出制御を行なうことにより、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からＳＯ_Ｘを放出させることができる。
本実施の形態においては、内燃機関の通常の運転時にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されるＳＯ_Ｘ量を算出する。ＳＯ_Ｘ吸蔵量の算出は、内燃機関の運転中に継続的に行なわれている。本実施の形態における排気浄化装置は、通常の運転中のＳＯ_Ｘ吸蔵量の検出装置を備える。図１を参照して、本実施の形態におけるＳＯ_Ｘ吸蔵量の検出装置は、電子制御ユニット３０を含む。
図４に、機関回転数と要求トルクとを関数にするＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に単位時間に吸蔵されるＳＯ_Ｘ量のマップを示す。機関回転数Ｎと要求トルクＴＱを特定することにより、単位時間にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されるＳＯ_Ｘ量ＳＯＸＺを求めることができる。このマップは、例えば電子制御ユニット３０のＲＯＭ３２に記憶されている。運転を継続するとともに、所定の期間毎に、マップから単位時間当りに吸蔵されるＳＯ_Ｘ量を求める。ＳＯ_Ｘ吸蔵量は、例えばＲＡＭ３３に保存される。前回の硫黄被毒回復処理の終了時に残存するＳＯ_Ｘ吸蔵量を考慮して、算出されたＳＯ_Ｘ吸蔵量を積算することにより、任意の時刻におけるＳＯ_Ｘ吸蔵量を検出することができる。
通常の運転中に吸蔵されるＳＯ_Ｘ量の検出装置としては、この形態に限られず、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されるＳＯ_Ｘ量を検出できる任意の装置を採用することができる。
図５に、硫黄被毒回復処理を行うときのタイムチャートを示す。時刻ｔ_０において、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＳＯ_Ｘ吸蔵量が許容値に達している。時刻ｔ_０から、硫黄被毒回復処理を開始している。時刻ｔ_０からＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒を昇温する昇温制御を行う。図１を参照して、昇温制御は、例えば、燃焼室２に燃料を噴射する燃料噴射弁３を制御することにより行う。燃焼室２において、圧縮上死点の近傍で行われる主噴射の噴射時期を遅くすることにより、排気ガスの温度を上昇させることができる。さらに、主噴射の後の燃料の燃焼が可能な時期に、補助噴射としてのアフター噴射を行うことにより、排気ガスの温度を上昇させることができる。排気ガスの温度が上昇することにより、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒を昇温することができる。
時刻ｔ_ｓにおいて、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の床温が、ＳＯ_Ｘの放出が可能な目標温度に到達している。時刻ｔ_ｓからＳＯ_Ｘ放出制御を行う。本実施の形態のＳＯ_Ｘ放出制御においては、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の床温を略一定の温度に維持する。さらに、ＳＯ_Ｘ放出制御においては、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにする。
本実施の形態においては、上記のアフター噴射の噴射量を増量することにより、排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにしている。このときに、機関吸気通路に配置されているスロットル弁１０を絞っても構わない。または、主噴射の後の燃料の燃焼が不可能な時期に、補助噴射としてのポスト噴射を行うことにより、排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにすることができる。ポスト噴射は、アフター噴射の噴射時期よりも後に行なわれる噴射である。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにすることにより、ＳＯ_Ｘを放出させることができる。
ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒を昇温する装置とＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御する装置については、この形態に限られず、任意の装置を採用することができる。
時刻ｔ_ｅにて、ＳＯ_Ｘ吸蔵量がＳＯ_Ｘ放出制御を終了するための判定値に達している。時刻ｔ_ｅにて、ＳＯ_Ｘ放出制御を終了するとともに、硫黄被毒回復処理を終了している。
ＳＯ_Ｘ放出制御を行なっているときに、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からＳＯ_Ｘが放出される速度は、次式で表される。ＳＯ_Ｘ放出速度Ｒは、温度Ｔ、現在の時刻のＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ、およびＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に流入する還元剤ＣＯの関数になる。還元剤には、未燃燃料および一酸化炭素が含まれる。
Ｒ＝ｆ（Ｔ，Ｓ，ＣＯ） …（１）
ＳＯ_Ｘ放出速度Ｒは、例えば、具体的に次の式で表すことができる。次式は、アレニウスの式を応用したものである。
Ｒ＝Ａ×ｅｘｐ（−Ｅ_ａ／ＲＴ）×［ＳＯ_Ｘ］［ＣＯ］ …（２）
ここで、係数Ａは、頻度因子であり、また物性値である。Ａは実験的に求めることができる。定数Ｅ_ａは、活性化エネルギーであり、また既知の物性である。変数Ｔは、絶対温度である。係数Ｒは、気体定数である。変数［ＳＯ_Ｘ］は、硫酸塩の濃度を示す。変数［ＣＯ］は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に流入する還元剤の濃度を示している。
式（２）は、例えば温度が高いほどＳＯ_Ｘ放出速度が大きくなり、ＳＯ_Ｘ吸蔵量が多いほど、ＳＯ_Ｘ放出速度が大きくなることを示している。さらに、還元剤の量が多くなるほど、ＳＯ_Ｘ放出速度が大きくなることを示している。
発明者らは、硫黄被毒回復処理を行ってもＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＳＯ_Ｘの全てを放出させることができない場合があることを見出した。本発明においては、硫黄被毒回復処理を行っても最終的に残留するＳＯ_Ｘ量を残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量という。
図６に、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＳＯ_Ｘ吸蔵量とＳＯ_Ｘ放出速度との関係を説明するグラフを示す。横軸が、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＳＯ_Ｘ吸蔵量であり、縦軸がＳＯ_Ｘ放出速度である。図６には、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の床温が６５０℃、６２０℃または５８０℃で、ＳＯ_Ｘ放出制御を行ったときの例を示している。ＳＯ_Ｘ吸蔵量が多いほどＳＯ_Ｘ放出速度が大きいことが分かる。
ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の床温が６５０℃のときには、ＳＯ_Ｘ吸蔵量がほぼ零になるまでＳＯ_Ｘ放出速度が零よりも大きいことが分かる。すなわち、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の床温が６５０℃のときには、吸蔵されているほぼ全てのＳＯ_Ｘを放出することができる。これに対して、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の床温が低くなるにつれて、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒にＳＯ_Ｘが残存しているにも関わらず、ＳＯ_Ｘ放出速度が零になる場合が発現している。この様に、所定の温度以下では、ＳＯ_Ｘ放出制御を行なってもＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒にＳＯ_Ｘが残留する。
図７に、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の床温と残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量の関係を説明するグラフを示す。横軸は、ＳＯ_Ｘ放出制御を行なっているときのＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の床温である。縦軸は、ＳＯ_Ｘ放出制御を行なっても最終的に残留する残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量である。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の温度が低いときには、残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量が大きくなる。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の温度が高くなるにしたがって、残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量は小さくなる。このように、発明者は、ＳＯ_Ｘが完全に放出されずにＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に残留する場合があることを明らかにした。また、発明者は、残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量は、ＳＯ_Ｘ放出制御を行っているときのＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の温度に依存することを明らかにした。
図８に、ＳＯ_Ｘ放出制御を行なっているときに、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＳＯ_Ｘ量を模式的に示す。時刻ｔ_ｓは、ＳＯ_Ｘ放出制御を開始したときの時刻である。時刻ｔ_ｅは、ＳＯ_Ｘ放出制御を終了した時刻である。本実施の形態においては、ＳＯ_Ｘ吸蔵量が、残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量になる時を終了の時刻ｔ_ｅとしている。時刻ｔ_１は、ＳＯ_Ｘ放出制御を行っているときの任意の時刻である。
全体のＮＯ_Ｘ吸蔵可能量Ｑ_{ｔｏｔａｌ}は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒がＮＯ_Ｘを吸蔵することができる最大量である。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒は、ＮＯ_Ｘを吸蔵するとともにＳＯ_Ｘが吸蔵される。時刻ｔ_ｓでは、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に初期のＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_０のＳＯ_Ｘが吸蔵されている。ＳＯ_Ｘ放出制御を行うことにより、ＳＯ_Ｘが放出される。時刻ｔ_１でのＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｔ１は、初期のＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_０よりも小さくなる。本実施の形態においては、ＳＯ_Ｘ吸蔵量が残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｅに達したことを検出してＳＯ_Ｘ放出制御を終了する。
本実施の形態においては、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からＳＯ_Ｘが放出される量であるＳＯ_Ｘ放出量を精度良く算出する。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｔ１が、残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｅになる時刻ｔ_ｅを精度良く検出する。
本実施の形態においては、ＳＯ_Ｘ放出制御を行なっているときに、所定の間隔ごとにＳＯ_Ｘ放出速度を算出する。算出されたＳＯ_Ｘ放出速度に所定の間隔を乗じることにより、所定の間隔において放出されるＳＯ_Ｘ量を算出することができる。算出されたＳＯ_Ｘ放出量を積算することにより、ＳＯ_Ｘ放出制御の開始から任意の時刻までの積算ＳＯ_Ｘ放出量Ｍ_ｔ１を算出することができる。初期のＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_０から積算ＳＯ_Ｘ放出量Ｍ_ｔ１を減算することにより、任意の時刻におけるＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｔ１を算出することができる。
本実施の形態においては、最終的に残存する残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｅを考慮して、ＳＯ_Ｘ放出速度を算出する。本実施の形態においては、ＳＯ_Ｘ放出速度Ｒを算出するときに、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｔ１を用いて、次の式（３）により補正を行ったＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｔ１ ^＊を算出する。
Ｓ_ｔ１ ^＊＝Ｓ_ｔ１×（１−Ｓ_ｅ／Ｓ_ｔ１）
＝Ｓ_ｔ１−Ｓ_ｅ …（３）
例えば、上記の式（１）または式（２）において、現在の時刻におけるＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｔ１の代わりに、補正後のＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｔ１ ^＊を代入することにより、ＳＯ_Ｘ放出速度を算出する。すなわち、時刻ｔ_１におけるＳＯ_Ｘ放出速度Ｒ_ｔ１は、式（１）を変形して、次式で表すことができる。
Ｒ_ｔ１＝ｆ（Ｔ_ｔ１，Ｓ_ｔ１ ^＊，ＣＯ_ｔ１） …（４）
このように、各時刻のＳＯ_Ｘ吸蔵量と残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量との差に基づいて、各時刻のＳＯ_Ｘ放出速度を算出する。
図９に、本実施の形態におけるＳＯ_Ｘ放出制御を行なっているときのフローチャートを示す。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＳＯ_Ｘ量が許容値を超えて硫黄被毒回復処理を開始する。昇温制御を行った後に、ステップ１０１においてＳＯ_Ｘ放出制御を開始している。
次に、ステップ１０２において、残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｅを検出する。はじめに、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の温度を検出する。図１を参照して、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒１７の温度は、例えば、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒１７の下流に配置されている温度センサ２６によって検出することができる。前述のように、残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量は、温度に依存する。本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の温度を関数にする残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量のマップを備える。残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量のマップは、例えば、電子制御ユニット３０のＲＯＭ３２に記憶されている。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒１７の温度とマップにより、残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｅを検出する。
次に、ステップ１０３において、現在の時刻ｔ_１におけるＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｔ１を読み込む。ＳＯ_Ｘ放出制御を開始した直後には、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されている初期のＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_０が現在の時刻のＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｔ１になる。
次に、ステップ１０４において、ＳＯ_Ｘ放出速度を計算するために、補正を行ったＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｔ１ ^＊を算出する。時刻ｔ_１におけるＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｔ１と、残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｅを用いて、式（３）により補正後のＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｔ１ ^＊を算出することができる。
次に、ステップ１０５において、補正後のＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｔ１ ^＊を用いて、例えば、式（４）により、時刻ｔ_１におけるＳＯ_Ｘ放出速度Ｒ_ｔ１を算出する。
または、式（２）によりＳＯ_Ｘ放出速度を算出する場合には、補正後のＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｔ１ ^＊から硫酸塩の濃度［ＳＯ_Ｘ］を求めて、ＳＯ_Ｘ放出速度Ｒ_ｔ１を算出することができる。還元剤の濃度［ＣＯ］は、たとえば、燃料室に噴射される燃料の量、吸入空気流量および排気ガスの温度等から算出することができる。
次に、ステップ１０６において、微小時間Δｔの間のＳＯ_Ｘ放出量ΔＭ_ｔを算出する。
ΔＭ_ｔ＝Ｒ_ｔ１×Δｔ …（５）
微小時間Δｔは、任意の時間を採用することができる。微小時間Δｔは、ＳＯ_Ｘ放出速度を算出する間隔の長さである。微小時間Δｔは、ＳＯ_Ｘ放出速度を算出してから次のＳＯ_Ｘ放出速度を算出するまでの時間である。
次に、ステップ１０７において、現在のＳＯ_Ｘ吸蔵量から微小時間ΔｔのＳＯ_Ｘ放出量ΔＭ_ｔを減算することにより、新たなＳＯ_Ｘ吸蔵量を算出することができる。
次に、ステップ１０８において、算出されたＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｔ１が、残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｅ以下か否かが判別される。ＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｔ１が、残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｅよりも大きい場合には、ステップ１０３に戻って、この計算を繰り返す。このように、任意の時刻ｔ_１におけるＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｔ１を算出することができる。
ステップ１０８において、ＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｔ１が、残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｅ以下の場合には、ステップ１０９に移行してＳＯ_Ｘ放出制御を終了する。このように、ＳＯ_Ｘ吸蔵量が、残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量に到達することを検出する。
図１０に、本実施の形態における計算方法により算出したＳＯ_Ｘ放出速度のグラフと、残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量を考慮しないで計算を行った比較例のグラフとを示す。また、図１０には、実験によりＳＯ_Ｘ放出速度を計測した実測例の点を示している。
比較例においては、式（３）に示すＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｔ１の補正を行わないで計算を行っている。比較例のグラフにおいては、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＳＯ_Ｘ吸蔵量が零になるまで、ＳＯ_Ｘ放出速度を有する。これに対して、本実施の形態における計算例では、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＳＯ_Ｘ吸蔵量が残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量になると、ＳＯ_Ｘ放出速度が零になる。本実施の形態の計算例は、実測例と良く一致していることが分かる。
本実施の形態においては、今回のＳＯ_Ｘ放出制御の残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量に基づいて、今回のＳＯ_Ｘ放出制御における各時刻のＳＯ_Ｘ放出速度を算出している。この構成を採用することにより、ＳＯ_Ｘ放出制御を行っても残存するＳＯ_Ｘが考慮され、精度良くＳＯ_Ｘ放出速度を算出することができる。特に、本実施の形態においては、今回のＳＯ_Ｘ放出制御における各時刻のＳＯ_Ｘ吸蔵量と、残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量との差に基づいて、各時刻のＳＯ_Ｘ放出速度を算出している。この構成により、簡易な制御で精度良くＳＯ_Ｘ放出速度を算出することができる。
また、本実施の形態においては、それぞれの時刻毎にＳＯ_Ｘ放出速度を算出しているために、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒からのＳＯ_Ｘ放出量を精度良く算出することができる。または、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に残存しているＳＯ_Ｘ吸蔵量を精度良く算出することができる。ＳＯ_Ｘ放出制御の終了時刻を精度良く判別することができる。この結果、ＳＯ_Ｘ放出制御を行なう時間が必要以上に長くなることを回避できる。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の熱劣化を抑制することができる。または、燃焼室で補助噴射を行うときに、必要以上に燃料が消費されることを回避できる。
本実施の形態においては、ＳＯ_Ｘ吸蔵量が残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量になるときにＳＯ_Ｘ放出制御を終了しているが、この形態に限られず、任意のＳＯ_Ｘ吸蔵量でＳＯ_Ｘ放出制御を終了させることができる。
また、ＳＯ_Ｘ放出速度を算出する式は、上記の式（２）に限られず、ＳＯ_Ｘ放出速度を計算する任意の式（１）に本実施の形態における式（３）の補正項を適用することができる。また、ＳＯ_Ｘ放出速度の補正については、この形態に限られず、残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量を考慮した任意の補正を採用することができる。
硫黄被毒回復処理は、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に吸蔵されるＳＯ_Ｘ量が増加して、許容値に達するごとに行われる。複数回の硫黄被毒回復処理を行う場合に、ＳＯ_Ｘ放出制御を行うときのＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の温度は、それぞれの回ごとに変化させても構わない。
実施の形態２
図１、図６、図８および図１１から図１５を参照して、実施の形態２における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態においては、ＳＯ_Ｘ放出速度を算出する式に補正を加える。
図６を参照して、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒のＳＯ_Ｘ吸蔵量が減少するに従ってＳＯ_Ｘ放出速度が減少する。このときのＳＯ_Ｘ放出速度の減少の傾向は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の床温によって異なることが分かる。例えば、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の床温が６５０℃のときには、ＳＯ_Ｘ放出速度のグラフは直線的になる。ところが、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の床温が低くなると、ＳＯ_Ｘ放出速度のグラフは曲線になる。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の床温が低いときには、ＳＯ_Ｘの放出を開始した後に、急激にＳＯ_Ｘ放出速度が減少し、その後に、緩やかにＳＯ_Ｘ放出速度が減少していく傾向を有する。本実施の形態においては、この傾向を算出するための補正項を、ＳＯ_Ｘ放出速度を算出する式に盛り込む。
図１１は、本実施の形態におけるＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の拡大概略図を示す。図１１は、ＳＯ_Ｘ吸蔵量が残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量になるまでＳＯ_Ｘ放出制御を行ったときの拡大概略図である。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒には、触媒金属４６が含まれる。ＳＯ_Ｘ５０は、硫酸塩の形態でＮＯ_Ｘ吸収剤に含まれている。ＳＯ_Ｘ放出制御を行なうと、触媒金属４６の近傍においては、多くのＳＯ_Ｘ５０が放出されている。ところが、触媒金属４６から所定の距離を空けた位置においてはＳＯ_Ｘ５０が多く残留している。触媒金属４６から離れることにより、徐々に残留するＳＯ_Ｘが増加することが分かる。
図１２に、本実施の形態におけるＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の他の拡大概略図を示す。図１２は、図１１におけるＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の温度よりも低温でＳＯ_Ｘ放出制御を行ったときの拡大概略図である。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の床温を低温にしてＳＯ_Ｘ放出制御を行なうことにより、放出されるＳＯ_Ｘ５０が減少する。触媒金属４６の近傍においてもＳＯ_Ｘ５０が残留している。この例の場合にも、触媒金属４６から離れることにより、徐々に残留するＳＯ_Ｘが増加することが分かる。
図１１および図１２を参照して、ＳＯ_Ｘ放出制御を行うと触媒金属４６を中心にＳＯ_Ｘの放出が行なわれることが分かる。また、ＳＯ_Ｘが完全に放出されている触媒金属４６からの距離は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒が高温になるほど長くなることが分かる。このように、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の温度が高いほど、触媒金属４６から離れている位置のＳＯ_Ｘを放出できることが分かる。本実施の形態においては、触媒金属４６からの距離を用いてＳＯ_Ｘの放出をモデル化する。
図１３に、ＳＯ_Ｘの放出をモデル化した概略図を示す。本実施の形態における第１の放出モデルにおいては、触媒金属４６を中心に円を画定する。円の面積をＳＯ_Ｘ放出量に対応させる。
触媒金属４６を中心として、第１の半径としての半径ｒ_１の円を画定する。また、触媒金属４６を中心として、第２の半径としての半径ｒ_２の円を画定する。この放出モデルにおいて、ＳＯ_Ｘの放出は、触媒金属４６から外側に向かって進行する。触媒金属４６を中心とする半径ｒ_１の円の内部は、ＳＯ_Ｘを放出することができる領域に相当する。触媒金属４６を中心とする半径ｒ_１の円の外側は、ＳＯ_Ｘを放出することができずにＳＯ_Ｘが残留する領域に相当する。半径ｒ_１は、ＳＯ_Ｘ放出制御を行っているときのＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の床温に依存する。半径ｒ_２の円の内部は、任意の時刻までにＳＯ_Ｘを放出した領域である。半径ｒ_２は、ＳＯ_Ｘ放出制御が進行するにつれて次第に大きくなる。半径ｒ_２は、半径ｒ_１まで大きくなることができる。
図１３の放出モデルを考えたときに、還元反応に関与できる硫酸塩ＢａＳＯ_４の濃度を以下の式により算出する。
［ＢａＳＯ_４］^＊＝［ＢａＳＯ_４］（１−ｒ_２／ｒ_１）…（６）
硫酸塩の濃度に補正項（１−ｒ_２／ｒ_１）の項を乗じて、補正後の硫酸塩の濃度を算出している。同様に、補正後のＳＯ_Ｘ放出速度Ｒ_ｔ１ ^＊は、補正前のＳＯ_Ｘ放出速度Ｒ_ｔ１を用いて次式で表される。
Ｒ_ｔ１ ^＊＝Ｒ_ｔ１×（１−ｒ_２／ｒ_１）…（７）
式（７）は、半径ｒ_２が半径ｒ_１に近づくにつれて、ＳＯ_Ｘ放出速度が零に近づくことを示している。すなわち、ＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｔ１が残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｅに近づくにつれて、ＳＯ_Ｘ放出速度が零に近づくことを示している。また、式（７）は、同じ半径ｒ_２の値であっても、半径ｒ_１が大きいと、補正後のＳＯ_Ｘ放出速度Ｒ_ｔ１ ^＊が大きくなることを示している。すなわち、ＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｔ１が同じであっても、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒が高温の場合には、補正後のＳＯ_Ｘ放出速度Ｒ_ｔ１ ^＊が大きくなることを示している。また、補正後のＳＯ_Ｘ放出速度Ｒ_ｔ１ ^＊は、半径ｒ_１が大きい場合には、ＳＯ_Ｘ吸蔵量の減少に伴って直線的に減少することを示している。
次に、式（７）に含まれる半径ｒ_１と半径ｒ_２との比を算出する。本実施の形態における第１の放出モデルにおいては、ＳＯ_Ｘ放出量を、図１３に示す円の面積に対応させる。すなわち、ＳＯ_Ｘ放出量は、次式で与えられる。
πｒ^２∝ＳＯ_Ｘ放出量 …（８）
図８および図１３を参照して、半径ｒ_１の円の面積は、放出可能なＳＯ_Ｘ量（最終的なＳＯ_Ｘ放出量）Ｍ_ｅに対応する。放出可能なＳＯ_Ｘ量Ｍ_ｅは、ＳＯ_Ｘ放出制御を開始したときのＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_０から残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｅを減算した値である。また、半径ｒ_２の円の面積は、時刻ｔ_ｓから時刻ｔ_１までに放出した積算ＳＯ_Ｘ放出量Ｍ_ｔ１に対応する。（８）式により、半径ｒ_１を算出することができる。
πｒ_１ ^２∝Ｍ_ｅ…（９）
πｒ_１ ^２＝ｋＭ_ｅ（ｋ：定数）
ｒ_１＝（ｋ／π×Ｍ_ｅ）^１／２ …（１０）
次に、半径ｒ_１の導出と同様に、（８）式により半径ｒ_２を算出することができる。
πｒ_２ ^２∝Ｍ_ｔ１ …（１１）
πｒ_２ ^２＝ｋＭ_ｔ１（ｋ：定数）
ｒ_２＝（ｋ／π×Ｍ_ｔ１）^１／２ …（１２）
式（１０）と式（１２）とから、半径ｒ_１と半径ｒ_２との比を次式のように算出することができる。
ｒ_２／ｒ_１＝（Ｍ_ｔ１／Ｍ_ｅ）^１／２ …（１３）
このように、半径ｒ_１と半径ｒ_２との比は、放出可能なＳＯ_Ｘ量Ｍ_ｅと、時刻ｔ_ｓから時刻ｔ_１までの間に放出した積算ＳＯ_Ｘ放出量Ｍ_ｔ１とにより算出することができる。更に、式（１３）にて算出された値を式（７）に代入することにより、補正後のＳＯ_Ｘ放出速度Ｒ_ｔ１ ^＊を算出することができる。
Ｒ_ｔ１ ^＊＝Ｒ_ｔ１×（１−（Ｍ_ｔ１／Ｍ_ｅ）^１／２）…（１４）
図１４に、本実施の形態における第１の放出モデルにて計算を行った結果のグラフを示す。横軸は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＳＯ_Ｘ吸蔵量であり、縦軸がＳＯ_Ｘ放出速度である。ＳＯ_Ｘ吸蔵量が多いときには、ＳＯ_Ｘ吸蔵量の減少と共にＳＯ_Ｘ放出速度が大きく減少する傾向が示されている。ＳＯ_Ｘ吸蔵量が少なくなると、ＳＯ_Ｘ吸蔵量の減少と共にＳＯ_Ｘ放出速度が小さく減少する傾向が示されている。また、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の床温が高いほど、この傾向が大きくなり、グラフが曲線になることが示されている。
このように、第１の放出モデルにおいては、算出されたＳＯ_Ｘ放出速度を、半径ｒ_１および半径ｒ_２に基づいて補正することにより、精度良くＳＯ_Ｘ放出速度を算出することができる。
図１５に、本実施の形態におけるＳＯ_Ｘ放出制御を行なっているときのフローチャートを示す。ステップ１０１においてＳＯ_Ｘ放出制御を開始している。ステップ１０２において、残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｅを検出する。ステップ１０１およびステップ１０２は、実施の形態１と同様である。
次に、ステップ１１１において、初期のＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_０から残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｅを減算することにより、放出可能なＳＯ_Ｘ量Ｍ_ｅを算出する（図８参照）。次に、ステップ１０３において、現在の時刻ｔ_１におけるＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｔ１を検出する。
次に、ステップ１１２において、検出されたＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｔ１を用いて、式（１）により補正前のＳＯ_Ｘ放出速度Ｒ_ｔ１を算出する。また、ステップ１１３において、初期のＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_０から時刻ｔ_１におけるＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｔ１を減算することにより、積算ＳＯ_Ｘ放出量Ｍ_ｔ１を算出する。
次に、ステップ１１４において、補正後のＳＯ_Ｘ放出速度Ｒ_ｔ１ ^＊を算出する。放出可能なＳＯ_Ｘ量Ｍ_ｅおよび積算ＳＯ_Ｘ放出量Ｍ_ｔ１を用いて、上記の式（１４）により、補正後のＳＯ_Ｘ放出速度Ｒ_ｔ１ ^＊を算出することができる。
次に、ステップ１１５において、補正後のＳＯ_Ｘ放出速度Ｒ_ｔ１ ^＊を用いて、微小時間ΔｔのＳＯ_Ｘ放出量（ΔＭ_ｔ）を算出する。次に、ステップ１０７において、現在のＳＯ_Ｘ吸蔵量から放出されるＳＯ_Ｘ量を差し引くことにより、新たなＳＯ_Ｘ吸蔵量を算出することができる。ステップ１０７からステップ１０９は、実施の形態１と同様である。
このように、本実施の形態においては、補正後のＳＯ_Ｘ放出速度の式を用いてＳＯ_Ｘ放出量を算出することにより、より正確なＳＯ_Ｘ放出量を算出することができる。または、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に吸蔵されているＳＯ_Ｘ吸蔵量を精度良く算出することができる。
次に、本実施の形態における第２の放出モデルについて説明する。本実施の形態おける第２の放出モデルにおいては、触媒金属４６を中心に球を画定する。すなわち、第１の放出モデルで画定したＳＯ_Ｘの放出範囲を円ではなく球とする。第２の放出モデルにおいては、ＳＯ_Ｘ放出量を、球の体積に対応させる。すなわち、ＳＯ_Ｘ放出量は、次式で与えられる。
（４／３）πｒ^３∝ＳＯ_Ｘ放出量 …（１５）
第２の放出モデルにおいては、第１の半径としての半径ｒ_１の球の体積が、放出可能なＳＯ_Ｘ量Ｍ_ｅに対応する。第２の半径としての半径ｒ_２の球の体積が、時刻ｔ_ｓから時刻ｔ_１までに放出した積算ＳＯ_Ｘ放出量Ｍ_ｔ１に対応する。（１５）式を用いて、以下の式を導出することができる。
（４／３）πｒ_１ ^３＝ｋＭ_ｅ（ｋ：定数） …（１６）
（４／３）πｒ_２ ^３＝ｋＭ_ｔ１（ｋ：定数） …（１７）
式（１６）と式（１７）とから、半径ｒ_１と半径ｒ_２との比を次式のように算出することができる。
ｒ_２／ｒ_１＝（Ｍ_ｔ１／Ｍ_ｅ）^１／３ …（１８）
半径ｒ_１と半径ｒ_２との比は、放出可能なＳＯ_Ｘ量Ｍ_ｅと、時刻ｔ_ｓから時刻ｔ_１までの間に放出した積算ＳＯ_Ｘ放出量Ｍ_ｔ１とにより算出することができる。更に、式（１８）を式（７）に代入することにより、補正後のＳＯ_Ｘ放出速度Ｒ_ｔ１ ^＊を算出することができる。
Ｒ_ｔ１ ^＊＝Ｒ_ｔ１×（１−（Ｍ_ｔ１／Ｍ_ｅ）^１／３）…（１９）
第２の放出モデルにおいても、算出されたＳＯ_Ｘ放出速度を、半径ｒ_１および半径ｒ_２に基づいて補正することにより、精度良くＳＯ_Ｘ放出速度を算出することができる。また、補正後のＳＯ_Ｘ放出速度の式を用いてＳＯ_Ｘ放出量を算出することにより、より正確なＳＯ_Ｘ放出量を算出することができる。または、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に吸蔵されているＳＯ_Ｘ吸蔵量を精度良く算出することができる。
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
実施の形態３
図１、図７、図８および図１６から図１８を参照して、実施の形態３における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態においては、実施の形態２において説明したＳＯ_Ｘ放出速度の補正項を、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵可能量を用いて算出する。すなわち、半径ｒ_１と半径ｒ_２との比を、ＮＯ_Ｘを吸蔵することができる量を示すＮＯ_Ｘ吸蔵可能量から算出する。
図１６に、硫黄被毒回復処理において、ＳＯ_Ｘ放出制御を行なっているときのＮＯ_Ｘ吸蔵可能量を模式的に示す。時刻ｔ_ｓは、ＳＯ_Ｘ放出制御を開始したときの時刻であり、時刻ｔ_ｅは、ＳＯ_Ｘ放出制御を終了した時刻である。本実施の形態においては、ＳＯ_Ｘ吸蔵量が残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量になるときを終了の時刻ｔ_ｅとしている。時刻ｔ_１は、ＳＯ_Ｘ放出制御を行っているときの任意の時刻である。
ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒は、時刻ｔ_ｓにおいて初期のＮＯ_Ｘ吸蔵可能量Ｑ_０を有する。ＳＯ_Ｘ放出制御を行うことによりＳＯ_Ｘが放出される。時刻ｔ_１でのＮＯ_Ｘ吸蔵可能量Ｑ_ｔ１は、初期のＮＯ_Ｘ吸蔵可能量Ｑ_０よりも大きくなる。すなわち、ＮＯ_Ｘ吸蔵可能量が回復している。ＳＯ_Ｘ吸蔵量が残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｅになるまでＳＯ_Ｘの放出を行ったときには、ＮＯ_Ｘ吸蔵可能量が最終的なＮＯ_Ｘ吸蔵可能量Ｑ_ｅになる。
本実施の形態における第１の放出モデルにおいては、実施の形態２における第１の放出モデルと同様に、触媒金属４６を中心に円を画定する。円の面積をＳＯ_Ｘ放出量に対応させる（図１３参照）。更に、本実施の形態においては、ＳＯ_Ｘ放出量をＮＯ_Ｘ回復量に置き換えて、半径ｒ_１および半径ｒ_２の比を算出する。半径ｒ_１および半径ｒ_２の比は、次式になる。
ｒ_２／ｒ_１＝（Ｎ_ｔ１／Ｎ_ｅ）^１／２ …（２０）
ここで、変数Ｎ_ｅは、時刻ｔ_ｓからＳＯ_Ｘ吸蔵量が残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｅになるまでＳＯ_Ｘ放出制御を行ったときの回復量を示す回復可能なＮＯ_Ｘ吸蔵可能量（最終的なＮＯ_Ｘ回復量）である。変数Ｎ_ｔ１は、時刻ｔ_ｓから時刻ｔ_１までに回復したＮＯ_Ｘ吸蔵可能量であり、ＮＯ_Ｘ回復量という。
図１７に、最終的なＮＯ_Ｘ吸蔵可能量と、ＳＯ_Ｘ放出制御を行なうときのＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の床温との関係を説明するグラフを示す。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の温度が高くなるに従って、最終的なＮＯ_Ｘ吸蔵可能量Ｑ_ｅは大きくなることが分かる。図７に示したように、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の温度が高くなることにより、残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｅが小さくなるために、この傾向が発現する。
本実施の形態においては、図１７に示す関係に基づいて、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の床温を関数にする最終的なＮＯ_Ｘ吸蔵可能量Ｑ_ｅのマップを予め作成して、電子制御ユニット３０に記憶させておく。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の温度を検出して、ＮＯ_Ｘ吸蔵可能量のマップを用いることにより、最終的なＮＯ_Ｘ吸蔵可能量Ｑ_ｅを検出することができる。
または、最終的なＮＯ_Ｘ吸蔵可能量Ｑ_ｅは、全体のＮＯ_Ｘ吸蔵可能量Ｑ_{ｔｏｔａｌ}から残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｅに相当する量を減算して算出することができる。全体のＮＯ_Ｘ吸蔵可能量Ｑ_{ｔｏｔａｌ}は、予め電子制御ユニット３０に記憶させておく。残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｅは、例えば温度を関数とする残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量のマップから検出することができる。全体のＮＯ_Ｘ吸蔵可能量Ｑ_{ｔｏｔａｌ}と残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｅとにより、最終的なＮＯ_Ｘ吸蔵可能量Ｑ_ｅを算出することができる。
最終的なＮＯ_Ｘ吸蔵可能量Ｑ_ｅから初期のＮＯ_Ｘ吸蔵可能量Ｑ_０を減算することにより、回復可能なＮＯ_Ｘ吸蔵可能量Ｎ_ｅを算出することができる。初期のＮＯ_Ｘ吸蔵可能量Ｑ_０は、最終的なＮＯ_Ｘ吸蔵可能量Ｑ_ｅから初期のＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_０を減算することにより算出することができる。
図１８に、ＳＯ_Ｘ吸蔵量に対するＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒のＮＯ_Ｘ吸蔵可能量のグラフを示す。ＳＯ_Ｘ吸蔵量が多くなるほど、ＮＯ_Ｘ吸蔵可能量が小さくなることが分かる。図１８に示す関係に基づいて、ＳＯ_Ｘ吸蔵量を関数にするＮＯ_Ｘ吸蔵可能量のマップを予め作成しておいて電子制御ユニット３０に記憶させる。任意の時刻ｔ_１におけるＳＯ_Ｘ吸蔵量Ｓ_ｔ１を算出することにより、時刻ｔ_１におけるＮＯ_Ｘ吸蔵可能量Ｑ_ｔ１を検出することができる。時刻ｔ_１におけるＮＯ_Ｘ吸蔵可能量Ｑ_ｔ１からＳＯ_Ｘ放出制御を開始したときの初期のＮＯ_Ｘ吸蔵可能量Ｑ_０を減算することにより、時刻ｔ_１におけるＮＯ_Ｘ回復量Ｎ_ｔ１を算出することができる。
または、図１６および図８を参照して、ＮＯ_Ｘ回復量Ｎ_ｔ１は、積算ＳＯ_Ｘ放出量Ｍ_ｔ１に対応する。時刻ｔ_１までの積算ＳＯ_Ｘ放出量Ｍ_ｔ１から、時刻ｔ_１までのＮＯ_Ｘ回復量Ｎ_ｔ１を算出することができる。または、図１５に示すフローチャートのステップ１１５において、Δｔの間のＳＯ_Ｘ放出量からΔｔの間に回復したＮＯ_Ｘ回復量を算出し、このＮＯ_Ｘ回復量を積算することにより時刻ｔ_１までのＮＯ_Ｘ回復量Ｎ_ｔ１を算出しても構わない。
算出された回復可能なＮＯ_Ｘ吸蔵可能量Ｎ_ｅとＮＯ_Ｘ回復量Ｎ_ｔ１とを式（２０）に代入することにより、半径ｒ_１と半径ｒ_２との比を算出することができる。半径ｒ_１と半径ｒ_２との比を式（７）に代入することにより、補正後のＳＯ_Ｘ放出速度Ｒ_ｔ１ ^＊を算出することができる。
次に、本実施の形態における第２の放出モデルについて説明する。本実施の形態における第２の放出モデルにおいては、実施の形態２の第２の放出モデルと同様に、触媒金属４６を中心に球を画定する。球の体積をＳＯ_Ｘ放出量に対応させる。更に、ＳＯ_Ｘ放出量をＮＯ_Ｘ回復量に置き換えて、半径ｒ_１および半径ｒ_２の比を算出する。
本実施の形態における第２の放出モデルの場合には、次式により半径ｒ_１と半径ｒ_２との比を求めることができる。
ｒ_２／ｒ_１＝（Ｎ_ｔ１／Ｎ_ｅ）^１／３ …（２１）
式（２１）にて算出された値を式（７）に代入することにより、補正後のＳＯ_Ｘ放出速度Ｒ_ｔ１ ^＊を算出することができる。
本実施の形態においては、精度良くＳＯ_Ｘ放出速度を算出することができる。補正後のＳＯ_Ｘ放出速度の式を用いてＳＯ_Ｘ放出量を算出することにより、より正確なＳＯ_Ｘ放出量を算出することができる。または、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒に吸蔵されているＳＯ_Ｘ吸蔵量を精度良く算出することができる。
また、本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＳＯ_Ｘ量を、ＮＯ_Ｘ量に置き換えて管理および制御することができる。
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１または２と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、請求の範囲に含まれる変更が意図されている。

Claims (5)

1. 機関排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時には排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘを吸蔵し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯ_Ｘを放出するＮＯ_Ｘ触媒装置を配置し、ＮＯ_Ｘ触媒装置に吸蔵されたＳＯ_Ｘ量が予め定められた許容量を超えたときに、ＮＯ_Ｘ触媒装置の温度をＳＯ_Ｘ放出可能な温度まで上昇させた後に、ＮＯ_Ｘ触媒装置に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにするＳＯ_Ｘ放出制御により吸蔵されたＳＯ_Ｘを放出させる内燃機関の排気浄化装置であって、
   ＮＯ_Ｘ触媒装置は、ＳＯ_Ｘ放出制御を行っているときのＮＯ_Ｘ触媒装置の温度に依存して、ＳＯ_Ｘ放出制御を行っても最終的に残留する残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量を有し、
   今回のＳＯ_Ｘ放出制御において、各時刻のＳＯ_Ｘ吸蔵量と今回のＳＯ_Ｘ放出制御の残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量との差に基づいて、各時刻のＳＯ_Ｘ放出速度を算出することを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
2. ＳＯ_Ｘ放出制御の各時刻において算出したＳＯ_Ｘ放出速度に基づき、ＳＯ_Ｘ放出制御を開始してから現時刻までに放出された積算ＳＯ_Ｘ放出量を算出し、
   ＳＯ_Ｘ放出制御を開始したときのＳＯ_Ｘ吸蔵量から前記残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量を減算した放出可能なＳＯ_Ｘ量が第１の半径の円の面積に対応するとしたときに、前記積算ＳＯ_Ｘ放出量に対応する面積の円の半径が第２の半径として算出され、算出された現時刻のＳＯ_Ｘ放出速度を第１の半径と第２の半径との比に基づいて補正することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. ＮＯ_Ｘ触媒装置は、前記残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量が残留したときにＮＯ_Ｘを吸蔵できる最終的なＮＯ_Ｘ吸蔵可能量を有し、
   ＳＯ_Ｘ放出制御の各時刻において算出したＳＯ_Ｘ放出速度に基づき、ＳＯ_Ｘ放出制御を開始してから現時刻までに回復したＮＯ_Ｘ回復量を算出し、
   前記最終的なＮＯ_Ｘ吸蔵可能量からＳＯ_Ｘ放出制御を開始したときのＮＯ_Ｘ吸蔵可能量を減算した回復可能なＮＯ_Ｘ吸蔵可能量が第１の半径の円の面積に対応するとしたときに、前記ＮＯ_Ｘ回復量に対応する面積の円の半径が第２の半径として算出され、算出された現時刻のＳＯ_Ｘ放出速度を第１の半径と第２の半径との比に基づいて補正することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. ＳＯ_Ｘ放出制御の各時刻において算出したＳＯ_Ｘ放出速度に基づき、ＳＯ_Ｘ放出制御を開始してから現時刻までに放出された積算ＳＯ_Ｘ放出量を算出し、
   ＳＯ_Ｘ放出制御を開始したときのＳＯ_Ｘ吸蔵量から前記残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量を減算した放出可能なＳＯ_Ｘ量が第１の半径の球の体積に対応するとしたときに、前記積算ＳＯ_Ｘ放出量に対応する体積の球の半径が第２の半径として算出され、算出された現時刻のＳＯ_Ｘ放出速度を第１の半径と第２の半径との比に基づいて補正することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. ＮＯ_Ｘ触媒装置は、前記残留ＳＯ_Ｘ吸蔵量が残留したときにＮＯ_Ｘを吸蔵できる最終的なＮＯ_Ｘ吸蔵可能量を有し、
   ＳＯ_Ｘ放出制御の各時刻において算出したＳＯ_Ｘ放出速度に基づき、ＳＯ_Ｘ放出制御を開始してから現時刻までに回復したＮＯ_Ｘ回復量を算出し、
   前記最終的なＮＯ_Ｘ吸蔵可能量からＳＯ_Ｘ放出制御を開始したときのＮＯ_Ｘ吸蔵可能量を減算した回復可能なＮＯ_Ｘ吸蔵可能量が第１の半径の球の体積に対応するとしたときに、前記ＮＯ_Ｘ回復量に対応する体積の球の半径が第２の半径として算出され、算出された現時刻のＳＯ_Ｘ放出速度を第１の半径と第２の半径との比に基づいて補正することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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