JP6512199B2 - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化システムに関する。

内燃機関の排気通路において上流側に吸蔵還元型のＮＯｘ触媒であるＮＳＲ触媒と、下流側に選択還元型のＮＯｘ触媒であるＳＣＲ触媒とを配置した構成が採用される場合がある。このような排気構成では、ＮＳＲ触媒では、排気空燃比がリーン空燃比の際に排気中のＮＯｘが吸蔵され、そして、その吸蔵されたＮＯｘは、ＮＳＲ触媒に流れ込む排気空燃比を一時的にリッチ空燃比にすることで、ＮＳＲ触媒から放出され、そして排気中の還元剤との反応によりＮＯｘが還元される。また、ＳＣＲ触媒では、排気の流入に伴って還元剤となるアンモニアが供給されることで、排気中のＮＯｘが選択的に還元される。

ここで、例えば、特許文献１に示す内燃機関の排気構成では、排気通路において上流側からＮＳＲ触媒、ＳＣＲ触媒が配置されている。そして、ＮＳＲ触媒に吸蔵されたＮＯｘを放出、還元するために、排気中に燃料が供給されるが、その際にＮＳＲ触媒から下流側に流れ出すＮＯｘは、ＳＣＲ触媒にて還元される。そして、このＳＣＲ触媒でのＮＯｘの還元に必要なアンモニアの供給量は、ＮＳＲ触媒に吸蔵されていたＮＯｘ量に加えて、その放出時におけるＮＯｘからアンモニアへの転換現象を考慮して決定される。これにより、ＳＣＲ触媒への過剰なアンモニア添加が回避される。

特開２００８−２８６００１号公報 特開２０１５−３４５０４号公報 特開２００９−４１４４２号公報

内燃機関の排気通路においてその上流側からＮＳＲ触媒、ＳＣＲ触媒を配置して、両触媒のＮＯｘ還元能力を利用してＮＯｘ還元を行う排気浄化システムを構築する場合、ＳＣＲ触媒でのＮＯｘ還元を効率的に行うためには、ＳＣＲ触媒に流れ込む排気の空燃比をある程度酸素が含まれたリーン空燃比とする必要がある。これは、ＳＣＲ触媒においてイオン交換により基材に担持されている還元金属元素（例えば、銅Ｃｕ等）の価数が、酸素により還元反応に必要な価数とされる必要があると考えられるからである。そのため、上流側のＮＳＲ触媒において、吸蔵されたＮＯｘを放出、還元するためにＮＳＲ触媒に流れ込む排気空燃比が所定のリッチ空燃比とされると、下流側に位置するＳＣＲ触媒では、ＮＯｘの還元反応に適した空燃比雰囲気が形成されず、以て、上流側から流れ出たＮＯｘを連続的にＳＣＲ触媒で還元することが困難となり得る。

そこで本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気通路において、その上流側からＮＳＲ触媒、ＳＣＲ触媒を配置する排気浄化システムにおいて、両触媒を好適に利用しシステムとしてのＮＯｘ浄化能力を向上させる技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本出願人は、吸蔵ＮＯｘを還元するためにＮＳＲ触媒に流れ込む排気の空燃比を所定のリッチ空燃比とする空燃比処理の前に、ＮＯｘ触媒に吸蔵さ
れているＮＯｘを放出するための空燃比処理と、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ還元能力を回復させるための空燃比処理を行う構成を採用した。これにより、ＮＳＲ触媒での吸蔵ＮＯｘの還元時には、ＮＳＲ触媒でのＮＯｘ吸蔵量が低減され、且つＳＣＲ触媒のＮＯｘ還元能力が回復されているため、その還元処理時に下流側に流れ出たＮＯｘについても、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ還元能力により対応することが可能となる。なお、本発明においては、ＮＳＲ触媒によるＮＯｘの吸蔵には、いわゆるＮＯｘの吸着の形態も含まれる。

より詳細には、本発明は、内燃機関の排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒であるＮＳＲ触媒と、前記ＮＳＲ触媒に流れ込む排気に燃料を供給し、その排気空燃比を調整する燃料供給手段と、前記排気通路において前記ＮＳＲ触媒の下流側に設けられ、アンモニアを還元剤としてＮＯｘを選択還元するＳＣＲ触媒と、前記ＳＣＲ触媒に流れ込む排気にアンモニア又はアンモニアの前駆体を添加剤として添加する添加手段と、前記ＮＳＲ触媒の温度が、該ＮＳＲ触媒によりＮＯｘ還元が可能となる所定のＮＳＲ温度範囲に属し、且つ、前記ＳＣＲ触媒の温度が、該ＳＣＲ触媒によりＮＯｘ還元が可能となる所定のＳＣＲ温度範囲に属している場合に、前記添加手段により前記添加剤を添加するとともに、前記燃料供給手段によって該ＮＳＲ触媒に流れ込む排気の空燃比に関する所定の空燃比処理を実行する、還元制御手段と、を備える内燃機関の排気浄化システムである。そして、前記所定の空燃比処理は、前記燃料供給手段による燃料供給によって、前記ＮＳＲ触媒に流れ込む排気の空燃比を、理論空燃比よりリーン側の空燃比であって、該ＮＳＲ触媒から吸蔵されたＮＯｘを放出させる第１リーン空燃比とする第１空燃比処理と、前記燃料供給手段による燃料供給を調整することで、前記ＮＳＲ触媒に流れ込む排気の空燃比を、前記第１リーン空燃比よりリーン側の第２リーン空燃比とする第２空燃比処理と、前記燃料供給手段による燃料供給によって、前記ＮＳＲ触媒に流れ込む排気の空燃比を、該ＮＳＲ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元するために理論空燃比よりリッチ側の所定のリッチ空燃比とする第３空燃比処理と、を含む。また、前記還元制御手段は、前記所定の空燃比処理において、前記第１空燃比処理の後に前記第２空燃比処理を実行するとともに、前記第３空燃比処理を、該第１空燃比処理及び該第２空燃比処理の後に、且つ、該第２空燃比処理に続いて実行する。

本発明に係る内燃機関の排気浄化システムでは、排気通路に、その上流側から吸蔵還元型ＮＯｘ触媒であるＮＳＲ触媒と、選択還元型ＮＯｘ触媒であるＳＣＲ触媒が配置されている。ＮＳＲ触媒はリーン雰囲気中のＮＯｘを吸蔵する。また、ＮＳＲ触媒によるＮＯｘ還元では、燃料供給手段により供給される燃料が還元剤として利用される。すなわち、燃料供給手段により燃料が供給され排気の空燃比が所定のリッチ空燃比とされＮＳＲ触媒に流れ込むことで、ＮＳＲ触媒に吸蔵されていたＮＯｘが燃料を還元剤として還元される。また、ＳＣＲ触媒では、添加手段により添加された添加剤が利用され、アンモニアを還元剤としたＮＯｘの還元が行われる。

ここで、本発明の排気浄化システムでは、内燃機関の運転状態に応じて、ＮＳＲ触媒及びＳＣＲ触媒のそれぞれの温度は変動する。特に、ＮＳＲ触媒の温度が所定のＮＳＲ温度範囲に属し、ＳＣＲ触媒の温度が所定のＳＣＲ温度範囲に属している場合には、ＮＳＲ触媒のＮＯｘ還元能力とＳＣＲ触媒のＮＯｘ還元能力の両者を利用した排気中のＮＯｘ還元が可能となる。しかし、従来では、ＮＳＲ触媒での吸蔵ＮＯｘを還元するときにはＮＳＲ触媒に流れ込む排気空燃比が単に所定のリッチ空燃比とされるため、その下流に位置するＳＣＲ触媒の置かれる排気空燃比が、ＮＯｘを還元するために好適な空燃比とならず、結果として、排気浄化システムとしてのＮＯｘ浄化能力を十分に高めることが困難であった。そこで、このように両触媒のＮＯｘ還元能力が利用可能な場合には、ＮＳＲ触媒での吸蔵ＮＯｘの還元処理前にＮＳＲ触媒のＮＯｘ吸蔵量を低減させることで、当該還元処理時に下流側へ流出するＮＯｘ量を低減させるとともに、リーン空燃比の排気に含まれる酸素の作用によりＳＣＲ触媒のＮＯｘ還元能力を回復させた状態で、当該還元処理を迎えられ
るように、添加手段により前記添加剤が添加されるとともに、還元制御手段は、燃料供給手段による燃料供給によって、第１空燃比処理、第２空燃比処理、第３空燃比処理を含む所定の空燃比処理を実行する。

第１空燃比処理は、ＮＳＲ触媒に流れ込む排気の空燃比を第１リーン空燃比とする処理であり、当該第１リーン空燃比は、理論空燃比よりリーン側の空燃比であって、ＮＳＲ触媒においては吸蔵ＮＯｘが放出され得る空燃比である。そのため、第１空燃比処理が行われると、ＮＳＲ触媒から吸蔵ＮＯｘが放出されるが、その放出速度（単位時間当たりの放出ＮＯｘ量）は比較的低く抑えられる。当然にこの吸蔵ＮＯｘの放出に伴いＮＯｘ吸蔵量が低減する。また放出されたＮＯｘの大部分はＮＳＲ触媒によって還元されずに、その下流側に流れ出すことになる。ここで、第１空燃比処理が行われている間は、ＳＣＲ触媒に流れ込む排気空燃比も第１リーン空燃比に起因してリーン空燃比となる。そのため、ＳＣＲ触媒でもＮＯｘ還元が可能である。ただし、第１リーン空燃比を形成するために燃料供給手段により燃料供給が行われているため、燃料供給が行われていないときと比べるとＳＣＲ触媒における還元金属元素のイオン価数を円滑に回復させにくい状況下にもあり、第１空燃比処理の継続とともにＳＣＲ触媒によるＮＯｘ還元能力も低下し得る。

そこで、所定の空燃比処理では、第１空燃比処理を行った後には第２空燃比処理が実行される。この第２空燃比処理は、ＮＳＲ触媒に流れ込む排気の空燃比を、第１リーン空燃比よりリーン側の第２リーン空燃比とする。その結果、ＮＳＲ触媒からのＮＯｘの放出速度が低下し、又は、そのＮＯｘ放出が実質的に停止するとともに、より多くの酸素を含む排気をＳＣＲ触媒に送り込むことで、ＳＣＲ触媒における還元金属元素のイオン価数の回復を効果的に図ることが可能となる。なお、当該第２空燃比処理は、前記燃料供給手段による燃料供給を停止することで、ＮＳＲ触媒に流れ込む排気の空燃比を第２リーン空燃比としてもよい。この場合、排気空燃比を可及的にリーン側の空燃比とすることになるため、より速やかにＳＣＲ触媒における還元金属元素のイオン価数の回復が図られる。このように第２空燃比処理によってＳＣＲ触媒の還元金属元素のイオン価数が回復されることにより、後述するように第２空燃比処理の後に再び第１空燃比処理が行われる場合でも、又は第２空燃比処理に続いて第３空燃比処理が行われる場合でも、ＳＣＲ触媒によるＮＯｘ還元が可能な状態が形成されることになる。

そして、前記還元制御手段は、前記所定の空燃比処理において、前記第１空燃比処理及び前記第２空燃比処理を１回ずつ実行した後に、該第２空燃比処理に続いて前記第３空燃比処理を実行してもよく、別法としては、前記第１空燃比処理と前記第２空燃比処理とを交互に繰り返し、その最後の該第２空燃比処理に続いて前記第３空燃比処理を実行してもよい。何れの場合であっても、該第３空燃比処理は、該第１空燃比処理及び該第２空燃比処理の後に、且つ、該第２空燃比処理に続いて実行される。第３空燃比処理は、ＮＳＲ触媒に流れ込む排気空燃比を所定のリッチ空燃比とすることでＮＳＲ触媒により吸蔵ＮＯｘの還元処理を図る。

ここで、上記の通り、所定の空燃比処理では、第３空燃比処理が行われる前に第１空燃比処理が１回又は複数回実行され、且つ第３空燃比処理の直前には第２空燃比処理が行われる。したがって、第３空燃比処理が開始される時点において、ＮＳＲ触媒のＮＯｘ吸蔵量は、還元制御手段によって所定の空燃比処理が開始された時点よりも低減されている。ＮＳＲ触媒において吸蔵ＮＯｘの還元が行われるために所定のリッチ空燃比の排気が流れ込んだときに、一時的にＮＯｘの放出速度が高くなり、下流側に放出ＮＯｘが流れ出しやすくなる。この放出ＮＯｘ速度はＮＳＲ触媒でのＮＯｘ吸蔵量が多いほど高くなる傾向があるため、上記のように第３空燃比処理が行われる前の第１空燃比処理によりＮＯｘ吸蔵量が低減されることは、第３空燃比処理時の下流側へのＮＯｘ流出を抑制することに寄与する。なお、第１空燃比処理時は、ＳＣＲ触媒側でもＮＯｘ還元が可能であることは上記
の通りである。また、第３空燃比処理の直前に第２空燃比処理が行われるため、第３空燃比処理の開始時点においてＳＣＲ触媒のＮＯｘ還元能力も十分に回復されている。したがって、第３空燃比処理時に下流側へ流出したＮＯｘについては、ＮＳＲ触媒に流れ込む排気が所定のリッチ空燃比であったとしても流出ＮＯｘをＳＣＲ触媒にて還元し得る。この結果、還元制御手段によって排気浄化システムとして十分なＮＯｘ還元処理が実現されることになる。

なお、第３空燃比処理時に上記流出ＮＯｘをＳＣＲ触媒にて還元し、該ＳＣＲ触媒からのＮＯｘ流出を可及的に抑制するためには、第３空燃比処理の際のＮＳＲ触媒からのＮＯｘ放出速度が、第２空燃比処理により回復されたＳＣＲ触媒の還元能力で対応可能な程度に収まるように、第３空燃比処理の前に１回又は複数回の第１空燃比処理の実行によってＮＳＲ触媒のＮＯｘ吸蔵量を所定量まで低減させてもよい。

なお、本発明に係る排気浄化システムでは、ＮＳＲ触媒の温度が所定のＮＳＲ温度範囲に属するが、ＳＣＲ触媒の温度は所定のＳＣＲ温度範囲に属しない場合には、燃料供給手段による燃料供給のみを利用してＮＳＲ触媒でのＮＯｘ還元処理が行われてもよい。具体的には、当該燃料供給により、ＮＳＲ触媒に流れ込む排気の空燃比が、吸蔵ＮＯｘの還元に適したリッチ空燃比とされる。また、ＳＣＲ触媒の温度が所定のＳＣＲ温度範囲に属するが、ＮＳＲ触媒の温度は所定のＮＳＲ温度範囲に属しない場合には、燃料供給手段による燃料供給は行われず、添加手段による添加剤の添加が行われることでＮＯｘ還元処理が行われてもよい。

以上より、本発明の内燃機関の排気浄化システムによれば、ＮＳＲ触媒及びＳＣＲ触媒を好適に利用し、システムとしてのＮＯｘ浄化能力を向上させることが可能となる。

ここで、上記の内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記還元制御手段は、前記ＮＳＲ触媒の温度が、前記所定のＮＳＲ温度範囲に属し、且つ、前記ＳＣＲ触媒の温度が、前記所定のＳＣＲ温度範囲のうち切替ＳＣＲ閾温度より低い温度範囲に属する場合には、前記添加手段により前記添加剤を添加するとともに、前記燃料供給手段によって前記所定の空燃比処理を実行してもよい。更に、前記還元制御手段は、前記ＮＳＲ触媒の温度が、前記所定のＮＳＲ温度範囲に属し、且つ、前記ＳＣＲ触媒の温度が、前記所定のＳＣＲ温度範囲のうち前記切替ＳＣＲ閾温度以上である温度範囲に属する場合には、前記添加手段により前記添加剤を添加するとともに、前記燃料供給手段によって、該ＮＳＲ触媒に流れ込む排気の空燃比に関する、前記所定の空燃比処理とは異なるＳＣＲ高温時空燃比処理を実行してもよい。そして、前記ＳＣＲ高温時空燃比処理は、前記燃料供給手段による燃料供給によって、前記ＮＳＲ触媒に流れ込む排気の空燃比を、理論空燃比よりリーン側の空燃比であって、該ＮＳＲ触媒から吸蔵されたＮＯｘを放出させる第４リーン空燃比とする第４空燃比処理と、前記燃料供給手段による燃料供給を調整することで、前記ＮＳＲ触媒に流れ込む排気の空燃比を、前記第４リーン空燃比よりリーン側の第５リーン空燃比とする第５空燃比処理と、を含み、前記還元制御手段は、前記ＳＣＲ高温時空燃比処理において、前記第４空燃比処理と前記第５空燃比処理を交互に繰り返す。

すなわち、上記の発明は、還元制御手段によるＮＯｘ還元処理が行われる場合、添加手段による添加剤の添加とともに行われる空燃比処理を、上記の所定の空燃比処理とＳＣＲ高温時空燃比処理とに分けて実行するものである。この区分けは、ＳＣＲ触媒の温度に応じて行われ、具体的には、ＳＣＲ触媒の温度が所定のＳＣＲ温度範囲のうち切替ＳＣＲ閾温度より低い場合には所定の空燃比処理が行われ、当該切替ＳＣＲ温度以上である場合にはＳＣＲ高温時空燃比処理が行われる。これは、ＳＣＲ触媒の温度が所定のＳＣＲ温度範囲のうち切替ＳＣＲ閾温度以上である場合には、該切替ＳＣＲ閾温度より低い場合よりも、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ還元能力が増加する傾向にあることによる。

このように比較的ＳＣＲ触媒の還元能力が増加している状態にあれば、還元制御手段によるＮＯｘ還元処理が行われる場合、すなわち、ＮＳＲ触媒とＳＣＲ触媒の両者を利用してＮＯｘ還元を図ろうとする場合には、所定の空燃比処理のようにＮＳＲ触媒に流れ込む排気空燃比を所定のリッチ空燃比とすることで、ＮＳＲ触媒が主体的にＮＯｘ還元を行うよりも、ＮＳＲ触媒に流れ込む排気空燃比を所定のリッチ空燃比とせずに添加剤の添加によるＳＣＲ触媒を主体としたＮＯｘ還元を行う方がよい。これは、ＳＣＲ触媒によるＮＯｘ還元はアンモニアを還元剤とした選択的なＮＯｘ還元であり、ＮＯｘ還元の効率が比較的高く排気浄化システムとしてのＮＯｘ浄化能力を高めやすいからである。更に、ＳＣＲ触媒を主体としてＮＯｘ還元を行うことで、排気への燃料供給を行う必要がなくなり、燃料成分のシステム外への排出を抑制できる。そこで、ＳＣＲ触媒の温度が切替ＳＣＲ温度以上である場合には、ＮＳＲ触媒とＳＣＲ触媒の両者を利用したＮＯｘ還元のための空燃比処理として、上記ＳＣＲ高温時空燃比処理を採用するものである。

そして、このＳＣＲ高温時空燃比処理では、ＮＳＲ触媒からのＮＯｘの放出速度を可及的に抑えるとともに、その放出時にＳＣＲ触媒に流れ込む排気空燃比がリッチ化することで生じるＳＣＲ触媒のＮＯｘ還元能力の低下を回避するように、還元制御手段は、ＳＣＲ高温時空燃比処理において、第４空燃比処理と第５空燃比処理を交互に繰り返し実行する。

ここで、第４空燃比処理は、ＮＳＲ触媒に流れ込む排気の空燃比を第４リーン空燃比とする処理であり、当該第４リーン空燃比は、理論空燃比よりリーン側の空燃比であって、ＮＳＲ触媒においては吸蔵ＮＯｘが放出され得る空燃比である。なお、第４リーン空燃比は、上記の第１リーン空燃比と同じ空燃比であってもよく、また異なる空燃比であってもよい。第４空燃比処理が行われると、第１空燃比処理と同じように、ＮＳＲ触媒から吸蔵ＮＯｘが放出されるが、その放出速度は比較的低く抑えられる。また放出されたＮＯｘの多くはＮＯｘ触媒によって還元されずに、その下流側に流れ出すことになる。ここで、第４空燃比処理が行われている間は、ＳＣＲ触媒に流れ込む排気空燃比も第４リーン空燃比に起因してリーン空燃比となる。そのため、ＳＣＲ触媒でもＮＯｘ還元が可能である。ただし、第４リーン空燃比を形成するために燃料供給手段により燃料供給が行われているため、燃料供給が行われていないときと比べるとＳＣＲ触媒における還元金属元素のイオン価数を円滑に回復させにくい状況下にもあり、第４空燃比処理の継続とともにＳＣＲ触媒によるＮＯｘ還元能力も低下し得る。

そこで、ＳＣＲ高温時空燃比処理では、第４空燃比処理を行った後には第５空燃比処理が実行される。この第５空燃比処理は、ＮＳＲ触媒に流れ込む排気の空燃比を、第４リーン空燃比よりリーン側の第５リーン空燃比とする。なお、第５リーン空燃比は、上記の第２リーン空燃比と同じ空燃比であってもよく、また異なる空燃比であってもよい。第５空燃比処理により、ＮＳＲ触媒からのＮＯｘの放出速度が低下し、又は、そのＮＯｘ放出が実質的に停止するとともに、より多くの酸素を含む排気をＳＣＲ触媒に送り込むことで、ＳＣＲ触媒における還元金属元素のイオン価数の回復を効果的に図ることが可能となる。なお、当該第５空燃比処理は、前記燃料供給手段による燃料供給を停止することで、ＮＳＲ触媒に流れ込む排気の空燃比を第５リーン空燃比としてもよい。この場合、排気空燃比を可及的にリーン側の空燃比とすることになるため、より速やかにＳＣＲ触媒における還元金属元素のイオン価数の回復が図られる。

そして、ＳＣＲ高温時空燃比処理では、第４空燃比処理と第５空燃比処理が交互に繰り返される。詳細には、ＮＳＲ触媒では、第４空燃比処理により、吸蔵ＮＯｘの放出が主に行われる。その上で、ＳＣＲ触媒によって、放出されたＮＯｘが還元されることになる。そして、ＳＣＲ触媒の還元金属元素のイオン価数がＮＯｘ還元に適した状態となるように
、第４空燃比処理に続いて第５空燃比処理が行われ、このときＳＣＲ触媒によるＮＯｘ還元も効率的に行われている。このような第４空燃比処理と第５空燃比処理の繰り返しでは、ＮＯｘの還元はＳＣＲ触媒が主体となって行われることになる。

以上より、還元制御手段によりＮＯｘ還元が行われる場合、ＳＣＲ触媒の温度に応じて、所定の空燃比処理とＳＣＲ高温時空燃比処理が実行されることで、ＮＳＲ触媒とＳＣＲ触媒のそれぞれの温度に応じた好適なＮＯｘ還元処理が実行される。その結果、両触媒を好適に利用しシステムとしてのＮＯｘ浄化能力が向上される。

また、上述までの内燃機関の排気浄化システムにおいて、第２空燃比処理で燃料供給を停止することでＮＳＲ触媒に流れ込む排気の空燃比を第２リーン空燃比とする場合、比較的多くの酸素を含む排気がＳＣＲ触媒に流れ込むことになる。そのような場合、第２空燃比処理によるＳＣＲ触媒の還元金属元素のイオン価数の回復は、比較的速やかに実現され得る。そこで、このような場合には、前記還元制御手段は、前記第２空燃比処理において前記ＮＳＲ触媒から流出する排気の空燃比が前記第２リーン空燃比又は該第２リーン空燃比近傍の空燃比（以下、「第２リーン空燃比等の空燃比」という。）になると、該第２空燃比処理を停止してもよい。第２空燃比処理が開始されＮＳＲ触媒から流出する排気空燃比がこのように第２リーン空燃比等の空燃比になれば、いずれはその下流側に位置するＳＣＲ触媒にも必要量の酸素が供給されることになると考えられる。そこで、第２空燃比処理が開始された後にＮＳＲ触媒から流出する排気空燃比が第２リーン空燃比等の空燃比となるタイミングは、その第２空燃比処理を停止させ、次の処理への切り替えを行う合理的なタイミングとして採用できる。

また、上述までの内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記還元制御手段は、前記所定の空燃比処理において、前記第１空燃比処理中に前記ＳＣＲ触媒によるＮＯｘ浄化率が所定の浄化率閾値を下回ったときに、該第１空燃比処理を前記第２空燃比処理に切り替え、その後該第２空燃比処理を所定期間継続してもよい。上記の通り、所定の空燃比処理において第１空燃比処理が行われると、時間経過とともに下流側のＳＣＲ触媒の還元金属元素のイオン価数が、ＮＯｘ還元に適さない状態へと変化し得、その結果として、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率が低下していく。そこで、このＮＯｘ浄化率が所定の浄化率閾値を下回った場合には、ＳＣＲ触媒の還元金属元素のイオン価数を回復すべきタイミングと合理的に判断できる。そこで、その下回ったタイミングで、第１空燃比処理から第２空燃比処理に切り替えられ、以て、ＳＣＲ触媒の還元金属元素のイオン価数の回復が図られる。なお、第２空燃比処理が行われることでＳＣＲ触媒にはより多くの酸素が含まれた排気が送り込まれる。そこで、ＳＣＲ触媒の還元金属元素のイオン価数を回復させるのに必要な期間である所定期間、第２空燃比処理が継続され、その後当該処理は停止される。なお、第２空燃比処理が停止されると、再び第１空燃比処理が行われてもよく、又は続いて第３空燃比処理が行われてもよい。

本発明によれば、内燃機関の排気通路において、その上流側からＮＳＲ触媒、ＳＣＲ触媒を配置する排気浄化システムにおいて、両触媒を好適に利用しシステムとしてのＮＯｘ浄化能力を向上させることができる。

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。 図１に示す内燃機関の排気浄化システムが備えるＮＳＲ触媒における、触媒温度とＮＯｘ還元能力との相関を示す図である。 図１に示す内燃機関の排気浄化システムが備えるＳＣＲ触媒における、触媒温度とＮＯｘ還元能力との相関を示す図である。 ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ還元反応を説明するためのモデル図である。 図１に示す内燃機関の排気浄化システムで行われる空燃比処理を決定するための第１のＮＳＲ側設定処理のフローチャートである。 図１に示す内燃機関の排気浄化システムが備えるＳＣＲ触媒へのアンモニア供給を決定するためのＳＣＲ側設定処理のフローチャートである。 図１に示す内燃機関の排気浄化システムで行われる両触媒利用時空燃比処理の第１のフローチャートである。 図１に示す内燃機関の排気浄化システムで行われる両触媒利用時空燃比処理の第２のフローチャートである。 図６Ａ及び図６Ｂに示す両触媒利用時空燃比処理が実行された際の、ＮＯｘ還元に関連するパラメータの推移を示す第１の図である。 図６Ａ及び図６Ｂに示す両触媒利用時空燃比処理が実行された際の、ＮＯｘ還元に関連するパラメータの推移を示す第２の図である。 図１に示す内燃機関の排気浄化システムで行われる空燃比処理を決定するための第２のＮＳＲ側設定処理のフローチャートである。 図１に示す内燃機関の排気浄化システムで行われるＳＣＲ高温時空燃比処理のフローチャートである。 図９に示すＳＣＲ高温時空燃比処理が実行された際の、ＮＯｘ還元に関連するパラメータの推移を示す図である。

以下、本発明の具体的な実行形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

本発明に係る内燃機関の排気浄化システムの実施例について、本願明細書に添付された図に基づいて説明する。図１は、本実施例に係る内燃機関１の排気浄化システムの概略構成を示す図である。内燃機関１は車両駆動用のディーゼルエンジンである。

内燃機関１には排気通路２が接続されている。排気通路２には、排気中のＮＯｘを、アンモニアを還元剤として選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒であるＳＣＲ触媒５が設けられている。なお、ＳＣＲ触媒５は、基材となるゼオライトに還元金属元素である銅Ｃｕがイオン交換されて担持されている。そして、ＳＣＲ触媒５において還元剤として作用するアンモニアを生成するために、尿素タンク８に貯留されている、アンモニアの前駆体である尿素水が、本発明に係る添加剤として、ＳＣＲ触媒５の上流側に位置する添加弁７によって排気中に添加される。添加弁７から添加された尿素水が排気の熱で加水分解されて、アンモニアが生成され、当該アンモニアがＳＣＲ触媒５に吸着される。そして、アンモニアと排気中のＮＯｘとの還元反応が生じ、ＮＯｘの浄化が行われる。この添加弁７による尿素水添加が、本発明に係る添加手段による処理に相当する。なお、本実施例では、上記の通り添加弁７から尿素水が添加されるが、それに代えて、アンモニア又はアンモニア水を直接排気に添加してもよい。

ＳＣＲ触媒５の下流側に、ＳＣＲ触媒５からスリップしてくるアンモニアを酸化するための酸化触媒（以下、「ＡＳＣ触媒」）が設けられている。なお、図１においては、ＡＳＣ触媒は記載を省略している。ＡＳＣ触媒は、酸化触媒と、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを還元するＳＣＲ触媒とを組み合わせることで構成された触媒であってもよい。この場合、例えば、酸化アルミニウムＡｌ_２Ｏ_３やゼオライト等を材料とする担体に白金Ｐｔ等の貴金属を担持させることで酸化触媒を形成し、ゼオライトを材料とする担体に銅Ｃｕや鉄Ｆｅ等を担持させることでＳＣＲ触媒を形成してもよい。ＡＳＣ触媒をこの
ような構成の触媒とすることで、排気中のＨＣ、ＣＯ、及びアンモニアを酸化させることができ、さらに、アンモニアの一部を酸化させることでＮＯｘを生成すると共に該生成されたＮＯｘを、余剰のアンモニアで還元することもできる。

更に、排気通路２においては、ＳＣＲ触媒５及び添加弁７の上流側に、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒であるＮＳＲ触媒３が備えられている。ＮＳＲ触媒３は、ＮＯｘを吸蔵する吸蔵剤を有し、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯｘを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し、且つ内燃機関１の燃料等の還元剤が存在するときは吸蔵していたＮＯｘを放出し還元する。本実施例では、ＮＳＲ触媒３で利用される還元剤は、ＮＳＲ触媒３の上流側に設けられた燃料供給弁６によって供給される内燃機関１の燃料とされる。燃料供給弁６によって供給された燃料は、排気とともにＮＳＲ触媒３に流れ込み、そこで還元剤として作用する。そして、この燃料供給弁６による燃料供給は、ＮＳＲ触媒３に流れ込む排気の空燃比を調整することにもなることから、本発明の燃料供給手段による処理に相当する。なお、本実施例では、燃料供給手段として燃料供給弁６によって燃料供給が行われているが、それに代えて、内燃機関１から排出される排気に含まれる燃料を調整するために、内燃機関１における燃料の噴射条件（燃料噴射量や燃料噴射時期等）を調整してもよい。

また、ＮＳＲ触媒３の下流側であってＳＣＲ触媒５の上流側には、ＮＳＲ触媒３から流出する排気の空燃比を検出する空燃比センサ１０と、当該排気中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ１１と、当該排気の温度を検出する温度センサ１２が設けられている。更に、ＳＣＲ触媒５の下流側には、ＳＣＲ触媒５から流出する排気中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ１３と当該排気の温度を検出する温度センサ１４が設けられている。そして、内燃機関１の排気浄化システムには電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０が併設されており、該ＥＣＵ２０は内燃機関１の運転状態や排気浄化システム等を制御するユニットである。ＥＣＵ２０には、上述した空燃比センサ１０、ＮＯｘセンサ１１、１３、温度センサ１２、１４の他、クランクポジションセンサ２１及びアクセル開度センサ２２や、内燃機関１の吸気通路２５に設置されたエアフローメータ２６等が電気的に接続され、各センサの検出値がＥＣＵ２０に渡される。したがって、ＥＣＵ２０は、エアフローメータ２６の検出値に基づく吸入空気量やそれに基づいて算出される排気流量や、クランクポジションセンサ２１の検出に基づく機関回転速度や、アクセル開度センサ２２の検出に基づく機関負荷等の内燃機関１の運転状態に関するパラメータを把握可能である。また、温度センサ１２の検出値に基づいてＮＳＲ触媒３の触媒温度を推定でき、また温度センサ１４の検出値に基づいてＳＣＲ触媒５の温度を推定できる。

なお、ＮＳＲ触媒３に流れ込む排気中のＮＯｘ濃度は、内燃機関１から排出される排気のＮＯｘ濃度に相当することから、本実施例では、ＥＣＵ２０は、内燃機関１の運転状態に基づいてＮＳＲ触媒３に流れ込む排気中のＮＯｘ濃度を推定することが可能である。更には、当該排気がＮＳＲ触媒３に流れ込み排気中のＮＯｘがＮＳＲ触媒３に吸蔵されることから、ＥＣＵ２０は、ＮＳＲ触媒３に吸蔵されているＮＯｘ量（ＮＯｘ吸蔵量）を、ＮＳＲ触媒３に流れ込む排気中のＮＯｘ濃度と排気流量から推定することが可能となる。なお、排気流量は、エアフローメータ２６で検出される吸気流量と内燃機関１における燃料噴射量等に基づき算出される。

また、ＳＣＲ触媒５については、ＳＣＲ触媒５に流れ込む排気中のＮＯｘ濃度（すなわち、ＮＯｘセンサ１１の検出値）に応じて、ＥＣＵ２０は添加弁７に指示を出し、ＮＯｘの還元浄化に必要な量の尿素水が排気中に供給される。例えば、推定されるＳＣＲ触媒５に吸着されているアンモニア量に基づいて添加弁７からの尿素水添加量が決定されてもよい。なお、ＳＣＲ触媒５におけるアンモニア吸着量の推定については、従来技術により実現可能であるため、本明細書ではその詳細な説明は割愛する。また、別法として、以下の
式１で決定されるＳＣＲ触媒５によるＮＯｘ浄化率が、排気浄化の観点から好ましい所定の範囲に収まるように、添加弁７からの尿素水添加が制御されてもよく、更に別法として、ＳＣＲ触媒５の上流側と下流側とに配置されたＮＯｘセンサ１１、１３の検出値の差分に基づいて添加弁７からの尿素水添加が制御されてもよい。
ＮＯｘ浄化率 ＝ １−（ＮＯｘセンサ１３の検出値）／（ＮＯｘセンサ１１の検出値） ・・（式１）

ここで、図１に示す内燃機関１の排気浄化システムが有するＮＳＲ触媒３及びＳＣＲ触媒５のそれぞれのＮＯｘ浄化能力について、図２Ａ及び図２Ｂに基づいて説明する。なお、ＮＳＲ触媒３のＮＯｘ浄化能力とは、必要十分量の還元剤（燃料）が供給されることで発揮される単位時間当たりの吸蔵ＮＯｘの還元量と、ＮＳＲ触媒３により単位時間当たりに吸蔵されるＮＯｘ量との総和を表しており、したがって、ＮＳＲ触媒３のＮＯｘ浄化能力は、触媒温度が吸蔵ＮＯｘを還元できない温度領域であっても発揮し得ることになる。また、ＳＣＲ触媒５のＮＯｘ浄化能力とは、必要十分量の還元剤（アンモニア）が供給されることで発揮される、単位時間当たりのＮＯｘの選択還元量を表しており、したがってＳＣＲ触媒５のＮＯｘ浄化能力は、そのＮＯｘ還元能力と同一視できる。

ここで、図２Ａは、ＮＳＲ触媒３の触媒温度とそのＮＯｘ浄化能力との相関を線Ｌ１で表し、図２ＢはＳＣＲ触媒５の触媒温度とそのＮＯｘ浄化能力との相関を線Ｌ２で表している。ＮＳＲ触媒３においては、触媒温度がＴＮ１からＴＮ２（ＴＮ２＞ＴＮ１）の範囲に属する場合に、燃料供給弁６から供給される燃料を還元剤として吸蔵ＮＯｘの還元が可能となり、ＮＳＲ触媒３のＮＯｘ浄化能力が好適に発揮され得る。したがって、当該温度範囲（ＴＮ１からＴＮ２までの温度範囲）が、本発明に係る所定のＮＳＲ温度範囲に相当する。なお、ＮＳＲ触媒３の温度がＴＮ１より低く且つＴＮ０（ＴＮ０＜ＴＮ１）以上である場合には、ＮＳＲ触媒３によるＮＯｘ還元は困難であるが、排気中のＮＯｘがＮＳＲ触媒３に吸蔵されるため、結果として多少のＮＯｘ浄化能力が発揮されることになる。

また、ＳＣＲ触媒５においては、触媒温度がＴＳ１からＴＳ２（ＴＳ２＞ＴＳ１）の範囲に属する場合に、添加弁７から添加される尿素水から生成されるアンモニアを還元剤としてＮＯｘの還元が可能となり、ＳＣＲ触媒５のＮＯｘ還元能力が好適に発揮され得る。したがって、当該温度範囲（ＴＳ１からＴＳ２までの温度範囲）が、本発明に係る所定のＳＣＲ温度範囲に相当する。なお、当該所定のＳＣＲ温度範囲に含まれる温度ＴＳ３は、本発明に係る切替ＳＣＲ閾温度に相当する。ＳＣＲ触媒５の温度が、所定のＳＣＲ温度範囲のうち切替ＳＣＲ閾温度である温度ＴＳ３以上である領域に属する場合には、温度ＴＳ３より低い領域に属する場合と比べて、ＳＣＲ触媒５によるＮＯｘ還元能力（ＮＯｘ浄化能力）がより好適に発揮されることになる。

なお、個体としてのＳＣＲ触媒５によるＮＯｘ浄化能力は、個体としてのＮＳＲ触媒３によるＮＯｘ浄化能力より低温側で発揮されるように、各触媒が設計されている。これは、排気浄化システムにおいては、ＳＣＲ触媒５はＮＳＲ触媒３より下流側に配置されるため、同じタイミングでは、ＳＣＲ触媒５の温度は、ＮＳＲ触媒３の温度よりも低くなる傾向があることを考慮したものである。ＳＣＲ触媒５が、その触媒温度が比較的低い状態でＮＯｘ還元能力を発揮できるように設計することで、排気浄化システムとしてのＮＯｘ浄化能力を向上させることが可能となる。

ここで、上記排気浄化システムでは、ＮＳＲ触媒３及びＳＣＲ触媒５のそれぞれの触媒温度に応じて各触媒によるＮＯｘ還元が行われるように、燃料供給弁６からの燃料供給と、添加弁７からの尿素水添加が行われる。例えば、ＮＳＲ触媒３の触媒温度が所定のＮＳＲ温度範囲に属しているがＳＣＲ触媒５の触媒温度が所定のＳＣＲ温度範囲には属していないことにより、ＮＳＲ触媒３のみによりＮＯｘ還元が行われる場合、又は、ＮＳＲ触媒
３の触媒温度が所定のＮＳＲ温度範囲に属していないがＳＣＲ触媒５の触媒温度が所定のＳＣＲ温度範囲には属していることにより、ＳＣＲ触媒５のみによりＮＯｘ還元が行われる場合には、一方の触媒での単独でのＮＯｘ還元になる。

一方で、ＮＳＲ触媒３の触媒温度が所定のＮＳＲ温度範囲に属し、且つＳＣＲ触媒５の触媒温度が所定のＳＣＲ温度範囲に属している場合には、両触媒によるＮＯｘ還元が可能な状態となる。ここで、図３に基づいて、ＳＣＲ触媒５におけるＮＯｘ還元反応について説明する。図３は、当該ＮＯｘ還元反応をその説明のために模式的に示した図である。ＳＣＲ触媒５におけるＮＯｘ還元反応は、ゼオライト内に担持されている還元金属元素Ｃｕ上で生じており、それは概略的に４つのステップ(a)〜(b)に分けられると考えられる。先ず、ステップ(a)では、価数が２＋となっている銅イオンに対してアンモニア（ＮＨ_３）
が吸着する。続くステップ(b)では、その銅イオンに対して更にＮＯｘ（ＮＯ）が吸着す
る。その結果、ステップ(c)において、ＮＯの還元反応が生じ、窒素（Ｎ_２）と水（Ｈ_２
Ｏ）が生成されるとともに、銅イオンの価数が１＋に変化する。このとき、銅イオンＣｕ^＋には、水素イオンＨ^＋が吸着した状態となっている。そして、ステップ(d)で、この状
態の銅イオンＣｕ^＋に対して酸素（１／４Ｏ_２）が供給されると、水（１／２Ｈ_２Ｏ）が生成されるとともに、銅イオンの価数が２＋に回復する。これにより、再びステップ(a)
からの反応が順次継続できるようになり、ＳＣＲ触媒５による連続的なＮＯｘ還元が可能となる。このようにＳＣＲ触媒５において、連続的なＮＯｘ還元を実現するためには、ステップ(d)における銅イオンの価数の回復（Ｃｕ^＋→Ｃｕ^２＋）が必要であると考えられ
る。しかし、両触媒をＮＯｘ還元に利用する場合に、仮にＮＳＲ触媒３に流れ込む排気空燃比をリッチ空燃比としてＮＳＲ触媒３により吸蔵ＮＯｘを還元しようとすると、その際に下流側にＮＯｘが流れ出すとともに、ＳＣＲ触媒５はストイキ又はリッチ雰囲気に晒されてしまう。その結果、上記ステップ(d)での酸素供給が不十分となり、ＳＣＲ触媒５に
おける還元金属元素の銅イオンの価数回復（Ｃｕ^＋→Ｃｕ^２＋）が阻害され、ＳＣＲ触媒５の連続的なＮＯｘ還元が困難となる。そこで、このように両触媒を利用する場合は、ＮＳＲ触媒３とＳＣＲ触媒５の触媒特性を十分に考慮して、排気浄化システム全体のＮＯｘ浄化能力を形成する必要がある。

以上を踏まえ、上記排気浄化システムにおけるＮＯｘ還元に関する処理について、図４、図５、及び図６Ａ、図６Ｂに基づいて説明する。図４は、ＮＳＲ触媒３によりＮＯｘ還元を行う際に、ＮＳＲ触媒３に流れ込む排気の空燃比処理を決定するためのＮＳＲ側設定処理のフローチャートを示す。ＮＳＲ側設定処理で決定されるパラメータｍｄｃａｔは、ＮＳＲ触媒３に対する燃料供給弁６からの燃料供給の態様を制御するためのパラメータである。また、図５は、ＳＣＲ触媒５によりＮＯｘ還元を行うために、添加弁７からの尿素水の添加要求を決定するためのＳＣＲ側設定処理のフローチャートを示す。ＳＣＲ側設定処理で決定される尿素水添加要求は、ＯＮとされると添加弁７からの尿素水添加を要求していることを意味する。また、図６Ａ及び図６Ｂは、ＮＳＲ側設定処理によって上記パラメータｍｄｃａｔが”２”に設定された場合に実行される、燃料供給弁６からの燃料供給を介した空燃比処理である両触媒利用時空燃比処理のフローチャートを示す。なお、図４、図５、及び図６Ａ、図６Ｂに示す各処理は、ＥＣＵ２０に格納された制御プログラムにより所定の間隔で繰り返し、且つ、それぞれ独立して実行される。

先ず、図４に基づいてＮＳＲ側設定処理について説明する。Ｓ１０１では、ＮＳＲ触媒３の触媒温度が、図２Ａに示す所定のＮＳＲ温度範囲の下限値である温度ＴＮ１より低いか否かが判定される。Ｓ１０１で肯定判定されると、ＮＳＲ触媒３の触媒温度が所定のＮＳＲ温度範囲から外れていることを意味し、以て、Ｓ１０２の処理へ進む。そして、Ｓ１０２では、パラメータｍｄｃａｔの値が”０”に設定される。また、Ｓ１０１で否定判定されるとＳ１０３へ進み、Ｓ１０３では、ＮＳＲ触媒３の触媒温度が、所定のＮＳＲ温度範囲の上限値である温度ＴＮ２以下であるか否かが判定される。Ｓ１０３で否定判定され
た場合も、ＮＳＲ触媒３の触媒温度が所定のＮＳＲ温度範囲から外れていることを意味し、以て、Ｓ１０６の処理へ進む。そして、Ｓ１０６では、パラメータｍｄｃａｔの値が”０”に設定される。

ここで、Ｓ１０３で肯定判定された場合は、ＮＳＲ触媒３の触媒温度が所定のＮＳＲ温度範囲に属していることを意味している。そこで、Ｓ１０３で肯定判定されるとＳ１０４へ進み、Ｓ１０４では、上記尿素添加要求がＯＮであるか否かが判定される。なお、尿素添加要求の具体的な設定処理については、図５に基づいて後述する。尿素添加要求がＯＮである場合は、ＳＣＲ触媒５によりＮＯｘ還元を行うために添加弁７から尿素水を添加することが要求されていることを意味し、尿素添加要求がＯＮではない場合、すなわち尿素添加要求がＯＦＦである場合には、添加弁７からの尿素水添加は要求されていないことを意味する。そして、Ｓ１０４で肯定判定されると、ＳＣＲ触媒５によりＮＯｘ還元が行われる状況において、燃料供給弁６からの燃料供給を介してＮＳＲ触媒３によりＮＯｘ還元が行われる状況が形成されていることを意味する。そのような場合には、Ｓ１０５の処理において、パラメータｍｄｃａｔの値が”２”に設定される。一方で、Ｓ１０４で否定判定されると、ＳＣＲ触媒５によりＮＯｘ還元が行われない状況において、燃料供給弁６からの燃料供給を介してＮＳＲ触媒３によりＮＯｘ還元が行われる状況が形成されていることを意味する。そのような場合には、Ｓ１０７の処理において、パラメータｍｄｃａｔの値が”１”に設定される。

次に、図５に基づいてＳＣＲ側設定処理について説明する。Ｓ２０１では、ＳＣＲ触媒５の触媒温度が、図２Ｂに示す所定のＳＣＲ温度範囲の下限値である温度ＴＳ１より低いか否かが判定される。Ｓ２０１で肯定判定されると、ＳＣＲ触媒５の触媒温度が所定のＳＣＲ温度範囲から外れていることを意味し、以て、Ｓ２０２の処理へ進む。そして、Ｓ２０２では、尿素水添加要求がＯＦＦに設定される。また、Ｓ２０１で否定判定されるとＳ２０３へ進み、Ｓ２０３では、ＳＣＲ触媒５の触媒温度が、所定のＳＣＲ温度範囲の上限値である温度ＴＳ２以下であるか否かが判定される。Ｓ２０３で否定判定された場合も、ＳＣＲ触媒５の触媒温度が所定のＳＣＲ温度範囲から外れていることを意味し、以て、Ｓ２０５の処理へ進む。そして、Ｓ２０５では、尿素水添加要求がＯＦＦに設定される。

ここで、Ｓ２０３で肯定判定された場合は、ＳＣＲ触媒５の触媒温度が所定のＳＣＲ温度範囲に属していることを意味している。そこで、Ｓ２０３で肯定判定されるとＳ２０４へ進み、Ｓ２０４では、尿素水添加要求がＯＮに設定される。

上述したＮＳＲ側設定処理とＳＣＲ側設定処理によれば、ＳＣＲ触媒５については、その触媒温度が所定のＳＣＲ温度範囲に属している場合には、尿素水添加要求がＯＮにされ、これにより添加弁７から尿素水の添加が実行される。なお、この尿素水の添加処理については、上述したようにＳＣＲ触媒５でのアンモニア吸着量が所定量となるように、又は、ＳＣＲ触媒５によるＮＯ_Ｘ浄化率やＮＯ_Ｘセンサ１１、１３の検出値の差分等に基づいて、添加される尿素水量が制御されてもよい。

また、ＮＳＲ触媒３については、設定されたパラメータｍｄｃａｔの値に応じて、燃料供給弁６からの燃料供給を介した、ＮＳＲ触媒３に流れ込む排気の空燃比に関する処理（以下、単に「空燃比処理」と称する）が実行される。具体的には、パラメータｍｄｃａｔに”０”が設定されている場合には、ＮＳＲ触媒３の触媒温度は所定のＮＳＲ温度範囲に属していないことから、燃料供給弁６からの燃料供給は行わず、結果として、ＮＳＲ触媒３によるＮＯｘ還元は行われない。なお、このとき、ＮＳＲ触媒３の触媒温度が、図２Ａに示す温度ＴＮ０以上であれば、ＮＳＲ触媒３によるＮＯｘの吸蔵は行われていることになる。次に、パラメータｍｄｃａｔに”１”が設定されている場合には、ＳＣＲ触媒５ではＮＯｘ還元が行われない状況下で、ＮＳＲ触媒３によるＮＯｘ還元が行われることにな
るため、ＮＳＲ触媒３でのＮＯｘ還元の際にＳＣＲ触媒５でのＮＯｘ還元のための条件を考慮する必要が無い。そこで、パラメータｍｄｃａｔが”１”の場合の空燃比処理は、ＮＳＲ触媒に流れ込む排気空燃比を、理論空燃比よりリッチ側の所定のリッチ空燃比とする。これにより、ＮＳＲ触媒３に吸蔵されていたＮＯｘが放出されるとともに、排気中の燃料成分を還元剤として、その放出されたＮＯｘが還元されることになる。なお、このパラメータｍｄｃａｔが”１”の場合の空燃比処理は、ＮＳＲ触媒３の吸蔵ＮＯｘ量が所定量を超えたときに行うようにしてもよい。すなわち、ＮＳＲ触媒３でＮＯｘ吸蔵が可能な容量を確保する必要があるほどにＮＯｘ吸蔵量が増加したことをもって、当該空燃比処理が行われる。これにより、当該空燃比処理の実行頻度が抑えられそれに要する燃料の消費量を抑制することができる。

また、パラメータｍｄｃａｔに”２”が設定されている場合には、ＳＣＲ触媒５でＮＯｘ還元が行われている状況下で、ＮＳＲ触媒３によるＮＯｘ還元が行われることになるため、ＮＳＲ触媒３でのＮＯｘ還元の際にＳＣＲ触媒５でのＮＯｘ還元のための条件を考慮する必要がある。そして、ＮＳＲ触媒３において吸蔵ＮＯｘを還元するためには、パラメータｍｄｃａｔが”１”である場合と同様にＮＳＲ触媒３に流れ込む排気の空燃比が、吸蔵ＮＯｘを放出させその放出されたＮＯｘを還元するに必要な所定のリッチ空燃比となるように、燃料供給弁６から燃料供給が行われる。そのため、その際にＳＣＲ触媒５によるＮＯｘ還元時にも、ＳＣＲ触媒５もストイキ又はリッチ雰囲気に晒されることになる。

ここで、ＳＣＲ触媒５におけるＮＯｘの還元反応は、図３に示した通りであり、以下の反応式で表すことができる。
ＮＯ＋ＮＨ_３＋１／４Ｏ_２ → Ｎ_２ ＋３／２Ｈ_２Ｏ
そして上述したように、ＳＣＲ触媒５においては、ＳＣＲ触媒５に流れ込む排気中に必要量の酸素が含まれて初めて、連続的なＮＯｘの還元反応が可能となる。そのため、ＮＳＲ触媒３に流れ込む排気空燃比を、パラメータｍｄｃａｔが”１”の場合と同じように、単に所定のリッチ空燃比にしてＮＳＲ触媒３によるＮＯｘ還元が行われてしまうと、ＳＣＲ触媒５によるＮＯｘ還元を効果的に実現することが困難となる。

そこで、このようなＮＳＲ触媒３及びＳＣＲ触媒５の両者を利用してＮＯｘ還元を行う場合の課題を踏まえ、本実施例の内燃機関１の排気浄化システムでは、図６Ａ及び図６Ｂに示す両触媒利用時空燃比処理が実行される。当該両触媒利用時空燃比処理は、本発明の所定の空燃比処理に相当する処理である。なお、図６Ａと図６Ｂは、当該両触媒利用時空燃比処理を分割して表示したものである。また、当該両触媒利用時空燃比処理が実行されている際の、ＮＯｘ還元に関連する各種パラメータの推移を、図７Ａ及び図７Ｂに示している。具体的には、図７Ａには、ＮＳＲ触媒３へ流入する排気の空燃比（実線Ｌ３で示される推移）及びＮＳＲ触媒３から流出する排気の空燃比（破線Ｌ４で示される推移）、ＮＳＲ触媒３におけるＮＯｘ吸蔵量、パラメータｎ、パラメータＰ、ＮＯｘ吸蔵量の増加量（以下、「ＮＯｘ吸蔵増加量」という）ΔＮＯｘ、燃料供給総量Σｑの各推移を示している。また、図７Ｂには、ＮＳＲ触媒３へ流入する排気の空燃比及びＮＳＲ触媒３から流出する排気の空燃比（図７Ａと同じ）、ＮＯｘ吸蔵量（図７Ａと同じ）、パラメータＮＯｘｆ、ＮＳＲ触媒３の下流のＮＯｘ濃度、ＳＣＲ触媒５の下流のＮＯｘ濃度の各推移を示している。

なお、各種パラメータの定義は以下の通りである。
パラメータｎは、後述の第１空燃比処理及び第２空燃比処理の繰り返し回数を意味するパラメータである。
パラメータＰは、後述の第３空燃比処理の実行を終了したときにＯＮに設定されるパラメータである。すなわち、パラメータＰがＯＮに設定されていることは、ＮＳＲ触媒３が第３空燃比処理により吸蔵ＮＯｘが還元された後の状態に至っていることを意味する。
ＮＯｘ吸蔵増加量ΔＮＯｘは、燃料供給弁６から燃料供給が行われていない間に、ＮＳＲ触媒３にＮＯｘが吸蔵されることで増加したＮＯｘ吸蔵量の増加幅を意味するパラメータである。ＮＯｘ吸蔵増加量ΔＮＯｘの基準時点（増加幅を算出するための基準となるタイミング）は、直近において燃料供給弁６からの燃料供給が停止された時点である。なお、ＮＳＲ触媒３におけるＮＯｘ吸蔵量は、内燃機関１の運転状態に基づいて推定される排気中のＮＯｘ量に従って算出される。
燃料供給総量Σｑは、所定時間において、燃料供給弁６から供給された燃料の総量である。当該所定時間は、図６Ａ及び図６Ｂに示す両触媒利用時空燃比処理において燃料供給総量Σｑがリセットされた時点を起点とする。なお、燃料供給弁６から単位時間当たりに供給される燃料量が、ｑとされる。
パラメータＮＯｘｆは、ＮＯｘ吸蔵増加量ΔＮＯｘの上限値を設定するためのパラメータである。
また、図６Ａ及び図６Ｂの両触媒利用時空燃比処理で使用されるパラメータであるが、図７Ａ及び図７Ｂにおいて推移を示さないパラメータとして、パラメータＱが存在する。パラメータＱは、ＮＳＲ触媒３から目標量の吸蔵ＮＯｘを放出するために必要な、燃料供給弁６からの燃料の供給総量に関するパラメータである。

先ず、Ｓ３０１では、パラメータＰがＯＦＦに設定されているか否かが判定される。Ｓ３０１で肯定判定されるとＳ３０４へ進み、否定判定されるとＳ３０２へ進む。次にＳ３０２では、ＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵量が、後述のＳ３１５による第１空燃比処理を開始してそのＮＯｘ吸蔵量を低減させて、ＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵能力を回復させるべきか否かを判定するための閾値である開始基準ＮＯｘ吸蔵量ｍ２’以上であるか否かが判定される。Ｓ３０２で肯定判定されるとＳ３０３へ進み、否定判定されると両触媒利用時空燃比処理を終了する。次にＳ３０３では、ＯＮに設定されているパラメータＰが、ＯＦＦに設定される。Ｓ３０３の処理が終了すると、Ｓ３０４へ進む。

Ｓ３０４では、ＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵量が、後述のＳ３１３による第３空燃比処理が実行される際に、燃料供給弁６から供給された燃料がＮＳＲ触媒３でのＮＯｘ還元反応に供されずに、その下流に流れ出てしまうのを抑制するために必要とされる、ＮＯｘ吸蔵量の下限値である下限閾値ｍ２以上であるか否かが判定される。Ｓ３０４で肯定判定されるとＳ３０８へ進み、否定判定されるとＳ３０５へ進む。そして、Ｓ３０５では、パラメータｎが、後述のＳ３１３による第３空燃比処理の実行前に繰り返し実行される、後述のＳ３１５による第１空燃比処理及び後述のＳ３１８による第２空燃比処理の繰り返し回数の規定値であるＮより少ないか否かが判定される。Ｓ３０５で肯定判定されるとＳ３０７へ進み、否定判定されるとＳ３０６へ進む。Ｓ３０６では、ＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵量が０以下であるか否かが判定される。Ｓ３０６で肯定判定されるとＳ３２０へ進み、否定判定されると両触媒利用時空燃比処理を終了する。また、Ｓ３０７では、単位時間当たりの燃料供給量ｑが”０”にされ、燃料供給総量Σｑが”０”にされ、パラメータＱが”０”にされ、パラメータＮＯｘｆにＮＯｘｆ１が設定され、その後、両触媒利用時空燃比処理を終了する。

ここで、Ｓ３０４で肯定判定された後にＳ３０８へ進むと、Ｓ３０８では、単位時間当たりの燃料供給量ｑが０より大きいか否か、すなわち、燃料供給弁６から燃料供給を行っているか否かが判定される。Ｓ３０８で肯定判定されるとＳ３１１へ進み、否定判定されるとＳ３０９へ進む。Ｓ３０９では、ＮＯｘ吸蔵増加量ΔＮＯｘが、パラメータＮＯｘｆの設定値以上であるか否かが判定される。ここで、両触媒利用時空燃比処理では、パラメータＮＯｘｆに設定される値は、Ｓ３０７や後述のＳ３１９で設定されるＮＯｘｆ１と、後述のＳ３２１で設定されるＮＯｘｆＮ（ＮＯｘｆＮ＞ＮＯｘｆ１）の何れかである。これらの設定値は、ＮＳＲ触媒３でのＮＯｘ吸蔵増加量ΔＮＯｘをトリガーとして所定の処理を実行させるためのものであり、その詳細については後述する。Ｓ３０９で肯定判定さ
れるとＳ３１１へ進み、否定判定されるとＳ３１０へ進む。Ｓ３１０では、ＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵量が、両触媒利用時空燃比処理が実行されている際の、ＮＯｘ吸蔵量の実質的な上限値である上限閾値ｍ２’’以上であるか否かが判定される。Ｓ３１０で肯定判定されるとＳ３１１へ進み、否定判定されると両触媒利用時空燃比処理を終了する。

次に、Ｓ３１１では、燃料供給総量Σｑが、パラメータＱの設定値以下であるか否かが判定される。ここで、両触媒利用時空燃比処理では、パラメータＱに設定される値は、後述のＳ３１４で設定されるＱ２と、後述のＳ３１６で設定されるＱ１（０＜Ｑ１＜Ｑ２）、後述のＳ３１９、Ｓ３２１で設定される０の何れかである。これらの設定値は、燃料供給弁６からの燃料供給総量Σｑが、想定する量の吸蔵ＮＯｘをＮＳＲ触媒３から放出させ、又は還元するに至ったか否かを判定するためのものであり、その詳細については後述する。Ｓ３１１で肯定判定されるとＳ３１２へ進み、否定判定されるとＳ３１７へ進む。

そして、Ｓ３１２では、パラメータｎが、後述のＳ３１５による第１空燃比処理及び後述のＳ３１８による第２空燃比処理の繰り返し回数の規定値Ｎ以上であるか否かが判定される。Ｓ３１２で肯定判定されるとＳ３１３へ進み、否定判定されるとＳ３１５へ進む。Ｓ３１３では、燃料供給弁６からの燃料供給を実行し、その単位時間当たりの燃料供給量ｑはβとされる。このＳ３１３での燃料供給により、ＮＳＲ触媒３に流れ込む排気の空燃比は、ＮＳＲ触媒３の吸蔵ＮＯｘを放出させ、還元可能な上記所定のリッチ空燃比ＡＦＲ１となる。したがって、当該所定のリッチ空燃比ＡＦＲ１の排気を形成するＳ３１３の処理は、本発明の第３空燃比処理に相当する。なお所定のリッチ空燃比ＡＦＲ１は、例えば約１４程度である。そして、Ｓ３１３の処理後に、Ｓ３１４では、Ｓ３１３で供給された燃料量が積算されて、燃料供給総量Σｑが更新されるとともに、パラメータＱに、Ｑ２が設定される。このＱ２は、第３空燃比処理によりＮＳＲ触媒３から放出、還元されるＮＯｘ吸蔵量に対応する、燃料の供給総量である。Ｓ３１４の処理後、両触媒利用時空燃比処理を終了する。

次に、Ｓ３１５では、燃料供給弁６からの燃料供給を実行し、その単位時間当たりの燃料供給量ｑはα（α＜β）とされる。このＳ３１５での燃料供給により、ＮＳＲ触媒３に流れ込む排気の空燃比は第１リーン空燃比となる。当該第１リーン空燃比は、理論空燃比よりリーン側の空燃比であるがＮＳＲ触媒３の吸蔵ＮＯｘを放出可能とする空燃比であり、例えば、１６程度の空燃比である。したがって、当該第１リーン空燃比の排気を形成するＳ３１５の処理は、本発明の第１空燃比処理に相当する。そして、Ｓ３１５の処理後に、Ｓ３１６では、Ｓ３１５で供給された燃料量が積算されて、燃料供給総量Σｑが更新されるとともに、パラメータＱに、Ｑ１が設定される。このＱ１は、第１空燃比処理によりＮＳＲ触媒３から放出が想定される吸蔵ＮＯｘの量に対応する、燃料の供給総量である。Ｓ３１６の処理後、両触媒利用時空燃比処理を終了する。

ここで、Ｓ３１１で否定判定された後にＳ３１７へ進むと、Ｓ３１７では、パラメータｎが、Ｓ３１５による第１空燃比処理及びＳ３１８による第２空燃比処理の繰り返し回数の規定値Ｎより小さいか否かが判定される。Ｓ３１７で肯定判定されるとＳ３１８へ進み、否定判定されるとＳ３２０へ進む。Ｓ３１８では、燃料供給弁６からの燃料供給を停止する。したがって、その際の単位時間当たりの燃料供給量ｑは”０”となる。このＳ３１８での燃料供給の停止により、ＮＳＲ触媒３に流れ込む排気の空燃比は、上記Ｓ３１５で形成される排気空燃比の第１リーン空燃比よりも更にリーン側の空燃比である第２リーン空燃比となる。したがって、当該第２リーン空燃比の排気を形成するＳ３１８の処理は、本発明の第２空燃比処理に相当する。なお第２リーン空燃比は、例えば約２４程度である。そして、Ｓ３１８の処理後に、Ｓ３１９では、燃料供給総量Σｑは”０”とされ、パラメータｎはインクリメントされ、パラメータＱは”０”とされ、パラメータＮＯｘｆには、ＮＯｘｆ１が設定される。この設定値ＮＯｘｆ１は、第２空燃比処理が行われている間
に、ＮＳＲ触媒３において増加するＮＯｘ吸蔵量の目標値である。Ｓ３１９の処理後、両触媒利用時空燃比処理を終了する。

次に、Ｓ３２０では、燃料供給弁６からの燃料供給を停止する。したがって、その際の単位時間当たりの燃料供給量ｑは”０”となる。このＳ３１８での燃料供給の停止により、ＮＳＲ触媒３に流れ込む排気の空燃比は、上記Ｓ３１８で形成される排気空燃比の第２リーン空燃比と同程度の空燃比となる。そして、Ｓ３２０の処理後に、Ｓ３２１では、燃料供給総量Σｑは”０”とされ、パラメータｎは”０”とされ、パラメータＱは”０”とされ、パラメータＮＯｘｆには、ＮＯｘｆＮが設定される。この設定値ＮＯｘｆＮは、Ｓ３２０での燃料供給停止が継続している間に、ＮＳＲ触媒３において増加するＮＯｘ吸蔵量の目標値であり、例えば、設定値ＮＯｘｆＮの値をｍ２’と同値としてもよい。更に、パラメータＰがＯＮに設定される。Ｓ３２１の処理後、両触媒利用時空燃比処理を終了する。

なお、上記パラメータｎ、Ｐ、ＮＯｘ吸蔵増加量ΔＮＯｘ、燃料供給総量Σｑ、単位時間当たりの燃料供給量ｑ、パラメータＮＯｘｆ、Ｑは、ＮＳＲ側設定処理によってパラメータｍｄｃａｔの値が変更されればリセットされる。具体的には、リセットにより、パラメータｎは”０”にされ、パラメータＰはＯＦＦにされ、ＮＯｘ吸蔵増加量ΔＮＯｘは”０”にされ、燃料供給総量Σｑは”０”にされ、単位時間当たりの燃料供給量ｑは”０”にされ、パラメータＮＯｘｆはＮＯｘｆＮにされ、パラメータＱは”０”にされる。更に、イグニッションオンにより内燃機関１が始動された時も、これらのパラメータはリセットされる。

ここで、図６Ａ及び図６Ｂに示す両触媒利用時空燃比処理の流れについて、図７Ａ及び図７Ｂに示すＮＯｘ還元に関連するパラメータの推移に基づいて説明する。ここで、図７Ａ及び図７Ｂには、両触媒利用時空燃比処理が実行されているときの代表的な時刻としてｔ１〜ｔ７が例示されている。以下、時間の経過に沿って、両触媒利用時空燃比処理の流れについて説明する。

先ず、時刻ｔ１に至るまでの期間においては、ＮＳＲ側設定処理により、パラメータｍｄｃａｔが”０”に設定されている。そのため、ＮＳＲ触媒３には内燃機関１から排出される排気がそのまま流れ込むため、その排気空燃比は理論空燃比よりリーン側のＡＦＬ２（空燃比は２４程度）となり、また、ＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵量は時間の経過とともに増加している（なお、図７Ａ及び図７ＢのＮＯｘ吸蔵量の推移において示されるＭは、ｍｄｃａｔに”１”が設定された場合に、排気空燃比を所定のリッチ空燃比とするためのトリガとなる閾値である）。このときＳＣＲ触媒５は、その触媒温度が所定のＳＣＲ温度範囲に属しており、ＳＣＲ側設定処理により尿素添加要求がＯＮとされ、添加弁７からの尿素水添加が行われているものとする。このように時刻ｔ１に至るまでの期間では両触媒利用時空燃比処理は実行されていないため、パラメータｎは０であり、パラメータＰはＯＦＦであり、ＮＯｘ吸蔵増加量ΔＮＯｘ、燃料供給総量Σｑ、パラメータＮＯｘｆは０である。このような状況において、ＮＳＲ触媒３によって排気中のＮＯｘの吸蔵が行われるため、その下流側のＮＯｘ濃度は極めて低く、また、ＳＣＲ触媒５においては添加弁７により添加される尿素水によってアンモニアを還元剤としたＮＯｘ還元が行われるため、その下流側のＮＯｘ濃度はさらに低くなっている。

そして、時刻ｔ１において、ＮＳＲ触媒３の触媒温度が所定のＮＳＲ温度範囲に属することになりＮＳＲ側設定処理によりパラメータｍｄｃａｔが”２”に設定されると、両触媒利用時空燃比処理が開始されることになる。この開始時点においてはパラメータＰはＯＦＦであるからＳ３０１では肯定判定され、更に、ＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵量はｍ２を超えているからＳ３０４では肯定判定される。また、燃料供給弁６からの燃料供給は開始
されていないためＳ３０８では否定判定されるが、次のＳ３０９では、ＮＯｘ吸蔵増加量ΔＮＯｘは０であってパラメータＮＯｘｆも０であるため肯定判定されることになる。更に、次のＳ３１１では、燃料供給総量Σｑは０であってパラメータＱも０であるため肯定判定される。更に、次のＳ３１２では、パラメータｎは０であり、また本実施例では規定値Ｎは予め２（繰り返し回数が２回）と設定されているため、否定判定されることになる。この結果、時刻ｔ１では、Ｓ３１５により第１空燃比処理が開始されることになり、このときＮＳＲ触媒３に流れ込む排気空燃比は、第１リーン空燃比ＡＦＬ１となる。その後、Ｓ３１６において、燃料供給弁６からの燃料供給量ｑが積算されるとともに、パラメータＱにＱ１が設定される。このＱ１は、上記の通り、第１空燃比処理によってＮＳＲ触媒３から放出が想定される吸蔵ＮＯｘの量に対応する燃料量、すなわち第１空燃比処理中の排気浄化システムからのＮＯｘ流出量を抑制し得る範囲で、想定される量の吸蔵ＮＯｘを放出するのに必要な燃料総量である。

Ｓ３１６の処理が終了すると再び両触媒利用時空燃比処理がＳ３０１から繰り返される。そのため、時刻ｔ１で第１空燃比処理が開始された以降では、Ｓ３０１で肯定判定され、Ｓ３０４で肯定判定された後、Ｓ３０８での肯定判定を経てＳ３１１へと至る。そして、燃料供給総量Σｑは第１空燃比処理により増加しているもののまだ上記Ｓ３１６で設定されたＱ１には至っていないため、Ｓ３１１では肯定判定される。また、その後のＳ３１２では、パラメータｎには変化はないため、これまでと同じように否定判定される。

以上より、時刻ｔ１以降であって後述の時刻ｔ２に至るまでは、第１空燃比処理が継続されることでＮＳＲ触媒３の吸蔵ＮＯｘが放出されていくため、ＮＯｘ吸蔵量は低減していく。この放出されたＮＯｘは、排気空燃比が理論空燃比よりもリーン側の第１リーン空燃比であるからＮＳＲ触媒３では還元されず、ＳＣＲ触媒５に流れ込んでいく。なお、ＮＳＲ触媒３に流れ込む排気空燃比が第１リーン空燃比とされても直ちにはＮＳＲ触媒３から流れ出す排気空燃比（すなわち、ＳＣＲ触媒５に流れ込む排気空燃比）は第１リーン空燃比には近づかない（破線Ｌ４の推移を参照）。このとき、ＳＣＲ触媒５においては、ＮＯｘを連続的に還元できる排気空燃比の状態が維持されており、そのためＮＳＲ触媒３から放出されたＮＯｘはＳＣＲ触媒５によって好適に還元されることになる。

そして、第１空燃比処理がある程度継続されると、ＳＣＲ触媒５に流れ込む排気空燃比も第１リーン空燃比ＡＦＬ１となる。第１リーン空燃比ＡＦＬ１は理論空燃比よりリーン側の空燃比といえども、第１空燃比処理によって燃料供給弁６から燃料供給が行われることで形成される空燃比であるから、ＳＣＲ触媒５の銅イオンの価数回復が円滑に進みにくくなり、結果としてＳＣＲ触媒５によるＮＯｘ還元能力が低下してくる。そこで、本実施例では、燃料供給総量ΣｑがＳ３１６で設定されたＱ１を超えたときに第１空燃比処理が終了とされるようにＳ３１１において否定判定されることになる。そして、図７Ａ及び図７Ｂにおいて、Ｓ３１１で燃料供給総量ΣｑがＱ１を超えたことで否定判定された時刻が、ｔ２とされる。

また別法として、空燃比センサ１０によって検出されるＮＳＲ触媒３から流出する排気空燃比が第１リーン空燃比ＡＦＬ１となったときに、ＳＣＲ触媒５によるＮＯｘ還元能力が低下し時刻ｔ２が到来したと判定してもよい。更に別法として、ＮＯｘセンサ１１、１３から算出されるＳＣＲ触媒５によるＮＯｘ浄化率が基準となる浄化率を下回った場合に、ＳＣＲ触媒５によるＮＯｘ還元能力が低下し時刻ｔ２が到来したと判定してもよい。更に別法として、ＳＣＲ触媒５の下流側に配置されるＮＯｘセンサ１３の検出値が、ＳＣＲ触媒５でのＮＯｘ還元効率の低下に起因したＳＣＲ触媒５からの流出ＮＯｘに関連する基準ＮＯｘ濃度を超えた場合に、ＳＣＲ触媒５によるＮＯｘ還元能力が低下し時刻ｔ２が到来したと判定してもよい。

そこで、Ｓ３１１で否定判定されＳ３１７へ進むと、この時点ではまだパラメータｎには変化はないため、Ｓ３１７では肯定判定されることになる。この結果、時刻ｔ２では、Ｓ３１８により第２空燃比処理が開始されることになり、このときＮＳＲ触媒３に流れ込む排気空燃比は、第２リーン空燃比ＡＦＬ２となる。その後、Ｓ３１９において、燃料供給総量Σｑはリセットされて”０”となるとともに、パラメータｎがインクリメントされて、”１”となる。また、パラメータＱもリセットされて”０”となる。更に、パラメータＮＯｘｆに、ＮＯｘｆ１が設定される。このＮＯｘｆ１は、上記の通り、第２空燃比処理が行われている間に、ＮＳＲ触媒３において増加するＮＯｘ吸蔵量の目標値、すなわちＮＯｘ吸蔵量の増加の観点から第２空燃比処理の実行期間の長さを決定するための閾値である。

Ｓ３１９の処理が終了すると再び両触媒利用時空燃比処理がＳ３０１から繰り返される。そのため、時刻ｔ２で第２空燃比処理が開始された以降では、Ｓ３０１で肯定判定される。また第２空燃比処理が行われることで、ＮＳＲ触媒３の吸蔵ＮＯｘ量は増加していくため、Ｓ３０４でも肯定判定される。その後、燃料供給弁６からの燃料供給が停止されているためＳ３０８では否定判定され、次のＳ３０９では、直近の燃料供給停止時刻である時刻ｔ２からのＮＯｘ吸蔵増加量ΔＮＯｘが、先のＳ３１９で設定されたＮＯｘｆ１以上であるか否かが判定されることになる。したがって、時刻ｔ２以降に第２空燃比処理が継続される期間が短い場合には、ＮＯｘ吸蔵増加量ΔＮＯｘはＮＯｘｆ１にはまだ至らないため、その場合、Ｓ３１０へ進むことになる。そして、Ｓ３１０で、ＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵量に基づいた判定が行われる。このような構成により、ＮＯｘ吸蔵増加量ΔＮＯｘはＮＯｘｆ１に到達しておらず、且つ、ＮＯｘ吸蔵量が上限閾値ｍ２’’より小さい場合に、両触媒利用時空燃比処理が一度終了され、再び開始される、すなわち第２空燃比処理が継続されることになる。

一方で、第２空燃比処理の継続時間がある程度長くなりＮＯｘ吸蔵増加量ΔＮＯｘがＮＯｘｆ１に到達し（Ｓ３０９で肯定判定）、又は、ＮＯｘ吸蔵量が上限閾値ｍ２’’以上となった（Ｓ３１０で肯定判定）場合には、Ｓ３１１以降の処理が行われその第２空燃比処理が停止されることになる。すなわち、本実施例では、第２空燃比処理の継続時間（本発明に係る所定期間）は、第２空燃比処理によってＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵量の増加量が予め決められた量（ＮＯｘｆ１）に至るまでの時間か、又は、ＮＯｘ吸蔵量そのものが過度に増加しないように設定された量（ｍ２’’）に至るまでの時間とされる。なお別法として、第２空燃比処理の実行とともに空燃比センサ１０によって検出されるＮＳＲ触媒３から流出する排気空燃比が第２リーン空燃比ＡＦＬ２又は第２リーン空燃比ＡＦＬ２近傍の空燃比（以下、「第２リーン空燃比ＡＦＬ２等の空燃比」ともいう。）となったときに、第２空燃比処理を停止し、Ｓ３１１以降の処理が行われるようにしてもよい。これは、ＮＳＲ触媒３から流出する排気空燃比が第２リーン空燃比ＡＦＬ２等の空燃比となると、いずれはその下流に位置するＳＣＲ触媒５に、ＳＣＲ触媒５の銅イオンの価数回復に必要な酸素を供給することができると考えられるからである。そして、Ｓ３１１に進んだ時点では、燃料供給総量Σｑ及びパラメータＱは０であるためＳ３１１は肯定判定され、その後のＳ３１２では、パラメータｎは１であるため否定判定される。その結果Ｓ３１５へ進むことで第２空燃比処理を終了し、続いて２度目の第１空燃比処理が開始され、その開始時刻が時刻ｔ３となる。なお、図７Ａ及び図７Ｂでは、ＮＯｘ吸蔵増加量ΔＮＯｘがＮＯｘｆ１に到達したことをもって、時刻ｔ３が到来している。

そして、時刻ｔ３においてＳ３１５で２度目の第１空燃比処理が開始されると、その後、Ｓ３１６において、燃料供給弁６からの燃料供給量ｑが積算されるとともに（この場合の燃料供給総量Σｑは、２度目の第１空燃比処理の開始時点を起点とした総量である）、パラメータＱにＱ１が設定され、再び両触媒利用時空燃比処理がＳ３０１から繰り返される。その後の２度目の第１空燃比処理については、上述した１度目の第１空燃比処理と同
じように、Ｓ３１１で燃料供給総量ΣｑがＳ３１６で設定されたＱ１を超えたと判定される（Ｓ３１１で否定判定される）まで継続される。その後、Ｓ３１１で否定判定されるとＳ３１７へ進むが、そのときパラメータｎは１であるためＳ３１７では肯定判定されることになる。その結果Ｓ３１８へ進み、２度目の第２空燃比処理が開始され、その開始時刻が時刻ｔ４となる。

そして、時刻ｔ４においてＳ３１８で２度目の第２空燃比処理が開始されると、その後、Ｓ３１９において、燃料供給総量Σｑはリセットされて”０”となるとともに、パラメータｎがインクリメントされて、”２”となる。また、パラメータＱもリセットされて”０”となる。更に、パラメータＮＯｘｆに、ＮＯｘｆ１が設定される。そして、再び両触媒利用時空燃比処理がＳ３０１から繰り返される。その後の２度目の第２空燃比処理については、上述した１度目の第２空燃比処理と同じように、ＮＯｘ吸蔵増加量ΔＮＯｘがＮＯｘｆ１に到達し（Ｓ３０９で肯定判定）、又は、ＮＯｘ吸蔵量が上限閾値ｍ２’’以上となる（Ｓ３１０で肯定判定）まで、継続される。その後、Ｓ３１１では、燃料供給総量Σｑ及びパラメータＱは０であるため、肯定判定されＳ３１２へ進むが、そのときパラメータｎは２であるためＳ３１２では肯定判定されることになる。その結果Ｓ３１３へ進み、第３空燃比処理が開始され、その開始時刻が時刻ｔ５となる。

そして、時刻ｔ５においてＳ３１３で第３空燃比処理が開始されると、その後、Ｓ３１４において、燃料供給弁６からの燃料供給量ｑが積算されるとともに（この場合の燃料供給総量Σｑは、第３空燃比処理の開始時点を起点とした総量である）、パラメータＱにＱ２が設定され、再び両触媒利用時空燃比処理がＳ３０１から繰り返される。なお、このＱ２は、上記の通り、第３空燃比処理によってＮＳＲ触媒３から放出、還元が想定される吸蔵ＮＯｘの量に対応する燃料総量、すなわち第３空燃比処理中に排気浄化システムからのＮＯｘ流出量を抑制し得る範囲で、想定される量の吸蔵ＮＯｘを放出、還元するのに必要な燃料総量である。

時刻ｔ５においてはパラメータＰはＯＦＦであるからＳ３０１では肯定判定され、Ｓ３０４へ進む。Ｓ３０４では、ＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵量が下限閾値ｍ２以上であるか否かが判定される。第３空燃比処理中にＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵量が下限閾値ｍ２以上である場合には、Ｓ３０４で肯定判定され、更にＳ３０８で肯定判定されることで、Ｓ３１１の判定に供されることになる。Ｓ３１１では、燃料供給総量Σｑが、Ｑ２以下であるか否かが判定されるが、この目的は、第３空燃比処理が過度に長くなり過ぎエミッションが悪化しないようにするためである。仮に、第３空燃比処理の実行期間が長くなりＳ３１１で否定判定されると、Ｓ３１７での否定判定を経て、Ｓ３２０へ至り燃料供給弁６からの燃料供給を停止する。このＳ３２０での燃料供給の停止により、ＮＳＲ触媒３に流れ込む排気の空燃比は、第２リーン空燃比ＡＦＬ２と同じ空燃比となる。その後、Ｓ３２０において、燃料供給総量Σｑはリセットされて”０”となるとともに、パラメータｎもリセットされて”０”となる。また、パラメータＱもリセットされて”０”となる。更に、パラメータＮＯｘｆに、ＮＯｘｆＮが設定される。このＮＯｘｆＮは、上記の通り、第３空燃比処理後に燃料供給弁６からの燃料供給が停止されて、排気空燃比が第２リーン空燃比ＡＦＬ２と同じ空燃比とされている間に、ＮＳＲ触媒３において増加するＮＯｘ吸蔵量の目標値、すなわちＮＯｘ吸蔵量の増加の観点から燃料供給を停止する期間の長さを決定するための閾値である。一方で、Ｓ３１１で肯定判定されると、Ｓ３１２での肯定判定を経てＳ３１３による第３空燃比処理が継続される。

また、第３空燃比処理中にＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵量が下限閾値ｍ２より小さくなる場合にはＳ３０４で否定判定され、更にその後のＳ３０５で否定判定されることでＳ３０６へ進む。Ｓ３０６では、ＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵量が０以下であるか否かが判定されるが、当該ＮＯｘ吸蔵量は”０”に至っていない場合には、本両触媒利用時空燃比処理は
終了され、再び繰り返される。この間、第３空燃比処理は継続的に実行されている。そして、第３空燃比処理によりＮＯｘ吸蔵量が”０”に至ると、Ｓ３０６で肯定判定され、Ｓ３２０において上述したように第３空燃比処理のための燃料供給弁６からの燃料供給が停止される。そして、Ｓ３２１の処理を経て、両触媒利用時空燃比処理は終了され、再び繰り返される。このようにＳ３０６での肯定判定を経て、Ｓ３２０で第３空燃比処理が停止されＳ３２１の処理が行われた時点が、図７Ａ及び図７Ｂに示す時刻ｔ６となる。したがって、図７Ａ及び図７Ｂは、第３空燃比処理中にＳ３１１で否定判定されることなく、ＮＳＲ触媒３の吸蔵ＮＯｘが０となるまで第３空燃比処理が継続された場合の、各パラメータの推移を表したものである。

なお、図６Ａに示すＳ３０７の処理は、第１空燃比処理によってＮＳＲ触媒３の吸蔵ＮＯｘの放出が行われている間に、その吸蔵ＮＯｘ量がｍ２以下になったときに実行される処理である。この場合、Ｓ３０７で燃料供給が停止され（単位時間当たりの燃料供給量ｑ＝０）、パラメータＱ及び燃料供給総量Σｑが”０”とされ、且つパラメータＮＯｘｆにＮＯｘｆ１が設定され、第１空燃比処理が停止された状態で両触媒利用時空燃比処理が終了する。その後、燃料供給弁６からの燃料供給が停止された状態で、両触媒利用時空燃比処理が再開される。その結果、ＮＯｘ吸蔵増加量ΔＮＯｘがＮＯｘｆ１以上となるか（Ｓ３０９で肯定判定されるか）、ＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵量が上限閾値ｍ２’’以上となる（Ｓ３１０で肯定判定される）までその燃料供給が停止された状態が継続する。そして、ＮＯｘ吸蔵増加量ΔＮＯｘがＮＯｘｆ１以上となるか、又はＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵量が上限閾値ｍ２’’以上となると、Ｓ３１１での肯定判定及びＳ３１２での否定判定を経て、Ｓ３１５の処理によって再び第１空燃比処理が開始されることになる。

ここで、図７Ａ及び図７Ｂに話を戻す。時刻ｔ６では、上記の通り第３空燃比処理が停止され、その後は、ＮＳＲ触媒３には、第２リーン空燃比ＡＦＬ２と同じ空燃比の排気が流入していく。その結果、図７Ａに示すように、ＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵量は時間の経過とともに増加していく。このように時刻ｔ６以降の時期においては、Ｓ３２１でパラメータＰがＯＮに設定されているため、Ｓ３０１で否定判定されＳ３０２の判定が行われる。そして、Ｓ３０２でＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵量が開始基準ＮＯｘ吸蔵量ｍ２’以上と肯定判定されるまでは、燃料供給弁６からの燃料供給停止が継続され、ＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵量は増加していく。そして、Ｓ３０２で肯定判定されると、Ｓ３０３においてパラメータＰにＯＦＦが設定される。

そして、時刻ｔ７以降は、Ｓ３０４での肯定判定及びＳ３０８での否定判定を経て、Ｓ３０９でＮＯｘ吸蔵増加量ΔＮＯｘがＮＯｘｆＮ以上であると判定されると（肯定判定）、Ｓ３１１での肯定判定及びＳ３１２での否定判定を経て、Ｓ３１５により第１空燃比処理が開始される。この第１空燃比処理の開始時刻が時刻ｔ７であり、時刻ｔ７以降は、ＮＳＲ側設定処理によってパラメータｍｄｃａｔに”２”以外が設定されるまで、両触媒利用時空燃比処理が実行され続ける。

このように本実施例の排気浄化システムでは、ＮＳＲ触媒３とＳＣＲ触媒５を利用してＮＯｘ還元を図る場合に、第１空燃比処理と第２空燃比処理とを交互に２回ずつ実行し、その最後の第２空燃比処理に続いて第３空燃比処理を実行している。このように第１空燃比処理と第２空燃比処理を繰り返すことで、ＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵量を低減させ、その際に放出されたＮＯｘをＳＣＲ触媒５が還元するとともに、ＳＣＲ触媒５の銅イオンの価数回復が図られている。その結果、放出ＮＯｘがＳＣＲ触媒５によって好適に還元処理され、システム外に排出されることが抑制される。そして、第３空燃比処理によって、ＮＳＲ触媒３の吸蔵ＮＯｘをＮＳＲ触媒３により還元する直前に、第２空燃比処理が実行されることで、ＳＣＲ触媒５の銅イオンの価数回復により、そのＮＯｘ還元能力も回復されている。したがって、第３空燃比処理により比較的リッチな排気がＮＳＲ触媒３に流入さ
れその吸蔵ＮＯｘの一部が下流に流れ出したとしても、第３空燃比処理の実行開始時においてＮＯｘ吸蔵量が低減されているため、その流出量も少量に抑えられる。また、第３空燃比処理によりＳＣＲ触媒５に流れ込む排気に含まれる酸素量は少ないが、上記の通り、ＮＳＲ触媒３からのＮＯｘの流出量も少なく、且つ、直前の第２空燃比処理によりＳＣＲ触媒５のＮＯｘ還元能力が回復されているため、第３空燃比処理の際に流出してきたＮＯｘをＳＣＲ触媒５によって好適に還元処理することができ、以て、ＮＯｘがシステム外に排出されるのを抑制できる。

したがって、排気浄化システムから外部へのＮＯｘの排出を可及的に抑制するためには、第１空燃比処理の際の燃料供給弁６からの単位時間当たりの燃料供給量αは、下流側のＳＣＲ触媒５により還元処理が可能なＮＯｘの放出量となる燃料供給量であるのが好ましい。また、第３空燃比処理が行われる際にＮＳＲ触媒３から下流側に流出するＮＯｘ量が、還元能力が回復されたＳＣＲ触媒５で還元処理可能な量となるように、第１空燃比処理及び第２空燃比処理の繰り返し回数や、各空燃比処理の継続時間を設定してもよい。

また、上記の第２空燃比処理では、Ｓ３１８において燃料供給弁６からの燃料供給が停止されることで、第２リーン空燃比ＡＦＬ２が形成されている。この態様に代えて、Ｓ３１８において、ＳＣＲ触媒５の銅イオンの価数回復が可能となる範囲で、燃料供給弁６からの燃料供給量を上記αよりも少ない量に調整することで、ＳＣＲ触媒５に流入する排気空燃比を第１リーン空燃比ＡＦＬ１よりもリーン側の空燃比としてもよい。

本実施例の内燃機関１の排気浄化システムで実行されるＮＳＲ触媒に流れ込む排気の空燃比処理の第２の実施例について、図８〜図１０に基づいて説明する。図８は、第２の実施例に係る空燃比処理に関するＮＳＲ側設定処理のフローチャートである。また、図９は、第２の実施例に係る空燃比処理であって、上記両触媒利用時空燃比処理とは異なる空燃比処理であるＳＣＲ高温時空燃比処理のフローチャートである。図１０は、図９に示すＳＣＲ高温時空燃比処理が実行されたときの、ＮＯｘ還元に関する各パラメータの推移を示す図である。また、ＳＣＲ高温時空燃比処理も、ＥＣＵ２０に格納された制御プログラムにより所定の間隔で繰り返し実行され、且つ、ＮＳＲ側設定処理やＳＣＲ側設定処理に対して独立して実行される。

先ず、図８に基づいて、本実施例に係るＮＳＲ側設定処理について説明する。なお、本実施例のＮＳＲ側設定処理に含まれる各処理のうち、図４に示すＮＳＲ側設定処理に含まれる処理と実質的に同一の処理については、同一の参照番号を付してその詳細な説明を省略する。本実施例のＮＳＲ側設定処理では、Ｓ１０４で肯定判定されるとＳ４０１へ進む。そして、Ｓ４０１では、ＳＣＲ触媒５の触媒温度が、図２Ｂに示す切替ＳＣＲ閾温度ＴＳ３より低いか否かが判定される。Ｓ４０１で肯定判定されると、ＳＣＲ触媒５の触媒温度が所定のＳＣＲ温度範囲に属しているがそのＮＯｘ還元能力は相対的に低い状態にあることを意味し、以て、Ｓ１０５の処理へ進み、パラメータｍｄｃａｔに”２”が設定される。一方で、Ｓ４０１で否定判定されると、ＳＣＲ触媒５の触媒温度が所定のＳＣＲ温度範囲に属し且つそのＮＯｘ還元能力は相対的に高い状態にあることを意味し、以て、Ｓ４０２の処理へ進み、パラメータｍｄｃａｔに”５”が設定される。

図８に示したＮＳＲ側設定処理と図４に示したＳＣＲ側設定処理によれば、ＮＳＲ触媒３については、設定されたパラメータｍｄｃａｔの値に応じて、燃料供給弁６からの燃料供給を介した空燃比処理が実行される。ｍｄｃａｔに、”０”、”１”、”２”が設定されている場合は、上記実施例１に示した通りである。

更に、パラメータｍｄｃａｔに”５”が設定されている場合には、上記のようにＳＣＲ
触媒５の触媒温度が所定のＳＣＲ温度範囲に属し且つそのＮＯｘ還元能力は相対的に高い状態にあることを踏まえ、ＮＯｘの還元に関し、ＮＳＲ触媒３によるＮＯｘ還元は行わずにＳＣＲ触媒５によるＮＯｘ還元を行うこととする。すなわち、パラメータｍｄｃａｔに”５”が設定されている場合には、ＳＣＲ触媒５を主体としてＮＯｘの還元を行うこととする。これは、ＮＳＲ触媒３によるＮＯｘ還元を行うためには、ＮＳＲ触媒３に流れ込む排気空燃比を理論空燃比よりリッチ側の所定のリッチ空燃比とする必要があるため、その際にＳＣＲ触媒５によるＮＯｘ還元能力を生かすには、上述した両触媒利用時空燃比処理のように、ＳＣＲ触媒５の銅イオンの価数をＮＯｘ還元が可能となるように制御する必要がある。一方で、ＳＣＲ触媒５の触媒温度が切替ＳＣＲ閾温度ＴＳ３以上である場合には、ＳＣＲ触媒５のＮＯｘ還元能力が良好であるため、仮にＮＳＲ触媒３の触媒温度が所定のＮＳＲ温度範囲に属していたとしてもＳＣＲ触媒５のみで、十分に内燃機関１から排出されるＮＯｘの還元浄化に対応できる。更に、ＮＳＲ触媒３によるＮＯｘ還元を行わないようにすることで、排気空燃比を所定のリッチ空燃比にすることで生じる燃料成分のシステム外への排出も抑制できる。

しかしながら、ＳＣＲ触媒５によるＮＯｘ還元を行う場合には、ＳＣＲ触媒５に流れ込む排気空燃比が、ＳＣＲ触媒５の銅イオンの価数が連続的に回復できる程度に酸素を含むリーン空燃比（理論空燃比よりリーン側の空燃比）であるのが好ましいが、その場合、ＳＣＲ触媒５の上流側に配置されるＮＳＲ触媒３には、排気中のＮＯｘが許容量まで吸蔵されてしまうことになる。このようなＮＳＲ触媒３の状態で、内燃機関１の機関負荷が増加する等して排気温度が上昇すると、ＳＣＲ触媒５で還元処理できない程度に吸蔵ＮＯｘが急激にＮＳＲ触媒３から放出されてしまう虞がある。

そこで、このような課題を踏まえ、パラメータｍｄｃａｔに”５”が設定されている場合には、図９に示すＳＣＲ高温時空燃比処理が実行される。また、当該ＳＣＲ高温時空燃比処理が実行されている際の、ＮＯｘ還元に関連する各種パラメータの推移を、図１０に示している。具体的には、図１０には、ＮＳＲ触媒３へ流入する排気の空燃比（実線Ｌ５で示される推移）及びＮＳＲ触媒３から流出する排気の空燃比（破線Ｌ６で示される推移）、ＮＳＲ触媒３におけるＮＯｘ吸蔵量、ＮＯｘ吸蔵増加量ΔＮＯｘ、燃料供給総量Σｑ、ＮＳＲ触媒３の下流のＮＯｘ濃度、ＳＣＲ触媒５の下流のＮＯｘ濃度の各推移を示している。なお、本実施例の各パラメータの定義は、上記実施例１の各パラメータの定義と同じである。

先ず、Ｓ５０１では、ＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵量が、後述のＳ５０６による第４空燃比処理が実行される際に、燃料供給弁６から供給された燃料がＮＳＲ触媒３でのＮＯｘ還元反応に供されずに、その下流に流れ出てしまうのを抑制するために必要とされる、ＮＯｘ吸蔵量の下限値である下限閾値ｍ５以上であるか否かが判定される。Ｓ５０１で肯定判定されるとＳ５０２へ進み、否定判定されるとＳ５０８へ進む。

次に、Ｓ５０２では、単位時間当たりの燃料供給量ｑが０より大きいか否か、すなわち、燃料供給弁６から燃料供給を行っているか否かが判定される。Ｓ５０２で肯定判定されるとＳ５０５へ進み、否定判定されるとＳ５０３へ進む。Ｓ５０３では、ＮＯｘ吸蔵増加量ΔＮＯｘが、ＮＯｘｆの設定値以上であるか否かが判定される。Ｓ５０３で肯定判定されるとＳ５０５へ進み、否定判定されるとＳ５０４へ進む。Ｓ５０４では、ＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵量が、ＳＣＲ高温時空燃比処理が実行されている際の、ＮＯｘ吸蔵量の実質的な上限値である上限閾値ｍ５’以上であるか否かが判定される。Ｓ５０４で肯定判定されるとＳ５０５へ進み、否定判定されるとＳＣＲ高温時空燃比処理を終了する。

次に、Ｓ５０５では、燃料供給総量Σｑが、パラメータＱの設定値以下であるか否かが判定される。ここで、ＳＣＲ高温時空燃比処理では、パラメータＱに設定される値は、後
述のＳ５０７で設定されるＱ３と、後述のＳ５０９で設定される”０”の何れかである。これらの設定値は、燃料供給弁６からの燃料供給総量Σｑが、想定する量の吸蔵ＮＯｘをＮＳＲ触媒３から放出させたか否かを判定するためのものであり、その詳細については後述する。Ｓ５０５で肯定判定されるとＳ５０６へ進み、否定判定されるとＳ５０８へ進む。

そして、Ｓ５０６では、燃料供給弁６からの燃料供給を実行し、その単位時間当たりの燃料供給量ｑはγとされる。このＳ５０６での燃料供給により、ＮＳＲ触媒３に流れ込む排気の空燃比は第４リーン空燃比ＡＦＬ４となる。当該第４リーン空燃比ＡＦＬ４は、理論空燃比よりリーン側の空燃比であるがＮＳＲ触媒３の吸蔵ＮＯｘを放出可能とする空燃比であり、例えば、１６程度の空燃比である。したがって、当該第４リーン空燃比ＡＦＬ４の排気を形成するＳ５０６の処理は、本発明の第４空燃比処理に相当する。そして、Ｓ５０６の処理後に、Ｓ５０７では、Ｓ５０６で供給された燃料量が積算されて、燃料供給総量Σｑが更新されるとともに、パラメータＱに、Ｑ３が設定される。このＱ３は、第４空燃比処理によりＮＳＲ触媒３から放出されるＮＯｘ吸蔵量に対応する、燃料の供給総量である。Ｓ５０７の処理後、ＳＣＲ高温時空燃比処理を終了する。

ここで、Ｓ５０５で否定判定された後に、又はＳ５０１で否定判定された後にＳ５０８へ進むと、Ｓ５０８では、燃料供給弁６からの燃料供給を停止する。したがって、その際の単位時間当たりの燃料供給量ｑは”０”となる。このＳ５０８での燃料供給の停止により、ＮＳＲ触媒３に流れ込む排気の空燃比は、上記Ｓ５０６で形成される排気空燃比の第４リーン空燃比ＡＦＬ４よりも更にリーン側の空燃比である第５リーン空燃比ＡＦＬ５となる。したがって、当該第５リーン空燃比ＡＦＬ５の排気を形成するＳ５０８の処理は、本発明の第５空燃比処理に相当する。なお第５リーン空燃比ＡＦＬ５は、例えば約２４程度である。そして、Ｓ５０８の処理後に、Ｓ５０９では、燃料供給総量Σｑは”０”とされ、パラメータＱは”０”とされ、パラメータＮＯｘｆは、ＮＯｘｈとされる。当該ＮＯｘｈは、Ｓ５０８による第５空燃比処理が行われている間に、ＮＳＲ触媒３において増加するＮＯｘ吸蔵量の目標値であり、第５空燃比処理によりＳＣＲ触媒５の銅イオンの価数回復に必要な継続期間を少なくとも確保するための設定値である。

なお、ＮＯｘ吸蔵増加量ΔＮＯｘ、燃料供給総量Σｑ、単位時間当たりの燃料供給量ｑ、Ｑは、ＮＳＲ側設定処理によってパラメータｍｄｃａｔの値が変更されればリセットされる。具体的には、リセットにより、ＮＯｘ吸蔵増加量ΔＮＯｘは”０”にされ、燃料供給総量Σｑは”０”にされ、単位時間当たりの燃料供給量ｑは”０”にされ、パラメータＱは”０”にされる。更に、イグニッションオンにより内燃機関１が始動された時も、これらのパラメータはリセットされる。

ここで、図９に示すＳＣＲ高温時空燃比処理の流れについて、図１０に示すＮＯｘ還元に関連するパラメータの推移に基づいて説明する。ここで、図１０には、ＳＣＲ高温時空燃比処理が実行されているときの代表的な時刻としてｔ１１〜ｔ１５が例示されている。以下、時間の経過に沿って、ＳＣＲ高温時空燃比処理の流れについて説明する。

先ず、時刻ｔ１１に至るまでの期間においては、ＮＳＲ側設定処理により、パラメータｍｄｃａｔが”０”に設定されている。そのため、ＮＳＲ触媒３には内燃機関１から排出される排気がそのまま流れ込むため、その排気空燃比は理論空燃比よりリーン側のＡＦＬ５と同じ空燃比（空燃比は２４程度）となり、また、ＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵量は時間の経過とともに増加している（なお、図１０のＮＯｘ吸蔵量の推移において示されるＭは、ｍｄｃａｔに”１”が設定された場合に、排気空燃比を所定のリッチ空燃比とするためのトリガとなる閾値である）。このときＳＣＲ触媒５は、その触媒温度が所定のＳＣＲ温度範囲に属しており、ＳＣＲ側設定処理により尿素添加要求がＯＮとされ、添加弁７から
の尿素水添加が行われているものとする。このように時刻ｔ１１に至るまでの期間ではＳＣＲ高温時空燃比処理は実行されていないため、ＮＯｘ吸蔵増加量ΔＮＯｘ、燃料供給総量Σｑは０である。このような状況において、ＮＳＲ触媒３によって排気中のＮＯｘの吸蔵が行われるため、その下流側のＮＯｘ濃度は低く、また、ＳＣＲ触媒５においては添加弁７により添加される尿素水によってアンモニアを還元剤としたＮＯｘ還元が行われるため、その下流側のＮＯｘ濃度も低くなっている。

そして、時刻ｔ１１において、ＮＳＲ側設定処理によりパラメータｍｄｃａｔが”５”に設定されると、ＳＣＲ高温時空燃比処理が開始されることになる。この開始時点においては、ＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵量はｍ５以上であるからＳ５０１では肯定判定される。また、燃料供給弁６からの燃料供給は開始されていないためＳ５０２では否定判定されるが、次のＳ５０３では、ＮＯｘ吸蔵増加量ΔＮＯｘは”０”であってパラメータＮＯｘｆも”０”であるため肯定判定されることになる。更に、次のＳ５０５では、燃料供給総量Σｑは”０”であってパラメータＱも”０”であるため肯定判定される。この結果、時刻ｔ１１では、Ｓ５０６により第４空燃比処理が開始されることになり、このときＮＳＲ触媒３に流れ込む排気空燃比は、第４リーン空燃比ＡＦＬ４となる。その後、Ｓ５０７において、燃料供給弁６からの燃料供給量ｑが積算されるとともに、パラメータＱにＱ３が設定される。このＱ３は、上記の通り、第４空燃比処理によってＮＳＲ触媒３から放出が想定される吸蔵ＮＯｘの量に対応する燃料総量、すなわち第４空燃比処理中に排気浄化システムからのＮＯｘ流出量を抑制し得る範囲で、想定される量の吸蔵ＮＯｘを放出するのに必要な燃料総量である。

Ｓ５０７の処理が終了すると再びＳＣＲ高温時空燃比処理がＳ５０１から繰り返される。そのため、時刻ｔ１１で第４空燃比処理が開始された以降では、Ｓ５０１で肯定判定された後、Ｓ５０２での肯定判定を経てＳ５０５へと至る。そして、燃料供給総量Σｑは第４空燃比処理により増加しているもののまだ上記Ｓ５０７で設定されたＱ３には至っていないため、Ｓ５０５では肯定判定され、順次Ｓ５０６、Ｓ５０７の処理が行われる。

以上より、時刻ｔ１１以降であって後述の時刻ｔ１２に至るまでは、第４空燃比処理が継続されることでＮＳＲ触媒３の吸蔵ＮＯｘが放出されていくため、ＮＯｘ吸蔵量は低減していく。この放出されたＮＯｘは、排気空燃比が理論空燃比よりもリーン側の第４リーン空燃比であるからＮＳＲ触媒３では還元されず、ＳＣＲ触媒５に流れ込んでいく。なお、ＮＳＲ触媒３に流れ込む排気空燃比が第４リーン空燃比とされても直ちにはＮＳＲ触媒３から流れ出す排気空燃比（すなわち、ＳＣＲ触媒５に流れ込む排気空燃比）は第４リーン空燃比には近づかない（破線Ｌ６の推移を参照）。また、ＳＣＲ触媒５の触媒温度も、切替ＳＣＲ閾温度ＴＳ３以上であるため、そのＮＯｘ還元能力は高く維持されている。このとき、ＳＣＲ触媒５においては、ＮＯｘを連続的に還元できる排気空燃比の状態が維持されており、ＮＳＲ触媒３から放出されたＮＯｘはＳＣＲ触媒５によって好適に還元されることになる。

そして、第４空燃比処理がある程度継続されると、ＳＣＲ触媒５に流れ込む排気空燃比も第４リーン空燃比ＡＦＬ４となる。第４リーン空燃比ＡＦＬ４は理論空燃比よりリーン側の空燃比といえども、第４空燃比処理によって燃料供給弁６から燃料供給が行われることで形成される空燃比であるから、ＳＣＲ触媒５の銅イオンの価数回復が円滑に進みにくくなり、結果としてＳＣＲ触媒５によるＮＯｘ還元能力が低下してくる。そこで、本実施例では、燃料供給総量ΣｑがＳ５０７で設定されたＱ３を超えたときに第４空燃比処理が終了とされるようにＳ５０５において否定判定されることになる。そして、図１０において、Ｓ５０５で燃料供給総量ΣｑがＱ３を超えたことで否定判定された時刻が、ｔ１２とされる。

また別法として、空燃比センサ１０によって検出されるＮＳＲ触媒３から流出する排気空燃比が第４リーン空燃比ＡＦＬ４となったときに、ＳＣＲ触媒５によるＮＯｘ還元能力が低下し時刻ｔ１２が到来したと判定してもよい。更に別法として、ＮＯｘセンサ１１、１３から算出されるＳＣＲ触媒５によるＮＯｘ浄化率が基準となる浄化率を下回った場合に、ＳＣＲ触媒５によるＮＯｘ還元能力が低下し時刻ｔ１２が到来したと判定してもよい。更に別法として、ＮＯｘセンサ１３の検出値が、ＳＣＲ触媒５でのＮＯｘ還元効率の低下に起因したＳＣＲ触媒５からの流出ＮＯｘに関連する基準ＮＯｘ濃度を超えた場合に、ＳＣＲ触媒５によるＮＯｘ還元能力が低下し時刻ｔ１２が到来したと判定してもよい。

そこで、Ｓ５０５で否定判定された結果、時刻ｔ１２では、Ｓ５０８により第５空燃比処理が開始されることになり、このときＮＳＲ触媒３に流れ込む排気空燃比は、第５リーン空燃比ＡＦＬ５となる。その後、Ｓ５０９において、燃料供給総量Σｑはリセットされて”０”となるとともに、パラメータＱもリセットされて”０”となる。

Ｓ５０９の処理が終了すると再びＳＣＲ高温時空燃比処理がＳ５０１から繰り返される。そのため、時刻ｔ１２で第５空燃比処理が開始された以降では、ＮＳＲ触媒３の吸蔵ＮＯｘ量は増加していくため、Ｓ５０１でも肯定判定される。その後、燃料供給弁６からの燃料供給が停止されているためＳ５０２では否定判定され、次のＳ５０３では、直近の燃料供給停止時刻である時刻ｔ１２からのＮＯｘ吸蔵増加量ΔＮＯｘが、ＮＯｘｈ以上であるか否かが判定されることになる。したがって、時刻ｔ１２以降に第５空燃比処理が継続される期間が短い場合には、ＮＯｘ吸蔵増加量ΔＮＯｘはＮＯｘｈにはまだ至らないため、その場合、Ｓ５０４へ進むことになる。そして、Ｓ５０４で、ＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵量に基づいた判定が行われる。このような構成により、ＮＯｘ吸蔵増加量ΔＮＯｘはＮＯｘｈに到達しておらず、且つ、ＮＯｘ吸蔵量が上限閾値ｍ５’より小さい場合に、ＳＣＲ高温時空燃比処理が一度終了され、再び開始される、すなわち第５空燃比処理が継続されることになる。

一方で、第５空燃比処理の継続時間がある程度長くなりＮＯｘ吸蔵増加量ΔＮＯｘがＮＯｘｈに到達し（Ｓ５０３で肯定判定）、又は、ＮＯｘ吸蔵量が上限閾値ｍ５’以上となった（Ｓ５０４で肯定判定）場合には、Ｓ５０５以降の処理が行われその第５空燃比処理が停止されることになる。すなわち、本実施例では、第５空燃比処理の継続時間は、第５空燃比処理によってＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵量の増加量が予め決められた量（ＮＯｘｈ）に至るまでの時間か、又は、ＮＯｘ吸蔵量そのものが過度に増加しないように設定された量（ｍ５’）に至るまでの時間とされる。なお別法として、第５空燃比処理の実行とともに空燃比センサ１０によって検出されるＮＳＲ触媒３から流出する排気空燃比が第５リーン空燃比ＡＦＬ５となったときに、第５空燃比処理を停止し、Ｓ５０５以降の処理が行われるようにしてもよい。そして、Ｓ５０５に進んだ時点では、燃料供給総量Σｑ及びパラメータＱは”０”であるためＳ５０５では肯定判定される。その結果Ｓ５０６へ進むことで第５空燃比処理を終了し、続いて２度目の第４空燃比処理が開始され、その開始時刻が時刻ｔ１３となる。なお、図１０では、ＮＯｘ吸蔵増加量ΔＮＯｘがＮＯｘｈに到達したことをもって、時刻ｔ１３が到来している。

そして、時刻ｔ１３においてＳ５０６で２度目の第４空燃比処理が開始されると、その後、Ｓ５０７において、燃料供給弁６からの燃料供給量ｑが積算されるとともに（この場合の燃料供給総量Σｑは、２度目の第４空燃比処理の開始時点を起点とした総量である）、パラメータＱにＱ３が設定され、再びＳＣＲ高温時空燃比処理がＳ５０１から繰り返される。その後の２度目の第４空燃比処理については、上述した１度目の第１空燃比処理とは異なり、燃料供給総量ΣｑがＳ５０７で設定されたＱ３を超える前に、Ｓ５０１でＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵量が下限閾値ｍ５より少なくなったと判定されたため（Ｓ５０１で否定判定）、Ｓ５０１で否定判定された時点（時刻ｔ１４）でＳ５０８へ進み、２度目の
第５空燃比処理が開始される。

そして、時刻ｔ１４においてＳ５０８で２度目の第２空燃比処理が開始されると、その後、Ｓ５０９において、燃料供給総量Σｑはリセットされて”０”となるとともに、パラメータＱもリセットされて”０”となる。なお、パラメータＮＯｘｆには、ＮＯｘｈが設定される。そして、再びＳＣＲ高温時空燃比処理がＳ５０１から繰り返される。その後の２度目の第５空燃比処理については、上述した１度目の第５空燃比処理と同じように、ＮＯｘ吸蔵増加量ΔＮＯｘがＮＯｘｈに到達し（Ｓ５０３で肯定判定）、又は、ＮＯｘ吸蔵量が上限閾値ｍ５’以上となる（Ｓ５０４で肯定判定）まで、継続される。その後、Ｓ５０５では、燃料供給総量Σｑ及びパラメータＱは”０”であるため、肯定判定されＳ５０６へ進み、３度目の第４空燃比処理が開始され、その開始時刻が時刻ｔ１５となる。

そして、時刻ｔ１５以降においては、ＮＳＲ側設定処理によってパラメータｍｄｃａｔに”５”以外の値が設定されるまで、上述したように第４空燃比処理と第５空燃比処理が交互に繰り返されることになる。

このように本実施例の内燃機関１の排気浄化システムでは、ＮＳＲ触媒３とＳＣＲ触媒５を利用してＮＯｘ還元を図る場合に、ＳＣＲ触媒５の触媒温度が相対的に低い状態にある場合には、実施例１で示した両触媒利用時空燃比処理が実行され、上述したように、第１空燃比処理と第２空燃比処理の繰り返しによりＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵量を低減させることで、第３空燃比処理の際に流出してきたＮＯｘをＳＣＲ触媒５によって好適に還元処理することができ、以て、ＮＯｘがシステム外に排出されるのを抑制できる。また、ＳＣＲ触媒５の触媒温度が相対的に高い状態にある場合には、本実施例で示したＳＣＲ高温時空燃比処理が実行される。ＳＣＲ高温時空燃比処理が実行されている際には、第４空燃比処理と第５空燃比処理が交互に繰り返し実行されている。そのため、ＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵量を低減させ、その際に放出されたＮＯｘをＳＣＲ触媒５が還元するとともに、ＳＣＲ触媒５の銅イオンの価数回復が図られている。その結果、放出ＮＯｘがＳＣＲ触媒５によって好適に連続的に還元処理され、システム外に排出されることが抑制される。この結果、ＳＣＲ触媒５による主体的なＮＯｘ還元を行いながら、ＮＳＲ触媒３のＮＯｘ吸蔵量を、内燃機関の負荷増加等に影響されにくい比較的少ない量に維持することができる。

したがって、排気浄化システムから外部へのＮＯｘの排出を可及的に抑制するためには、第４空燃比処理の際の燃料供給弁６からの単位時間当たりの燃料供給量γは、下流側のＳＣＲ触媒５により還元処理が可能なＮＯｘの放出量となる燃料供給量であるのが好ましい。

また、上記の第５空燃比処理では、Ｓ５０８において燃料供給弁６からの燃料供給が停止されることで、第５リーン空燃比ＡＦＬ５が形成されている。この態様に代えて、Ｓ５０８において、ＳＣＲ触媒５の銅イオンの価数回復が可能となる範囲で、燃料供給弁６からの燃料供給量を上記γよりも少ない量に調整することで、ＳＣＲ触媒５に流入する排気空燃比を第４リーン空燃比ＡＦＬ４よりもリーン側の空燃比としてもよい。

１・・・・内燃機関
２・・・・排気通路
３・・・・ＮＳＲ触媒
５・・・・ＳＣＲ触媒
６・・・・燃料供給弁
７・・・・添加弁
１０・・・・空燃比センサ
１１、１３・・・・ＮＯｘセンサ
１２、１４・・・・温度センサ
２０・・・・ＥＣＵ
２１・・・・クランクポジションセンサ
２２・・・・アクセル開度センサ

Claims (7)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒であるＮＳＲ触媒と、
   前記ＮＳＲ触媒に流れ込む排気に燃料を供給し、その排気空燃比を調整する燃料供給手段と、
   前記排気通路において前記ＮＳＲ触媒の下流側に設けられ、アンモニアを還元剤としてＮＯｘを選択還元するＳＣＲ触媒と、
   前記ＳＣＲ触媒に流れ込む排気にアンモニア又はアンモニアの前駆体を添加剤として添加する添加手段と、
   前記ＮＳＲ触媒の温度が、該ＮＳＲ触媒によりＮＯｘ還元が可能となる所定のＮＳＲ温度範囲に属し、且つ、前記ＳＣＲ触媒の温度が、該ＳＣＲ触媒によりＮＯｘ還元が可能となる所定のＳＣＲ温度範囲に属している場合に、前記添加手段により前記添加剤を添加するとともに、前記燃料供給手段によって該ＮＳＲ触媒に流れ込む排気の空燃比に関する所定の空燃比処理を実行する、還元制御手段と、
   を備える内燃機関の排気浄化システムであって、
   前記所定の空燃比処理は、
   前記燃料供給手段による燃料供給によって、前記ＮＳＲ触媒に流れ込む排気の空燃比を、理論空燃比よりリーン側の空燃比であって、該ＮＳＲ触媒から吸蔵されたＮＯｘを放出させる第１リーン空燃比とする第１空燃比処理と、
   前記燃料供給手段による燃料供給を調整することで、前記ＮＳＲ触媒に流れ込む排気の空燃比を、前記第１リーン空燃比よりリーン側の第２リーン空燃比とする第２空燃比処理と、
   前記燃料供給手段による燃料供給によって、前記ＮＳＲ触媒に流れ込む排気の空燃比を、該ＮＳＲ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元するために理論空燃比よりリッチ側の所定のリッチ空燃比とする第３空燃比処理と、
   を含み、
   前記還元制御手段は、前記所定の空燃比処理において、前記第１空燃比処理の後に前記第２空燃比処理を実行するとともに、前記第３空燃比処理を、該第１空燃比処理及び該第２空燃比処理の後に、且つ、該第２空燃比処理に続いて実行する、
   内燃機関の排気浄化システム。
2. 前記還元制御手段は、前記所定の空燃比処理において、前記第１空燃比処理と前記第２空燃比処理とを交互に繰り返し、その最後の該第２空燃比処理に続いて前記第３空燃比処理を実行する、
   請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システム。
3. 前記還元制御手段は、
   前記ＮＳＲ触媒の温度が、前記所定のＮＳＲ温度範囲に属し、且つ、前記ＳＣＲ触媒の温度が、前記所定のＳＣＲ温度範囲のうち切替ＳＣＲ閾温度より低い温度範囲に属する場合には、前記添加手段により前記添加剤を添加するとともに、前記燃料供給手段によって前記所定の空燃比処理を実行し、
   前記ＮＳＲ触媒の温度が、前記所定のＮＳＲ温度範囲に属し、且つ、前記ＳＣＲ触媒の温度が、前記所定のＳＣＲ温度範囲のうち前記切替ＳＣＲ閾温度以上である温度範囲に属する場合には、前記添加手段により前記添加剤を添加するとともに、前記燃料供給手段によって、該ＮＳＲ触媒に流れ込む排気の空燃比に関する、前記所定の空燃比処理とは異なるＳＣＲ高温時空燃比処理を実行し、
   前記ＳＣＲ高温時空燃比処理は、
   前記燃料供給手段による燃料供給によって、前記ＮＳＲ触媒に流れ込む排気の空燃比を、理論空燃比よりリーン側の空燃比であって、該ＮＳＲ触媒から吸蔵されたＮＯｘを放出させる第４リーン空燃比とする第４空燃比処理と、
   前記燃料供給手段による燃料供給を調整することで、前記ＮＳＲ触媒に流れ込む排気の空燃比を、前記第４リーン空燃比よりリーン側の第５リーン空燃比とする第５空燃比処理と、
   を含み、
   前記還元制御手段は、前記ＳＣＲ高温時空燃比処理において、前記第４空燃比処理と前記第５空燃比処理を交互に繰り返す、
   請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
4. 前記還元制御手段は、前記第２空燃比処理において、前記燃料供給手段による燃料供給を停止することで、前記ＮＳＲ触媒に流れ込む排気の空燃比を前記第２リーン空燃比とする、
   請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
5. 前記還元制御手段は、前記第２空燃比処理において前記ＮＳＲ触媒から流出する排気の空燃比が前記第２リーン空燃比又は該第２リーン空燃比近傍の空燃比になると、該第２空燃比処理を停止する、
   請求項４に記載の内燃機関の排気浄化システム。
6. 前記還元制御手段は、前記第５空燃比処理において、前記燃料供給手段による燃料供給を停止することで、前記ＮＳＲ触媒に流れ込む排気の空燃比を前記第５リーン空燃比とする、
   請求項３に記載の内燃機関の排気浄化システム。
7. 前記還元制御手段は、前記所定の空燃比処理において、前記第１空燃比処理中に前記ＳＣＲ触媒によるＮＯｘ浄化率が所定の浄化率閾値を下回ったときに、該第１空燃比処理を前記第２空燃比処理に切り替え、その後該第２空燃比処理を所定期間継続する、
   請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の排気浄化システム。

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