JP5776619B2

JP5776619B2 - 排気浄化装置

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Publication number: JP5776619B2
Application number: JP2012093163A
Authority: JP
Inventors: 野崎　雄介; 雄介野崎; 嘉人野木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-04-16
Filing date: 2012-04-16
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2032-04-16
Also published as: JP2013221442A

Description

本発明は、内燃機関（以下、エンジンともいう）の排気浄化装置に関し、特に排気浄化触媒の浄化性能を回復させるための回復制御を行うようにしたものに係る。

従来より、例えば自動車等に搭載されるディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという場合もある）の排気浄化装置として、酸素濃度の高い排気中においても窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化可能なリーンＮＯｘ触媒と、排気中の粒子状物質（Particulate Matter：ＰＭ）を捕集するＰＭフィルタと、を備えたものが知られている（例えば下記の特許文献１を参照）。

リーンＮＯｘ触媒の中でもＮＯｘ吸蔵還元型の触媒（NOx Storage Reduction：ＮＳＲ触媒）は、排気中の酸素濃度が高い状態、言い換えると排気の空燃比（Ａ／Ｆ）がリーンの状態でＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ吸蔵材を有している。そして、酸素濃度の低下、即ち空燃比のリッチ化に伴ってＮＯｘ吸蔵材から放出されるＮＯｘを、排気中の水素（Ｈ₂）や一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）等の還元剤成分と反応させて、無害化する。

このようなＮＳＲ触媒では、ＮＯｘ吸蔵量の増大に連れて排気中のＮＯｘを吸蔵する能力が低下するので、吸蔵量が所定の閾値に達すれば意図的に排気の空燃比をリッチ側へ切り替えて、吸蔵されているＮＯｘを放出させかつ還元するためのＮＯｘ還元制御が行われる。具体的には、排気系に燃料添加弁を設けて燃料を供給したり、燃焼室内への主燃料噴射の後に少量の燃料を噴射（ポスト噴射）することで、排気の空燃比をリッチ化させてＮＳＲ触媒を還元雰囲気にすることができる。

また、一般にディーゼルエンジンにおいてはその燃焼に伴い、燃料（軽油）や潤滑油に含まれる硫黄成分の酸化物（ＳＯｘ）も生成される。このＳＯｘは硫酸塩などの化学的に安定な物質としてＮＯｘ吸蔵材に蓄積されるので、その蓄積量の増大に連れて徐々にＮＯｘ吸蔵能力が低下することになる（いわゆる硫黄被毒と呼ばれるもので、以下、Ｓ被毒ともいう）。

そこで、ＮＯｘ吸蔵材のＳＯｘ蓄積量が所定の閾値に達すれば意図的に排気の空燃比をリッチ化させて、蓄積されているＳＯｘを放出させることにより、ＮＯｘ吸蔵能力を回復させる制御（以下、Ｓ被毒回復制御ともいう）が行われる。これは、まず空燃比のリーンな状態で前記排気系への燃料の供給やポスト噴射によって触媒床温を効果的に上昇させた上で、空燃比をリッチ化させてＮＳＲ触媒を還元雰囲気にすることで、ＮＯｘ吸蔵材からＳＯｘを放出させて還元浄化するものである。

一方、前記のＰＭフィルタとしては、通過する排気の流れから効率よくＰＭを漉し取る（捕集する）ために種々の構造が提案されており、例えばＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）やＤＰＮＲ（Diesel Particulate-NOx Reduction）として知られている。こうしてＰＭを捕集するフィルタでは、ＰＭの捕集量が多くなるに連れてフィルタの通気抵抗が大きくなり、やがては目詰まりを生じることになる。

そこで、フィルタにおけるＰＭの捕集量が所定の閾値に達すれば、前記のＮＯｘ還元制御やＳ被毒回復制御と同様に排気系への燃料供給やポスト噴射などを行い、こうして排気中に供給された燃料の燃焼によってフィルタ温度を所定以上に高めることで、捕集されているＰＭを酸化（燃焼）させて除去するフィルタ再生制御が行われる。

特開２００８−４５４６１号公報

ところで、前記のように排気中に含まれているＰＭが、ＰＭフィルタだけでなくＮＳＲ触媒のセルに付着、堆積して目詰まりを起こさせることがある。特に、前記したＮＯｘ還元制御やＳ被毒回復制御を行うと、リッチな排気中に存在する炭化水素（ＨＣ）が触媒担体の前端面（排気の上流側の端面）に付着し、ＰＭの堆積を助長するバインダとして機能することになる。

そうして付着、堆積したＰＭによってＮＳＲ触媒が目詰まりすると、排気圧力損失の増大によってエンジンの出力および燃費が悪化するとともに、堆積したＰＭが急激に燃焼した場合には触媒床温が過度に上昇するおそれがある、という信頼性の問題も生じる。

この点について前記特許文献１には、ＰＭによる目詰まりを判定すれば、ＮＳＲ触媒の温度を上昇させてＨＣの気化を促すとともに、電動の過給機を動作させて排気の流量を強制的に増量し、触媒担体の前端面に堆積しているＰＭを吹き飛ばす、という技術が開示されている。

しかしながら、そのようにＰＭを吹き飛ばすためには、排気の流量を自由に増量できる電動の過給機が必要であり、触媒担体の前端面からＰＭを吹き飛ばすと、このＰＭがセルの通路下流側の壁面に再付着することも考えられるから、前記したようにバインダとなるＨＣの濃度が高い排気中において、ＰＭを吹き飛ばすという手法は必ずしも効率的とは言い難い。

本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので、その目的は、ＮＳＲ触媒のような排気浄化触媒の性能を回復させるための制御を行うようにした排気浄化装置において、ＰＭによる目詰まりを効率良く解消し、排気圧力損失の増大や信頼性の低下を防止することにある。

前記目的を達成するために本発明では、排気浄化触媒の回復制御の際に空燃比のリーン化とポスト噴射とによって、触媒床温が上昇することに着目し、そのポスト噴射による燃料の少なくとも一部を気筒内で燃焼させることで、触媒に流入する排気の温度を所定以上に高くし、前端面に堆積したＰＭを酸化させて除去するようにした。

−解決手段−
具体的に本発明は、気筒内に臨んで燃料噴射弁が設けられている内燃機関の排気浄化装置を対象として、その内燃機関の排気系に配設された排気浄化触媒と、この排気浄化触媒の浄化性能を回復させるために、少なくとも前記燃料噴射弁を制御して空燃比をリッチ側、リーン側に切り替える回復制御を行う制御手段とを備えている。そして、前記回復制御において空燃比をリーン側に切り替えた際は、気筒の膨張行程後半のポスト噴射によって前記排気浄化触媒に未燃状態の燃料を供給するものとし、前記制御手段は、前記排気浄化触媒におけるＰＭの堆積量が所定量以上になったと判定すれば、前記ポスト噴射を燃料の少なくとも一部が気筒内で燃焼するように進角させて、前記排気浄化触媒に流入する排気の温度を上昇させる構成とした。

かかる構成の排気浄化装置では、排気浄化触媒の浄化性能の回復制御において空燃比をリーン側に切り替えた際に、排気浄化触媒におけるＰＭの堆積量が所定量以上になっていれば、通常は気筒の膨張行程の後半で行われるポスト噴射を進角させて、燃料の少なくとも一部を気筒内で燃焼させる。こうすると、排気浄化触媒に流入する排気の温度が所定以上に（例えば６００℃以上に）高くなり、前端面に付着しているＰＭが酸化されて除去される。

すなわち、回復制御の際に排気浄化触媒が昇温することを利用して、空燃比をリーン側に切り替えた際のポスト噴射のタイミングを少し変えるだけで、触媒前端面のＰＭを除去することができるので、排気浄化触媒のＰＭによる目詰まりを効率良く解消し、排気圧力損失の増大や信頼性の低下を防止することができる。しかも、ＰＭの酸化熱によって触媒の上流側の部分を効率良く昇温させることができ、この部分の浄化性能の回復に有利になる。

更に、そのように空燃比をリーン側に切り替えた際に効率良くＰＭを除去できることから、空燃比をリッチ側に切り替えた際にＰＭの生成が助長されることを従来以上に許容できるようになる。よって、ＰＭの生成量が多くなることを懸念して従来は回復制御を実行できなかった運転領域においても、排気浄化触媒の回復制御を実行可能になる。

また、そうして回復制御の際にポスト噴射を進角させて、燃料の少なくとも一部が気筒内で燃焼するようにした場合、これにより機関トルクが増大することになるので、これに対し気筒の圧縮上死点近傍で行うメイン噴射の燃料噴射量を減量することによって、そのトルクの増大を相殺することが可能になる。

更にまた、前記のようにＰＭの生成を従来以上に許容できるのであれば、空燃比は従来以上にリッチ化することも可能になる。そこで、回復制御として例えばＳ被毒回復制御（排気浄化触媒に蓄積された硫黄成分を放出させるための制御）を行うのであれば、空燃比をリッチ側に制御する際は理論空燃比よりもリッチにすることが好ましい。こうすれば、燃焼に伴い生成されるＨ ₂ 、ＣＯ、ＨＣなど還元剤成分が多くなり、ＳＯｘの放出を効果的に促進できる。

ここで、前記のように排気浄化触媒におけるＰＭの堆積量が所定量以上になったことは、当該排気浄化触媒よりも排気の上流側の圧力によって判定することができる。すなわち、一例として触媒上流側の排気通路に排気圧センサを配設し、その出力信号から触媒の目詰まりを正確に判定することができる。なお、ＰＭの堆積量が所定量以上になったことは内燃機関の運転履歴等から判定するようにしてもよいし、前記排気圧センサの出力信号および内燃機関の運転履歴等を併用して判定するようにしてもよい。

ところで、例えば前記Ｓ被毒回復制御のような回復制御において空燃比をリッチ化すると、ＰＭの生成が助長されることになるので、排気浄化触媒よりも排気の下流側にＰＭフィルタが配設されている場合は、このＰＭフィルタのＰＭ捕集量の増大が早まり、通気抵抗の増大することが懸念される。

この点、Ｓ被毒回復制御では、空燃比をリーン側に切り替えた際にポスト噴射によって排気系に供給された未燃燃料が燃焼することで、触媒床温だけでなくＰＭフィルタの温度も上昇するので、上述したフィルタ再生制御と同様にＰＭフィルタのＰＭが酸化されて除去される可能性がある。

そこで、前記ＰＭフィルタにおけるＰＭの捕集量が所定量以上になっていれば、前記回復制御におけるポスト噴射の進角を行わないようにしてもよい。すなわち、例えば排気浄化触媒におけるＰＭの堆積量が所定の判定値以上になったとき、ＰＭフィルタのＰＭ捕集量が所定量未満であればポスト噴射を進角させる一方、所定量以上であればポスト噴射の進角は行わないようにする。

また、例えば排気浄化触媒におけるＰＭの堆積量が所定の上限値に達してしまい、その前端面の目詰まりする可能性が高くなれば、ＰＭフィルタのＰＭ捕集量は考慮せず、前記回復制御におけるポスト噴射の進角を行うようにしてもよい。なお、ＰＭフィルタのＰＭ捕集量については、公知の如くＰＭフィルタの上流側および下流側の差圧に基づいて判定すればよい。

更に、そうしてＰＭフィルタのＰＭ捕集量を考慮するのであれば、前記回復制御において空燃比のリッチ側への切り替えを、ＰＭフィルタのＰＭ捕集量が所定量未満になるまで行わないようにしてもよい。こうすれば、回復制御において空燃比がリーンとされ、通常のポスト噴射が行われる状態が継続し、排気系が効果的に昇温される結果として、ＰＭフィルタからのＰＭの除去が図られる。

このことから、前記排気浄化触媒におけるＰＭの堆積量にかかわらず、すなわち、ＰＭの堆積量が所定量未満であって前記の回復制御におけるポスト噴射の進角を行わない場合についても、ＰＭフィルタにおけるＰＭの捕集量が所定量以上であれば、回復制御における空燃比のリッチ側への切り替えを行わないようにしてもよい。

本発明に係る排気浄化装置によると、排気浄化触媒の浄化性能を回復させるための回復制御において、当該触媒の床温度を上昇させるべく空燃比をリーンにしてポスト噴射を行う場合に、その触媒におけるＰＭの堆積量が多くなればポスト噴射を進角させて、触媒に流入する排気の温度を上昇させることにより、触媒前端面に堆積したＰＭを効率良く酸化除去することができる。よって、排気浄化触媒の目詰まりを効率良く解消し、排気圧力損失の増大や信頼性の低下を防止することができる。

実施形態に係るディーゼルエンジンおよびその制御系統の概略構成を示す図である。ＥＣＵ等の制御系の構成を示すブロック図である。インジェクタの燃料噴射制御を説明する図であって、図３(a)は一例としてＳ被毒回復制御のリーン期間での燃料噴射の態様を、また、図３(b)はその際の熱発生率をそれぞれ示す。Ｓ被毒回復制御の基本動作を説明する図であって、排気空燃比、触媒床温、ＮＳＲ触媒からのＳＯｘ放出率、ＮＳＲ触媒のＳＯｘ残量のそれぞれの変化の一例を示すタイミングチャート図である。Ｓ被毒回復制御の基本動作の手順を示すフローチャート図である。Ｓ被毒回復制御の際に実行される前端面回復処理の動作手順を示すフローチャート図である。触媒前圧力から触媒前端面ＰＭ堆積量を求めるためのＰＭ堆積量マップを示す図である。Ｓ被毒回復制御の実行時に前端面回復処理を行った場合のＡ／Ｆ制御、排気空燃比、触媒前圧力のそれぞれの変化を、前端面回復処理を行わない場合と対比して示すタイミングチャート図である。前端面回復処理の変形例（変形例１）に係る図６相当図である。触媒前端面ＰＭ堆積量の推定動作の変形例（変形例２）におけるアクセル開度およびＡ／Ｆセンサ出力の変化を示す図である。Ａ／Ｆセンサ応答時間から触媒前端面ＰＭ堆積量を求めるためのＰＭ堆積量マップを示す図である。Ｓ被毒回復制御の際に定期的に前端面回復処理を行うようにした他の実施形態に係る図６相当図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車に搭載されたコモンレール式筒内直噴型多気筒（例えば直列４気筒）ディーゼルエンジン（内燃機関）に本発明を適用した場合について説明する。

−エンジンの構成−
まず、本実施形態に係るディーゼルエンジンの概略構成を、図１を参照して説明すると、このディーゼルエンジン１（以下、単にエンジン１ともいう）においては各気筒１ａ内の燃焼室にそれぞれ噴孔を臨ませてインジェクタ２が配置されている。これら各気筒１ａ毎のインジェクタ２は全ての気筒１ａに共通のコモンレール１１に接続されており、このコモンレール１１を介して上流側のサプライポンプ１０から送られてくる燃料の供給を受ける。

サプライポンプ１０は、燃料タンクから汲み上げられた燃料を加圧した後に燃料通路１０ａを介してコモンレール１１に供給する。コモンレール１１は、サプライポンプ１０から吐出される燃料の変動を緩和して燃圧を所定値に維持（蓄圧）する蓄圧室としての機能を有し、この蓄圧した燃料を各インジェクタ２に分配する。インジェクタ２は、所定電圧が印加されたときに開弁して、気筒１ａ内に燃料を噴射供給する電磁駆動式の開閉弁である。このインジェクタ２の開閉制御、即ち燃料の噴射量および噴射時期の制御は、制御手段としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）１００によって行われる。

エンジン１には吸気通路３および排気通路４が接続されている。吸気通路３には、上流部（吸入空気流れ方向の上流部）から下流側に向けて順に、エアクリーナ９、エアフローメータ３３、ターボチャージャ６のコンプレッサ６３、インタークーラ８、および、スロットルバルブ５が配置されている。スロットルバルブ５はスロットルモータ５１によって開度が調整される。このスロットル開度はスロットル開度センサ４１によって検出される。なお、吸気通路３は、スロットルバルブ５の下流側に配置された吸気マニホールド３ａにおいて各気筒１ａに対応して分岐している。

一方、排気通路４は、エンジン１の各気筒１ａに繋がる排気マニホールド４ａによって、複数の気筒１ａからの排気の流れを１つに集合させる。この排気マニホールド４ａよりも下流側の排気通路４には、排気の空燃比（Ａ／Ｆ）がリーンな（排気中の酸素濃度が高い）状態でもＮＯｘを浄化可能なＮＯｘ吸蔵還元型触媒（NOx Storage Reduction：以下、ＮＳＲ触媒２１という）と、排気中に含まれる粒子状物質（Particulate Matter：ＰＭ）を捕集するＰＭフィルタ（Diesel Particulate Filter：ＤＰＦ）２２とが順に配置されている。

ＮＳＲ触媒２１は一例として、一般的な三元触媒にＮＯｘ吸蔵材としてアルカリ類、アルカリ土類、希土類酸化物を担持したものである。すなわち、コージェライト等の多孔質セラミックス構造体からなる担体には、その長手方向、即ち排気の流れ方向に延びる多数の細長いセル通路を有し、これらセル通路の壁面に前記のようなＮＯｘ吸蔵材の層を形成した上で、白金のような貴金属を担持させてなる。

そして、ＮＳＲ触媒２１は、排気の空燃比（Ａ／Ｆ）がリーンな状態で排気中のＮＯｘをＮＯｘ吸蔵材により吸蔵する一方、排気の空燃比がリッチ化すると、ＮＯｘ吸蔵材から放出されるＮＯｘを排気中の水素（Ｈ₂）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）等の還元剤成分と反応させる。すなわち、ＮＯｘは還元されて無害な窒素Ｎ₂になり、Ｈ₂、ＣＯ、ＨＣは酸化されて無害な水（Ｈ₂Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ₂）になる。本実施形態では、このような排気の空燃比の調整を、後述するようにインジェクタ２の制御（後述するポスト噴射）などによって行う。

一方、ＤＰＦ２２は、前記ＮＳＲ触媒２１と同様の多孔質セラミックス構造体において、多数のセルのうち隣り合うものの前端部と後端部とを交互に目封じした構造である。排気は、ＤＰＦ２２の排気上流側の端部が開放したセルに流入し、隣のセルとの間の多孔質の壁を通過するようになっており、このときに排気中のＰＭが捕集される。また、本実施形態のＤＰＦ２２には白金等の貴金属が担持されており、後述するＤＰＦ再生制御の際には、堆積したＰＭの酸化反応を促進する酸化触媒として機能する。

そして、ＮＳＲ触媒２１の上流側（排気流れの上流側）および下流側の排気通路４にはそれぞれＡ／Ｆセンサ３６ａ，３６ｂが配置されており、排気中の酸素濃度に応じて連続的に変化する信号を出力する。また、ＮＳＲ触媒２１の上流側および下流側の排気通路４にはそれぞれ排気温度センサ３７ａ，３７ｂも配置されており、排気温度に応じて連続的に変化する信号を出力する。これらのＡ／Ｆセンサ３６ａ，３６ｂ、排気温度センサ３７ａ，３７ｂによってＮＳＲ触媒２１やＤＰＦ２２に流入する排気の空燃比や温度を検出することができる。

ＮＳＲ触媒２１の上流側の排気通路４には排気圧センサ３８が配設されており、ＮＳＲ触媒２１の上流側における排気通路４の圧力に応じて連続的に変化する信号を出力する。このＮＳＲ触媒２１の上流側の圧力は、後述するように、ＮＳＲ触媒２１の前端面（排気の流れの上流側の端面）におけるＰＭの堆積量に相関がある。すなわち、ＮＳＲ触媒２１の前端面におけるＰＭ堆積量の増加に伴う通気抵抗の増大によってＮＳＲ触媒２１の上流側の圧力も上昇するため、このＮＳＲ触媒２１の上流側の圧力からＰＭ堆積量を推定することができる。

また、ＤＰＦ２２の上流側圧力と下流側圧力との差圧を検出する差圧センサ３９（差圧トランスデューサ）も設けられており、ＤＰＦ２２の上流側圧力と下流側圧力との圧力差に応じて連続的に変化する信号を出力する。この差圧信号に基づいてＤＰＦ２２におけるＰＭ捕集量を推定することができる。なお、前記Ａ／Ｆセンサ３６ａ，３６ｂや排気温度センサ３７ａ，３７ｂなどの配置は一例に過ぎず、それらはＮＳＲ触媒２１の上流側のみであってもよいし、下流側のみであってもよい。

更に本実施形態のエンジン１にはターボチャージャ６が装備されている。ターボチャージャ６は、排気通路４のタービン６２と吸気通路３のコンプレッサ６３とをロータシャフト６１を介して連結してなり、タービン６２が受ける排気流（排気圧）を利用して、コンプレッサ６３を回転させることにより吸気を過給するものである。なお、ターボチャージャ６によって過給された吸気は、吸気通路３に配設されたインタークーラ８によって冷却される。

また、本実施形態のエンジン１にはＥＧＲ装置７が装備されている。ＥＧＲ装置７は、排気通路４から排気の一部を吸気通路３に還流させて、各気筒１ａの燃焼室へ再循環させるものである。このＥＧＲ装置７は、吸気マニホールド３ａと排気マニホールド４ａとを接続するＥＧＲ通路７１と、吸気側へ還流される排気（以下、ＥＧＲガスともいう）を冷却するためのＥＧＲクーラ７３と、その排気の還流量を調整するＥＧＲバルブ７２と、を備えている。ＥＧＲバルブ７２の開度は、以下に述べるＥＣＵ１００からの制御指令に応じて調整される
−ＥＣＵ−
ＥＣＵ１００は、図２に示すように、ＣＰＵ１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３およびバックアップＲＡＭ１０４などを備えている。ＲＯＭ１０２には、各種制御プログラムや、それら制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。ＣＰＵ１０１は、ＲＯＭ１０２に記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて演算処理を実行する。また、ＲＡＭ１０３はＣＰＵ１０１での演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリであり、バックアップＲＡＭ１０４はエンジン１の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。

これらＣＰＵ１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３、および、バックアップＲＡＭ１０４はバス１０７を介して互いに接続されるとともに、入力インターフェース１０５および出力インターフェース１０６と接続されている。

入力インターフェース１０５には、エンジン１の出力軸であるクランクシャフトの回転数を検出するエンジン回転数センサ３１、エンジン水温（冷却水温）を検出する水温センサ３２、吸気の流量を検出するエアフローメータ３３、吸気マニホールド３ａに配置された吸気温センサ３４、吸気マニホールド３ａに配置された吸気圧センサ３５、前記Ａ／Ｆセンサ３６ａ，３６ｂ、排気温センサ３７ａ，３７ｂ、排気圧センサ３８、差圧センサ３９、コモンレール１１内の高圧燃料の圧力を検出するレール圧センサ４０、スロットル開度センサ４１、アクセル開度センサ４２、および、車速センサ４３などが接続されており、これらの各センサからの信号がＥＣＵ１００に入力される。

一方、出力インターフェース１０６には、インジェクタ２、サプライポンプ１０、スロットルバルブ５のスロットルモータ５１、ＥＧＲバルブ７２のアクチュエータなどが接続されている。そして、ＥＣＵ１００は、前記した各種センサの出力信号に基づいて、エンジン１のスロットルバルブ５の開度制御、インジェクタ２による燃料噴射制御（噴射量・噴射時期の制御）、および、ＥＧＲガス量の制御などを含むエンジン１の各種制御を実行する。

一例としてＥＣＵ１００は、インジェクタ２による燃料噴射制御として、図３に模式的に示すようにパイロット噴射やメイン噴射（主としてエンジン１のトルク生成に寄与する燃料噴射）、およびポスト噴射を実行する。公知のようにパイロット噴射は、メイン噴射に先立って噴射した少量の燃料を燃焼させることにより、引き続いてメイン噴射される燃料の着火遅れを抑制して、安定した拡散燃焼に導くためのものである。

また、メイン噴射は一般的にエンジン１のトルク発生のための噴射動作であり、その噴射量は基本的には、エンジン回転数、アクセル操作量、冷却水温度、吸気温度等の運転状態に応じ、要求トルクが得られるように決定される。例えばエンジン回転数が高いほど、また、アクセル開度が大きいほどエンジン１への要求トルクは高くなり、それに応じてメイン噴射量が多く設定される。

更にポスト噴射は、メイン噴射の後に噴射した燃料が気筒１ａ内で燃焼しないよう、通常は膨張行程の後半で行われる。ポスト噴射は、以下に説明するようにＮＯｘ還元制御、ＤＰＦ再生制御およびＳ被毒回復制御において、エンジン１のトルク変動を招くことなく排気の空燃比（排気Ａ／Ｆ）を調整したり、ＮＳＲ触媒２１やＤＰＦ２２の温度を上昇させたりするのに利用される。

また、ＥＣＵ１００は、エンジン１の運転状態に応じてＥＧＲバルブ７２の開度を制御し、気筒１ａ内に充填される吸気中のＥＧＲガスの割合を調整する。すなわち、ＥＣＵ１００は、予め実験やシミュレーション等によって作成されてＲＯＭに記憶されているＥＧＲマップに基づいて、ＥＧＲバルブ７２の開度を制御する。ＥＧＲマップは、エンジン回転数およびエンジン負荷（燃料噴射量でもよい）をパラメータとして好適なＥＧＲ量（ＥＧＲ率）を決定するためのマップであり、一例としてエンジン回転数およびエンジン負荷の高いときほどＥＧＲバルブ７２の開度を小さくするように設定されている。

なお、以下に説明するようにＳ被毒回復制御において排気の空燃比（排気Ａ／Ｆ）をリッチ、リーンに切り替えるときに、リッチにする場合はスロットルバルブ５の開度を小さくするとともにＥＧＲを行って、吸入空気量を減少させる一方、リーンにする場合はスロットルバルブ５の開度を大きくし、ＥＧＲは行わない。

−排気浄化装置の制御動作−
以下に、本実施形態の排気浄化装置によるＮＯｘ還元制御、Ｓ被毒回復制御およびＤＰＦ再生制御についてそれぞれ説明する。まず周知のＮＯｘ還元制御およびＤＰＦ再生制御について説明した後に、本実施形態の特徴とするＳ被毒回復制御について説明する。

（ＮＯｘ還元制御）
一般的にディーゼルエンジン１においては、大部分の運転領域で排気の空燃比はリーン空燃比となり、通常の運転状態ではＮＳＲ触媒２１の周囲雰囲気は酸素濃度の高い状態になって、排気中のＮＯｘがＮＳＲ触媒２１に吸蔵される。そして、ＮＳＲ触媒２１の周囲雰囲気が低酸素濃度となる状況は非常に少ないため、ＮＯｘの吸蔵量は徐々に増大し、これに連れてＮＳＲ触媒２１のＮＯｘ吸蔵能力が低下してゆく。

そこで、エンジン運転状態などに基づいて推定されるＮＯｘ吸蔵量が所定の閾値（（ＮＳＲ触媒２１のＮＯｘ吸蔵能力が飽和する前の適値））に達した場合に、インジェクタ２からのポスト噴射によって排気中に燃料を供給することにより、その空燃比（Ａ／Ｆ）を一時的にリッチ化させて、還元剤成分（ＨＣ等）の量を増大させる。これにより、ＮＳＲ触媒２１の周囲が還元雰囲気になって吸蔵されているＮＯｘが放出され、還元浄化されることで、ＮＳＲ触媒２１のＮＯｘ吸蔵能が回復する。

なお、前記ＮＯｘ吸蔵量の推定手法としては、エンジン回転数とインジェクタ２からの燃料噴射量とに応じたＮＯｘ吸蔵量を予め実験等により求めてマップ化しておき、このマップにより求められるＮＯｘ吸蔵量を積算するという方法が挙げられる。

（ＤＰＦ再生制御）
一般的にディーゼルエンジン１においては、排気中に含まれるＰＭをＤＰＦ２２によって捕集するが、こうして捕集されたＰＭはセルの壁面に堆積して排気の流れの妨げとなり、徐々に通気抵抗が大きくなってゆく。これに伴ってＤＰＦ２２の上流側の排気圧力と下流側の排気圧力との差圧が大きくなるので、差圧からＤＰＦ２２のＰＭ捕集量を推定することができる。

そこで、ＥＣＵ１００は、差圧センサ３９の出力信号（差圧）に基づいてマップを参照し、ＤＰＦ２２におけるＰＭの捕集量を推定する。なお、このＰＭ捕集量の推定に用いるマップは、ＤＰＦ２２前後の差圧とＰＭ捕集量との相関関係を考慮して、実験・計算等によって適合した値をマップ化したものであって、ＥＣＵ１００のＲＯＭ１０２内に記憶されている。

ＥＣＵ１００は、推定したＰＭの捕集量が所定の閾値に達すれば、インジェクタ２からのポスト噴射によって排気中に燃料を供給することにより、ＤＰＦ２２に堆積したＰＭを燃焼除去するＤＰＦ再生制御を実行する。すなわち、ポスト噴射された燃料は排気とともにＮＳＲ触媒２１に達して酸化され、この酸化反応に伴う発熱で排気温度が上昇し、ＤＰＦ２２の温度が上昇する。

ＤＰＦ２２の温度がＰＭの燃焼するような温度（例えば６００°以上）まで昇温すれば、ＤＰＦ２２に堆積したＰＭが燃焼を始め、この燃焼に伴う発熱でＤＰＦ２２の温度は更に上昇する。このような状態を所定の時間、維持することができれば堆積したＰＭは除去され、ＤＰＦ２２のＰＭ捕集能力が回復する。

（Ｓ被毒回復制御）
次に、本実施形態の特徴とするＳ被毒回復制御について説明する。前記したＮＯｘ還元制御ではＮＳＲ触媒２１に流入する排気の空燃比を瞬間的にリッチ化することで、吸蔵されているＮＯｘを放出させることはできるが、ＮＳＲ触媒２１では、ＮＯｘを吸蔵するのと同様のメカニズムで硫黄成分（ＳＯｘ）の吸着が生じている。一旦、吸着されたＳＯｘはＮＯｘよりも離脱し難いので、前記のＮＯｘ還元制御が行われてもＳＯｘは離脱せずに、次第にＮＳＲ触媒２１内に蓄積されていく。

より詳しくは、Ｓ被毒のメカニズムはおよそ以下のとおりである。まず、エンジン１の気筒１ａ内で燃料や潤滑油が燃焼すると、二酸化硫黄（ＳＯ₂）や三酸化硫黄（ＳＯ₃）などのＳＯｘが生成される。そして、ＮＳＲ触媒２１に流入する排気の酸素濃度が高いときには、流入排気中のＳＯ₂やＳＯ₃等のＳＯｘが白金（Ｐｔ）の表面上で酸化され、例えば硫酸イオン）の形態でＮＳＲ触媒２１に吸着される。

こうしてＮＳＲ触媒２１に吸着された硫酸イオンは、酸化バリウム（ＢａＯ）と結合して硫酸塩（ＢａＳＯ₄）を形成するが、これは硝酸バリウム（Ｂａ（ＮＯ₃）²）に比して安定していて分解され難い。このため、前記ＮＯｘ還元制御などによってＮＳＲ触媒２１に流入する排気の酸素濃度が低くなっても、硫酸塩は分解されずにＮＳＲ触媒２１内に残留し、時間とともに蓄積されてゆく。

そうしてＮＳＲ触媒２１における硫酸塩（ＢａＳＯ₄）の蓄積量が増加するほど、ＮＯｘの吸蔵に関与することができる酸化バリウム（ＢａＯ）の量が減少することになるので、ＮＳＲ触媒２１のＮＯｘ吸蔵能力が低下して、ＮＯｘ浄化率を低下させる原因となる（Ｓ被毒）。なお、ＮＳＲ触媒２１内におけるＳＯｘの蓄積量の計測は、前回のＳ被毒回復制御の終了時点からのインジェクタ２の総燃料噴射量と燃料中における硫黄濃度とに基づいて行われる。

前記のようなＳ被毒を解消する方法として、ＮＳＲ触媒２１の雰囲気温度をおよそ６００〜７００℃の高温域まで昇温させるとともに、ＮＳＲ触媒２１に流入する排気の酸素濃度を低くする（排気空燃比をリッチにする）ことにより、ＮＳＲ触媒２１に吸着されている硫酸バリウム（ＢａＳＯ₄）を熱分解して、排気中の水素（Ｈ₂）や一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）と反応させ、気体状のＳＯ₂に還元する方法が挙げられる。

本実施形態では、上述したポスト噴射とスロットルバルブ５およびＥＧＲバルブ７２の開度の制御とによって、排気の空燃比をリッチ、リーンに切り替えるとともに、そのリーン状態でポスト噴射を行うことで、Ｓ被毒の解消を図るようにしている。具体的には、ポスト噴射した燃料をＮＳＲ触媒２１において酸化させ、発生する熱によってＮＳＲ触媒２１の床温を上昇させた後に、空燃比をリッチ化させてＮＳＲ触媒２１に還元剤成分を供給する。

以下、前記した図３の他に図４も参照して、Ｓ被毒回復制御の基本動作について詳細に説明する。ここでは理解の容易のために、ＮＳＲ触媒２１の前端面におけるＰＭ堆積量が少なくて、目詰まりの心配がない場合に行われる基本動作について説明する。なお、ＮＳＲ触媒２１の前端面の目詰まりが懸念されるときに、堆積しているＰＭを除去するために実施する動作（前端面回復処理）については後述する。

図４は、Ｓ被毒回復制御実行時における排気空燃比、触媒床温、ＮＳＲ触媒２１からのＳＯｘ放出率（クランクシャフトの単位回転角度当たりのＳＯｘ放出量）、ＮＳＲ触媒２１のＳＯｘ残量それぞれの変化の一例を示すタイミングチャート図である。

Ｓ被毒回復制御では、排気空燃比をリーンに設定するリーン期間（排気空燃比をリーンに制御する期間）と、排気空燃比をリッチに設定するリッチ期間（排気空燃比をリッチに制御する期間）とが交互に表れ、そのリーン期間においてＮＳＲ触媒２１の床温を、ＳＯｘの離脱が可能になる温度（硫酸バリウム（ＢａＳＯ₄）を熱分解できる温度）まで上昇させる。一方、リッチ期間では、排気空燃比をリッチにすることで、ＮＳＲ触媒２１からＳＯｘを離脱させ、排気中の水素（Ｈ₂）や一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）と反応させて還元浄化する。

一例として、前記リーン期間からリッチ期間への切り替えタイミングは、ＮＳＲ触媒２１の床温が、ＳＯｘを離脱させるのに十分な温度（例えば６８０℃）に達した時点としている。一方、リッチ期間からリーン期間への切り替えタイミングは、ＮＳＲ触媒２１の床温が所定温度（例えば６３０℃）まで低下した時点としている。このようにリーン期間とリッチ期間とが切り替えられて、交互に繰り返されることにより、ＮＳＲ触媒２１からＳＯｘが離脱されていく。

より具体的には前記図３も参照すると、Ｓ被毒量（ＳＯｘの蓄積量）が所定値に達してＳ被毒回復制御が開始された場合、まず、空燃比のリーン期間において図３(a)に実線で示すように、メイン噴射の実行後、気筒１ａの膨張行程の後半（例えばＡＴＤＣ１００°ＣＡ）でポスト噴射が実行され、触媒床温が上昇する。すなわち、通常のポスト噴射では燃料が気筒１ａ内で燃焼せずに（図３(b)の実線の波形のように熱発生しない）排気通路４に流れ、ＮＳＲ触媒２１を通過しながら酸化されることで、触媒床温を効果的に上昇させる。

こうしてＮＳＲ触媒２１の床温度が上昇して所定温度（例えば６８０℃）に達すると、リーン期間からリッチ期間に切り替えられる（図４におけるタイミングＴ１）。このリッチ期間では、メイン噴射の噴射量を増量したり、メイン噴射後に燃料の燃焼するようなタイミングで副噴射したりする一方で、スロットルバルブ５の開度は所定開度まで小さくしＥＧＲも実行して、気筒１ａ内に吸入される空気（新気）の量を減少させる。これにより気筒１ａ内の空燃比は理論空燃比よりもリッチ（例えばＡ／Ｆで１４以下）になり、排気の空燃比もリッチになる。

この結果、リッチ期間では、ＮＳＲ触媒２１の床温度が十分に上昇（ＳＯｘの離脱を可能にする温度まで上昇）されている状態で排気空燃比がリッチになるため、ＮＳＲ触媒２１からＳＯｘが離脱されることになる。すなわち、図４のＳＯｘ放出率のグラフに示すようにＮＳＲ触媒２１からＳＯｘが放出され、ＮＳＲ触媒２１におけるＳＯｘ残量は次第に減少していく。同時にリッチ期間においてはＮＳＲ触媒２１の床温度が次第に低下していき、その床温度が所定温度（例えば６３０℃）に達すると、リッチ期間からリーン期間に切り替えられる（タイミングＴ２）。

このようにして、ＮＳＲ触媒２１の床温度が６００〜７００℃の高温域に維持されたまま、その床温度の変化に応じて排気の空燃比がリッチ、リーンに切り替えられることで、ＮＳＲ触媒２１からＳＯｘが次第に放出されていき、このＮＳＲ触媒２１におけるＳＯｘの蓄積量（ＳＯｘ残量）が減少していく。そして、ＳＯｘ蓄積量が所定量未満になると、Ｓ被毒回復制御は終了する。

なお、ＮＳＲ触媒２１からのＳＯｘ放出量の計測は、ＮＳＲ触媒２１の床温度と前記リッチ期間とに基づいて行われる。つまり、ＮＳＲ触媒２１の床温度が高いほど、また、前記リッチ期間が長いほどＳＯｘ放出量は多くなっていくので、これらＮＳＲ触媒２１の床温度とリッチ期間とを計測していくことにより、ＳＯｘ放出量が求められることになる。そして、このＳＯｘ放出量が、Ｓ被毒回復制御開始時におけるＳＯｘ吸着量（インジェクタ２３の総燃料噴射量と燃料中における硫黄濃度とに基づいて計測されたＳＯｘの吸着量）に一致すると、ＮＳＲ触媒２１内のＳＯｘの略全量が放出されたとしてＳ被毒回復制御が終了することになる。

以上が、Ｓ被毒回復制御の基本動作である。

ところで、前記のようにＳ被毒回復制御のリッチ期間では、気筒１ａ内の空燃比が理論空燃比よりもリッチになるので、燃焼に伴い生成されるＰＭの量がかなり多くなる。しかも、リッチな排気中に含まれるＨＣがＮＳＲ触媒２１の前端面に付着してバインダとして機能するため、排気中のＰＭがＮＳＲ触媒２１の前端面に付着、堆積しやすい。

こうして付着、堆積するＰＭが多くなるに連れてＮＳＲ触媒２１の通気抵抗が増大し、排気圧力損失の増大によってエンジン１の出力および燃費が悪化することになる。また、堆積しているＰＭが急激に燃焼すると、ＮＳＲ触媒２１の床温度が過度に上昇するおそれもある。

そこで、本実施形態では、ＮＳＲ触媒２１の前端面に堆積しているＰＭの量（以下、触媒前端面ＰＭ堆積量という）が所定量以上になったことを判定して、前記のようなＳ被毒回復制御のリーン期間におけるポスト噴射のタイミングを、気筒１ａの膨張行程の前半（例えばＡＴＤＣ３０〜６０°くらい）に進角させる。こうすると、ポスト噴射された燃料の少なくとも一部が気筒１ａ内で燃焼するようになり、ＮＳＲ触媒２１へ流入する排気の温度が所定以上に上昇することによって、堆積しているＰＭを酸化し除去することができる（以下、前端面回復処理という）。

−具体的な制御手順−
以下、本実施形態のＳ被毒回復制御の具体的な動作手順について図５および図６のフローチャートに沿って説明する。図５は、前記したＳ被毒回復制御の基本的な手順を示しており、図６は前端面回復処理の手順を示している。これらのフローチャートはエンジン１の始動後、所定期間毎（例えば数ｍｓｅｃ毎、または、クランクシャフトの所定回転角度毎）に実行される。

（Ｓ被毒回復制御の基本動作）
まず、図５のステップＳＴ１において、予めＥＣＵ１００に記憶されているＳ被毒回復制御実行フラグがＯＮとなっているか否かを判定する。このＳ被毒回復制御実行フラグは、Ｓ被毒回復制御の開始に伴ってＯＮされ、このＳ被毒回復制御が終了すると（ＮＳＲ触媒２１内のＳＯｘの略全量が放出されたとしてＳ被毒回復制御が終了すると）ＯＦＦされる。車両の走行開始時や、前回のＳ被毒回復制御が終了した直後である場合には、ＮＳＲ触媒２１における硫黄成分の蓄積量（Ｓ被毒量）が少ないため、Ｓ被毒回復制御は開始されておらず、Ｓ被毒回復制御実行フラグはＯＦＦとなっている。

Ｓ被毒回復制御実行フラグがＯＦＦであり、ステップＳＴ１でＮＯ判定された場合には、ステップＳＴ２に進み、Ｓ被毒量が回復制御開始量以上となっているか否か判定する。この回復制御開始量は、前記Ｓ被毒量がこの回復制御開始量に達した場合にＳ被毒回復制御が必要となる値として、予め実験やシミュレーションなどに基づいて設定されている。車両の走行開始時や、前回のＳ被毒回復制御が終了した直後である場合には、このＳ被毒量が回復制御開始量以上となっていないため、ステップＳＴ２ではＮＯと判定し、そのままリターンする。

そして、エンジン１の運転が継続されるとＮＳＲ触媒２１のＳ被毒量が多くなっていき、回復制御開始量以上となった場合には、ステップＳＴ２でＹＥＳ判定してステップＳＴ３に進む。このステップＳＴ３では、上述したＳ被毒回復制御を開始するとともに、Ｓ被毒回復制御実行フラグをＯＦＦからＯＮに切り替える。そして、ステップＳＴ４に進んで、上述したようにＮＳＲ触媒２１の床温度に応じて空燃比をリッチ、リーンに交互に切り替える排気空燃比切替動作を実行する。

こうしてＳ被毒回復のための排気空燃比の切り替え動作が始まった後、ステップＳＴ５において、ＮＳＲ触媒２１からのＳ排出量（離脱量）が所定量に達したか否かを判定する。この所定量は、Ｓ被毒回復制御を終了させるためのＳ排出量であって、例えば、Ｓ被毒回復制御の開始時におけるＳＯｘ吸着量に相当する値、または、このＳ被毒回復制御の開始時におけるＳＯｘの蓄積量よりも僅かに小さい値に設定されている。なお、このＮＳＲ触媒２１からのＳ排出量は、上述したようにその床温度と排気空燃比とから求められる。

そして、ＮＳＲ触媒２１からのＳ排出量が所定量に達していない場合は、ステップＳＴ５でＮＯと判定しリターンする。この場合、次回のルーチンではステップＳＴ１でＹＥＳ判定され、ステップＳＴ１、ＳＴ４、ＳＴ５の動作が繰り返されて、ＮＳＲ触媒２１からのＳ排出量が所定量に達するまでＳ被毒回復制御が継続されることになる。

その結果、ＮＳＲ触媒２１からのＳ排出量が所定量に達し、ステップＳＴ５でＹＥＳ判定された場合には、ステップＳＴ６に進んでＳ被毒回復制御の終了処理を行う。すなわち、空燃比のリッチ、リーンの切り替えおよびポスト噴射を停止するとともに、Ｓ被毒回復制御実行フラグをＯＦＦにする。これによりＳ被毒回復制御は終了し、ＮＳＲ触媒２１のＮＯｘ吸蔵能力が回復された状態で、通常のエンジン制御に移行する。

（前端面回復処理）
次に、図６のフローチャートに沿って前端面回復処理の具体的な動作手順を説明する。まず、ステップＳＴ１１では、前記のＳ被毒回復制御の実行中か否かを、Ｓ被毒回復制御実行フラグによって判定する。Ｓ被毒回復制御実行フラグがＯＦＦであり、ＮＯと判定された場合には、そのままリターンする。一方、Ｓ被毒回復制御実行フラグがＯＮであり、ＹＥＳと判定された場合はステップＳＴ１２に進んで、触媒前端面ＰＭ堆積量の推定を行う。

この推定は一例として、ＮＳＲ触媒２１の上流側に配設された排気圧センサ３８によって検出されるＮＳＲ触媒２１の上流側の排気圧力（以下、触媒前圧力という）に基づいて行われる。具体的には、エンジン１の運転状態と触媒前圧力と触媒前端面ＰＭ堆積量との関係を予め規定したＰＭ堆積量マップが前記ＥＣＵ１００のＲＯＭに記憶されており、このＰＭ堆積量マップに検出した触媒前圧力を当てはめて、触媒前端面ＰＭ堆積量を推定する。なお、ＰＭが堆積されるＮＳＲ触媒２１の前端面というのは、幾何学的な触媒担体の端面を指すのではなく、端面の近傍の所定範囲を含む意味であることはいうまでもない。

図７は、前記ＰＭ堆積量マップの一例を示している。このＰＭ堆積量マップでは、触媒前圧力が図中のＰＡである場合には、触媒前端面ＰＭ堆積量（質量）は図中のＡとして求められ、触媒前圧力が図中のＰＢである場合には、触媒前端面ＰＭ堆積量は図中のＢとして求められ、触媒前圧力が図中のＰＣである場合には、触媒前端面ＰＭ堆積量は図中のＣとして求められる。このＣは、ＮＳＲ触媒２１の前端面の目詰まりする可能性が高く、速やかにＰＭを除去する必要のある上限値であり、Ｂは、前端面回復処理を開始するか否か判定するために予め設定した開始判定値（判定値）である。

なお、触媒前端面ＰＭ堆積量の推定手法としては、ＮＳＲ触媒２１の前後の差圧（上流側と下流側との差圧）に基づいて推定するようにしてもよい。すなわち、ＮＳＲ触媒２１の上流側と下流側との圧力差を検出する図示しない差圧センサ（差圧トランスデューサ）を設けて、この差圧センサからの出力信号に基づいて触媒前端面ＰＭ堆積量を求めることができる。差圧が大きいほど触媒前端面ＰＭ堆積量は多いと判断される。

前記ステップＳＴ１２で触媒前端面ＰＭ堆積量を推定した後、ステップＳＴ１３に進み、現在の触媒前端面ＰＭ堆積量が所定量以上になったか否か判定する。一例として本実施形態では、触媒前圧力が所定圧（図７において触媒前端面ＰＭ堆積量の開始判定値Ｂに対応する圧力ＰＢ）以上であれば、ＹＥＳと判定してステップＳＴ１４に進み、前端面回復処理を実行する。すなわち、Ｓ被毒回復制御の排気空燃比切替動作（ステップＳＴ４）においてリーン期間のポスト噴射のタイミングを進角させる。

具体的には前記図３(a)に破線で示すようにメイン噴射の実行後、気筒１ａの温度状態が高い膨張行程の前半においてポスト噴射が実行され、噴射された燃料の一部が気筒１ａ内で燃焼するようになる。これにより、図３(b)の破線の波形のようにメイン燃焼に続いて燃焼熱が発生し（進角ポスト燃焼）、その後の排気通路４における燃焼と併せて、ＮＳＲ触媒２１へ流入する排気の温度が所定以上（例えば６００℃以上）に高くなって、触媒前端面に堆積しているＰＭが酸化、除去される。

つまり、ＮＳＲ触媒２１を高温域に維持してＳＯｘを放出させるＳ被毒回復制御において、そのリーン期間のポスト噴射のタイミングを少し変更することにより、触媒前端面に堆積したＰＭを酸化させて除去することができる。

なお、前記のようにポスト噴射された燃料の一部が気筒１ａ内で燃焼し、熱が発生することから、これによるエンジン１のトルクアップを相殺するようにメイン噴射量は減量補正する（図３(a)(b)に破線で示す）。この減量補正量は、エンジン１の運転状態毎にポスト噴射のタイミングおよび噴射量からトルクアップ分を予め実験等により求めて、これを打ち消すようなメイン噴射の減量分を計算して適合したマップを作成しておき、このマップによって求めればよい。

一方、前記ステップＳＴ１３において触媒前圧力が所定圧ＰＢ未満で（ＮＯ）、現在の触媒前端面ＰＭ堆積量が開始判定値Ｂ未満であると判定すれば、前記のポスト噴射の進角は実行しない（ステップＳＴ１５：前端面回復処理を実施しない）。この場合は通常のタイミングでポスト噴射が行われ、排気通路４へ未燃状態で供給される燃料の燃焼によってＮＳＲ触媒２１が昇温される。

続いてステップＳＴ１６に進んで、ＤＰＦ２２におけるＰＭの捕集量が所定量以上になっているか否か判定する。この判定も前記の触媒前圧力と触媒前端面ＰＭ堆積量との関係と同じく、ＤＰＦ２２の前後の差圧とＰＭ捕集量との関係を予め規定したＰＭ捕集量マップがＥＣＵ１００のＲＯＭに記憶されており、差圧センサ３９によって検出されるＤＰＦ２２の前後の差圧を前記のＰＭ捕集量マップに当てはめて、ＤＰＦ２２のＰＭ捕集量が所定量以上か否か判定する。

そして、ＤＰＦ２２の前後の差圧が所定値未満でＮＯ、即ちＰＭ捕集量が所定量未満であると判定すればリターンする（通常のＳ被毒回復制御を行う）一方、前後の差圧が所定値以上でＹＥＳ、即ちＰＭ捕集量が所定量以上になっていると判定すれば、ステップＳＴ１７に進んで、Ｓ被毒回復制御におけるリッチ期間への切り替えを禁止する。これにより、前記したＳ被毒回復制御においてはリーン期間が継続することとなって、ポスト噴射によりＮＳＲ触媒２１およびＤＰＦ２２が昇温される結果、このＤＰＦ２２に堆積したＰＭは徐々に減少するようになる。

図８は、Ｓ被毒回復制御の際に必要に応じて前端面回復処理を行った場合のＡ／Ｆ制御（空燃比リッチ、リーンの切り替え）および排気空燃比の変化と、触媒前圧力、即ち触媒前端面ＰＭ堆積量の変化とを、前端面回復処理を行わない場合と対比して示したタイミングチャート図である。

まず、Ｓ被毒回復制御のリーン期間においては、空燃比がリーンになるようスロットルバルブ５が比較的大きく開かれ、ＥＧＲバルブ７２は閉じられるので、気筒１ａ内に吸入される空気（新気）量が多くなり、要求トルクに応じて燃料噴射量を決定しても排気の空燃比はリーンになる（図の例ではＡ／Ｆ＝２０〜２５の間で変化している）。

また、リーン期間においては気筒１ａの膨張行程の後半でポスト噴射が行われ、排気系での未燃燃料の燃焼によってＮＳＲ触媒２１が全体としては効果的に昇温されるものの、その前端面の温度はあまり高くはならない。このため、ＮＳＲ触媒２１の前端面に堆積しているＰＭは除去されず、触媒前端面ＰＭ堆積量に対応する触媒前圧力は、図示のように殆ど変化しない。

一方、リッチ期間においては、理論空燃比よりもリッチな目標空燃比が設定され（図に破線で示す）、スロットル開度が相対的に小さくされるとともにＥＧＲも行われるので、燃焼に伴うＰＭの生成量がかなり多くなり、リッチな排気中のＨＣがバインダとして機能することも相俟って、触媒前端面ＰＭ堆積量が増大する。

よって、Ｓ被毒回復制御の際に前端面回復処理を行わないと、排気空燃比切替動作のリッチ期間において増大した触媒前端面ＰＭ堆積量がリーン期間において減少しないため、時間の経過に連れてＰＭの堆積量は増大し、やがては上限値Ｃを超えてしまう（図に仮想線で示すように触媒前圧力がＰＣを越えてしまう）。

これに対し本実施形態では、リッチ期間において増大する触媒前端面ＰＭ堆積量が開始判定値Ｂに達して（図ではタイミングＴ１）、触媒前圧力が所定圧ＰＢ以上になると、前端面回復処理の実行フラグがＯＮになる。このため、その後のリーン期間において前端面回復処理が開始され、ポスト噴射の進角によってＮＳＲ触媒２１へ流入する排気の温度が所定以上に高くなり、ＮＳＲ２１の前端面に堆積しているＰＭが酸化されて除去される。

これにより触媒前端面ＰＭ堆積量は急速に減少し、これが終了判定値未満になると（タイミングＴ２）前端面回復処理は終了して（前端面回復処理の実行フラグがＯＦＦ）、その後は再びリッチ期間およびリーン期間の繰り返しによって徐々に触媒前端面ＰＭ堆積量が増大するようになる。なお、触媒前端面ＰＭ堆積量の終了判定値としては、一例として図７のＡとすればよく、この場合は触媒前圧力が図中のＰＡにまで低下すれば、前端面回復処理が終了する。

したがって、本実施形態の排気浄化装置によると、ＮＳＲ触媒２１を高温域に維持してＳＯｘを放出させるＳ被毒回復制御の際に、触媒前端面のＰＭ堆積量が多くなれば、触媒床温を上昇させる空燃比リーン期間のポスト噴射を進角させることにより、ＮＳＲ触媒２１に流入する排気の温度を上昇させて、その前端面に堆積したＰＭを酸化させて除去することができる。よって、ＮＳＲ触媒２１の目詰まりを効率良く解消し、エンジン１の排気圧力損失の増大や信頼性の低下を防止することができる。

しかも、前記のようにリーン期間のポスト噴射を進角させて、ＮＳＲ触媒２１の前端面に堆積しているＰＭを酸化させると、その反応熱によってＮＳＲ触媒２１の排気上流側の部分の温度が上昇し、この部分からのＳＯｘの放出が効果的に行えるようになる。つまり、Ｓ被毒回復制御の際にＮＳＲ触媒２１の前端面回復処理を行うことで、従来までは困難であった触媒上流側の部分におけるＳ被毒からの回復が狙い通り行える、という相乗的な効果が得られる。

すなわち、従来までＳ被毒回復制御においては、リーン期間のポスト噴射によってＮＳＲ触媒２１の床温度を全体としては効果的に上昇させることができるものの、仔細に見れば未燃燃料を含んだ排気が触媒担体のセル通路を流れながら酸化される結果として、その下流側の部分では狙い通り温度が上昇する一方、上流側の部分では温度が上昇し難い傾向があった。この結果、ＮＳＲ触媒２１の排気上流側の部分からは蓄積されたＳＯｘを十分に放出できていないのが実情であった。

この点について本実施形態のようにリーン期間で前端面回復処理を行い、ＮＳＲ触媒２１の前端面に堆積したＰＭを酸化させると、その反応熱によってＮＳＲ触媒２１の上流側の部分を効果的に昇温させることができ、この部分からのＳＯｘの放出（Ｓ被毒からの回復）が十分に行えるのである。

更に、そうしてリーン期間での前端面回復処理によって堆積したＰＭを除去できることから、本実施形態では、リッチ期間においてＮＳＲ触媒２１へのＰＭの堆積が助長されるおそれがあっても、Ｓ被毒回復制御をより高頻度で、言い換えるとより広いエンジン１の運転領域において実行することができる。また、リッチ期間においては空燃比を理論空燃比よりもリッチにして、排気中のＨ₂、ＣＯ、ＨＣなど還元剤成分を十分に増量することができ、このこともＳＯｘの放出促進に有利に働く。

（変形例１）
次に、変形例１について説明する。この変形例１は前端面回復処理の変形例であって、その他の構成及び動作は上述した実施形態のものと同じなので、ここでは前端面回復処理についてのみ説明する。

この変形例１では、前端面回復処理を開始するか否かの判定を、ＮＳＲ触媒２１の前端面のＰＭ堆積量だけでなく、ＤＰＦ２２のＰＭ捕集量も考慮して行うようにしている。一例として図９のフローチャートに示すように、ステップＳＴ２１，ＳＴ２２ではそれぞれステップＳＴ１１，ＳＴ１２（図６を参照、以下同様）と同じくＳ被毒回復制御の実行中であることを判定し、ＮＳＲ触媒２１の触媒前端面ＰＭ堆積量を推定した後に、ステップＳＴ２３では、現在の触媒前端面ＰＭ堆積量が上限値Ｃ以上になったか否か判定する。

すなわち、ステップＳＴ１３と同様に配気圧センサ３８からの信号により、触媒前圧力が所定圧（図７のＰＣ）以上になったＹＥＳと判定すればステップＳＴ２４に進み、ステップＳＴ１４と同様に前端面回復処理を実行する。一方、触媒前圧力が前記所定圧未満であれば触媒前端面ＰＭ堆積量は上限値Ｃ未満なので、ステップＳＴ２５に進んで今度は触媒前端面ＰＭ堆積量が判定値Ｂ以上になったか（触媒前圧力が所定圧（図７のＰＢ）以上になったか）否か判定する。

この判定がＹＥＳであればステップＳＴ２６に進み、ステップＳＴ１６と同様にしてＤＰＦ２２のＰＭ捕集量が所定量以上か否か判定する。すなわち、ＤＰＦ２２の前後の差圧が所定値未満でＮＯ、即ちＰＭ捕集量が所定量未満であると判定すれば、前記ステップＳＴ２４に進んで前端面回復処理を実行する。一方、前後の差圧が所定値以上でＹＥＳ、即ちＰＭ捕集量が所定量以上であると判定すれば、前端面回復処理は実行せずに（ステップＳＴ２７）ステップＳＴ２８に進んで、ステップＳＴ１７と同様にＳ被毒回復制御におけるリッチ期間への切り替えを禁止する。

つまり、触媒前端面ＰＭ堆積量が判定値Ｂ以上になっていても、ＤＰＦ２２のＰＭ捕集量が多い場合には前端面回復処理は実行せず、また、ＤＰＦ２２のＰＭ捕集量が更に増えることを予防するために、空燃比のリッチ化を禁止するのである。

また、前記ステップＳＴ２５において触媒前端面ＰＭ堆積量が判定値Ｂ未満であると判定した場合も前端面回復処理は実行せずに（ステップＳＴ２９）ステップＳＴ３０に進んで、前記ステップＳＴ２６と同じくＤＰＦ２２のＰＭ捕集量が所定量以上か否か判定する。そして、この判定がＮＯであればリターンする一方、判定がＹＥＳでＰＭ捕集量が所定量以上に多くなっていれば、前記ステップＳＴ２８に進んでＳ被毒回復制御におけるリッチ期間への切り替えを禁止する。

その他の動作は上述した実施形態と同様であるが、この変形例１によると、触媒前端面ＰＭ堆積量だけでなく、ＤＰＦ２２のＰＭ捕集量も考慮して前端面回復処理の開始を判定し、必要に応じてＳ被毒回復制御におけるリッチ期間への切り替えを行わないようにしているので、ＮＳＲ触媒２１の前端面だけでなくＤＰＦ２２についても、ＰＭの増大による通気抵抗の増大を抑止しながら好適なＳ被毒回復制御が行える。

（変形例２）
次に、変形例２について説明する。この変形例２は触媒前端面ＰＭ堆積量の推定動作の変形例であって、その他の構成及び動作は上述した実施形態のものと同様なので、ここでは触媒前端面ＰＭ堆積量の推定動作についてのみ説明する。この変形例２では、ＮＳＲ触媒２１の上流側に配設されたＡ／Ｆセンサ３６ａの応答時間に基づいて触媒前端面ＰＭ堆積量を推定するようにしている。

すなわち、ＮＳＲ触媒２１の端面にＰＭが堆積する状況にあっては、その上流側に配設されているＡ／Ｆセンサ３６ａの表面にもＰＭが堆積していると想定される。そして、このＡ／Ｆセンサ３６ａの応答時間（排気通路４の排気空燃比が変化してから、Ａ／Ｆセンサ３６ａの出力信号が、その変化後の排気空燃比に応じた信号として出力されるまでの時間）は、ＰＭ堆積量が多いほど長くなる。つまり、この応答時間と触媒前端面ＰＭ堆積量とは相関があると考えられる。

具体的に、Ａ／Ｆセンサ３６ａは、ステンレス鋼等の耐熱性金属によって形成されたカバーで覆われており、このカバーには、センシング部に排気ガスを流入させるための通気孔が形成されている。そして、この通気孔の周囲にＰＭが堆積する状況では、そのＰＭ堆積量が多くなるほどＡ／Ｆセンサ３６ａの応答時間は長くなる。このことを利用して変形例２では、Ａ／Ｆセンサ３６ａの応答時間が長いほど触媒前端面ＰＭ堆積量は多いと推定する。

図１０は、この変形例におけるアクセル開度およびＡ／Ｆセンサ３６ａの出力の変化を示す図である。アクセル開度が比較的大きく、排気空燃比がリッチである状態から、アクセル開度が小さくなり、排気空燃比がリーンになった時点（図中におけるアクセルＯＦＦのタイミング）から、実際にＡ／Ｆセンサ３６ａの出力信号が、排気空燃比がリーンである場合に対応した値（図中の閾値）として出力されるまでの期間として、比較的短い場合（図中に実線で示す出力変化の場合；応答時間が図中のＴＡの場合）には、Ａ／Ｆセンサ３６ａへのＰＭ堆積量は少なく、触媒前端面ＰＭ堆積量も少ないと推定される。

同様に、前記の排気空燃比がリーンになった時点から、実際にＡ／Ｆセンサ３６ａの出力信号が出力されるまでの期間の長さに応じて、例えば図中に一点鎖線で示す出力変化の場合、図中のＴＢの応答時間に対応して、Ａ／Ｆセンサ３６ａへのＰＭ堆積量が多くなっており、触媒前端面ＰＭ堆積量も多くなっていると推定される。また、例えば図中に二点鎖線で示す出力変化の場合、図中のＴＣの応答時間に対応して、Ａ／Ｆセンサ３６ａへのＰＭ堆積量が更に多くなっており、触媒前端面ＰＭ堆積量も更に多いと推定される。

図１１には、前記の空燃比センサ応答時間ＴＡ，ＴＢ，ＴＣから触媒前端面ＰＭ堆積量を求めるためのＰＭ堆積量マップの一例を示す。このＰＭ堆積量マップでは、空燃比センサ応答時間が図中のＴＡである場合には、触媒前端面ＰＭ堆積量（質量）が図中のＡとして求められ、空燃比センサ応答時間が図中のＴＢである場合には、触媒前端面ＰＭ堆積量が図中のＢとして求められ、空燃比センサ応答時間が図中のＴＣである場合には、触媒前端面ＰＭ堆積量が図中のＣとして求められる。

その他の動作は上述した実施形態と同様であるが、この変形例２によると、既存のＡ／Ｆセンサ３６ａを利用して触媒前端面ＰＭ堆積量を推定することが可能になるから、排気圧センサ３８が不要になって、システム構成の簡素化、低コスト化が図られる。

−他の実施形態−
以上、説明した実施形態および変形例では、自動車に搭載されたコモンレール式の筒内直噴型多気筒ディーゼルエンジン１に本発明を適用した場合について説明したが、本発明は、自動車用に限らず、その他の用途に使用されるエンジンにも適用可能である。また、気筒数やエンジン形式（直列型エンジン、Ｖ型エンジン、水平対向型エンジン等の別）についても特に限定されるものではなく、燃焼に伴いＰＭの生成されるおそれがある筒内噴射式のガソリンエンジンに対して適用することも可能である。

また、前記実施形態および変形例では、ＮＳＲ触媒２１の触媒前端面ＰＭ堆積量を触媒前圧力やＡ／Ｆセンサ３６ａの応答時間によって推定し、この触媒前端面ＰＭ堆積量が所定量以上になったときに前端面回復処理を開始するようにしているが、これにも限定されない。

例えば図１２に示すように、Ｓ被毒回復制御の実行時に（ステップＳＴ３１でＹＥＳ）、ステップＳＴ１６やＳＴ２６，ＳＴ３０と同じくＤＰＦ２２の前後の差圧に基づいて、ＰＭの捕集量が所定量以上になっているか否か判定し（ステップＳＴ３２）、この判定がＹＥＳならばステップＳＴ１７やＳＴ２８と同じくリッチ期間への切り替えを禁止する（ステップＳＴ３３）。一方、ステップＳＴ３２の判定がＮＯでＰＭの捕集量が少なければ、定期的な前端面回復処理を行う（ステップＳＴ３４）ようにしてもよい。

ここで定期的な前端面回復処理というのは、この処理をＳ被毒回復制御の所定実行回数毎に一回、実行するとか、前回の前端面回復処理の終了時点から所定の運転時間が経過したか、或いは自動車が所定距離走行したときに前端面回復処理を実行する、ということである。こうすれば、触媒前圧力などに基づくＰＭ堆積量の推定が不要になるとともに、推定精度に左右されず前端面回復処理が実行されるので、ＮＳＲ触媒２１の目詰まりをより確実に防止できる。

本発明は、排気浄化触媒に堆積したＰＭを効率良く除去し、その目詰まりを解消して、エンジンの排気圧力損失の増大や信頼性の低下を防止することができるので、特に自動車に搭載されるディーゼルエンジンに適用して極めて有益である。

１ディーゼルエンジン（内燃機関）
１ａ気筒
２インジェクタ（燃料噴射弁）
４排気通路（排気系）
２１ＮＳＲ（排気浄化触媒）
２２ＤＰＦ（ＰＭフィルタ）
３８排気圧センサ
３９差圧センサ
１００ＥＣＵ（制御手段）

Claims

気筒内に臨んで燃料噴射弁が設けられている内燃機関の排気浄化装置であって、
前記内燃機関の排気系に配設された排気浄化触媒と、
前記排気浄化触媒の浄化性能を回復させるために、少なくとも前記燃料噴射弁を制御して空燃比をリッチ側、リーン側に切り替える回復制御を行う制御手段とを備え、
前記回復制御において空燃比をリーン側に切り替えた際は、気筒の膨張行程後半のポスト噴射によって前記排気浄化触媒に未燃状態の燃料を供給するものであり、
前記制御手段は、前記排気浄化触媒におけるＰＭの堆積量が所定量以上になったと判定すれば、前記ポスト噴射を燃料の少なくとも一部が気筒内で燃焼するように進角させて、前記排気浄化触媒に流入する排気の温度を上昇させるとともに、前記ポスト噴射の燃料の燃焼による機関トルクの増大を相殺するように、気筒の圧縮上死点近傍で行うメイン噴射の燃料噴射量を減量する構成としたことを特徴とする排気浄化装置。
請求項１に記載の排気浄化装置において、
前記回復制御は、前記排気浄化触媒に蓄積された硫黄成分を放出させるためのものであって、空燃比をリッチ側に制御する際は理論空燃比よりもリッチにするものである、排気浄化装置。
請求項１または２のいずれかに記載の排気浄化装置において、
前記制御手段は、前記排気浄化触媒よりも排気の上流側の圧力が所定圧以上になった場合に、当該排気浄化触媒におけるＰＭの堆積量が所定量以上になったと判定する構成である、排気浄化装置。
請求項１〜３のいずれか１つに記載の排気浄化装置において、
前記排気浄化触媒よりも排気の下流側の排気系には、排気中のＰＭを捕集するためのＰＭフィルタが配設され、
前記制御手段は、前記ＰＭフィルタにおけるＰＭの捕集量が所定量以上であれば、前記回復制御におけるポスト噴射の進角を行わない構成である、排気浄化装置。
請求項４に記載の排気浄化装置において、
前記制御手段は、前記ＰＭフィルタにおけるＰＭの捕集量が所定量未満になるまで、前記回復制御における空燃比のリッチ側への切り替えを行わない構成である、排気浄化装置。
請求項１〜５のいずれか１つに記載の排気浄化装置において、
前記排気浄化触媒よりも排気の下流側の排気系には、排気中のＰＭを捕集するためのＰＭフィルタが配設され、
前記制御手段は、前記ＰＭフィルタにおけるＰＭの捕集量が所定量以上であれば、前記回復制御における空燃比のリッチ側への切り替えを行わない構成である、排気浄化装置。