JPWO2013035155A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

吸蔵還元型ＮＯx触媒よりも下流に選択還元型ＮＯx触媒を備えている場合において、吸蔵還元型ＮＯx触媒の劣化にかかわらず、排気浄化装置全体でのＮＯx浄化性能を維持する。このため、吸蔵還元型ＮＯx触媒または選択還元型ＮＯx触媒の劣化の程度が低いときには高いときよりも、吸蔵還元型ＮＯx触媒でのＮＯxの還元を促進させ、吸蔵還元型ＮＯx触媒または選択還元型ＮＯx触媒の劣化の程度が高いときには低いときよりも、選択還元型ＮＯx触媒でのＮＯxの還元を促進させる。

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
内燃機関の排気通路に吸蔵還元型ＮＯx触媒（以下、ＮＳＲ触媒ともいう。）を配置する技術が知られている。このＮＳＲ触媒は、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還元剤が存在するときは吸蔵していたＮＯxを還元する。
このＮＳＲ触媒には、燃料に含まれる硫黄成分が燃焼して生成される硫黄酸化物（ＳＯx）もＮＯxと同様に吸蔵される。このように吸蔵されたＳＯxはＮＯxよりも放出されにくく、ＮＳＲ触媒内に蓄積される。これを硫黄被毒という。この硫黄被毒によりＮＳＲ触媒でのＮＯx浄化率が低下するため、適宜の時期に硫黄被毒回復処理を施す必要がある。この硫黄被毒回復処理は、ＮＳＲ触媒を高温にし、且つ酸素濃度を低下させた排気をＮＳＲ触媒に流通させて行われる。
ここで、排気浄化触媒に燃料を間欠的に供給して該排気浄化触媒の硫黄被毒を回復させるときに、排気浄化触媒の劣化度合いが大きいほど、燃料の供給時間を長くする技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
また、ＮＯx触媒に吸蔵されているＳＯxを脱着させる際に、ＮＯx触媒の劣化度合いに基づいて演算されるＮＯx触媒に吸蔵されているＳＯx量に応じて、内燃機関の運転状態を制御する技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
また、内燃機関の気筒群毎に設けられる複数の排気通路の集合部よりも下流に設けられるＮＯx触媒の硫黄被毒が検出されたときに、複数の排気通路にそれぞれ設けられる排気浄化触媒の温度に応じて内燃機関の各気筒群の運転を個別に制御することで、ＮＯx触媒から硫黄成分を放出させる技術が知られている（例えば、特許文献３参照。）。
ところで、ＮＳＲ触媒よりも下流側に、選択還元型ＮＯx触媒（以下、ＳＣＲ触媒ともいう。）を設けることができる。このＳＣＲ触媒は、還元剤によりＮＯxを選択還元する触媒である。このＳＣＲ触媒におけるＮＯx浄化率は、ＮＳＲ触媒の状態の影響を受ける。すなわち、ＮＳＲ触媒にてＳＣＲ触媒の還元剤となるＮＨ３が生成されるが、ＮＳＲ触媒の状態によってＮＨ３の生成量が変化する。
ここで、従来技術では、ＮＳＲ触媒よりも下流側にＳＣＲ触媒を備えている場合の該ＮＳＲ触媒の硫黄被毒回復処理については言及されていない。このため、ＮＳＲ触媒の硫黄被毒回復が適切に行われない虞がある。これにより、ＳＣＲ触媒の浄化能力を発揮できない虞がある。
特開２００５−１０５８７１号公報 特開２００８−０４５４７９号公報 特開平１１−１１７７８６号公報
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、吸蔵還元型ＮＯx触媒よりも下流に選択還元型ＮＯx触媒を備えている場合において、吸蔵還元型ＮＯx触媒の劣化にかかわらず、排気浄化装置全体でのＮＯx浄化性能を維持することにある。
上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化装置は、
内燃機関の排気通路に設けられ、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還元剤が存在するときは吸蔵していたＮＯxを還元する吸蔵還元型ＮＯx触媒と、
前記吸蔵還元型ＮＯx触媒よりも下流の排気通路に設けられてＮＯxを選択還元する選択還元型ＮＯx触媒と、
前記吸蔵還元型ＮＯx触媒または前記選択還元型ＮＯx触媒の劣化の程度を検知する検知部と、
前記検知部により検知される劣化の程度が低いときには高いときよりも、前記吸蔵還元型ＮＯx触媒でのＮＯxの還元を促進させ、前記検知部により検知される劣化の程度が高いときには低いときよりも、前記選択還元型ＮＯx触媒でのＮＯxの還元を促進させる制御部と、
を備える。
吸蔵還元型ＮＯx触媒は、例えば、Ｈ２またはＨＣと、ＮＯとを反応させてＮＨ３を生成する。このＮＨ３は、選択還元型ＮＯx触媒において還元剤として用いることができる。
検知部は、吸蔵還元型ＮＯx触媒または選択還元型ＮＯx触媒の劣化の程度と相関関係にある物理量に基づいて、劣化の程度を検知してもよい。また、吸蔵還元型ＮＯx触媒と、選択還元型ＮＯx触媒とでは、劣化の程度に相関関係があるため、何れか一方の触媒の劣化の度合いを検知してもよい。
制御部において、ＮＯxの還元を促進させるとは、ＮＯxを還元し易くしたり、ＮＯxの浄化率を高めたり、ＮＯxの浄化能を高めたり、還元剤の供給量を増加させたりすることを含むことができる。
また、吸蔵還元型ＮＯx触媒は、排気中の硫黄成分により被毒する。ここで、吸蔵還元型ＮＯx触媒は、熱または経年変化などにより劣化してＮＯxの吸蔵能が低下する。そして、吸蔵還元型ＮＯx触媒の熱などによる劣化の程度が低い場合には、ＮＯxの吸蔵能が高いためにＳＯxも吸蔵しやすい。このため、吸蔵還元型ＮＯx触媒で硫黄被毒が発生し易い。これに対し、劣化の程度が低いときには高いときよりも、硫黄被毒回復処理を実施する頻度を高めれば、吸蔵還元型ＮＯx触媒においてＮＯx浄化率が低下することを抑制できる。すなわち、吸蔵還元型ＮＯx触媒の劣化の程度が低いときには高いときよりも、吸蔵還元型ＮＯx触媒におけるＮＯxの還元を促進させることにより、ＮＯxの浄化率を高めることができる。
また、吸蔵還元型ＮＯx触媒の劣化の程度が低いときには、吸蔵還元型ＮＯx触媒におけるＮＨ３の生成能が高い。これにより、選択還元型ＮＯx触媒にて必要となる量よりも多い量のＮＨ３が生成される虞がある。これに対して、ＮＨ３の生成を抑制することにより、ＮＨ３が過剰となることを抑制できる。
一方、吸蔵還元型ＮＯx触媒が劣化すると、ＳＯxの吸蔵能が低下するため、硫黄被毒が発生し難くなる。したがって、硫黄被毒回復処理を実施する頻度を低下させることができる。また、吸蔵還元型ＮＯx触媒が劣化すると、ＮＯxの吸蔵能が低下するため、硫黄被毒回復処理を実施する頻度を低下させたとしても、還元可能なＮＯx量があまり変化しない。したがって、吸蔵還元型ＮＯx触媒においてＮＯxの還元を促進させる必要もない。
また、吸蔵還元型ＮＯx触媒に対して選択還元型ＮＯx触媒は劣化の進行が遅い。したがって、吸蔵還元型ＮＯx触媒が劣化しても、選択還元型ＮＯx触媒においてＮＯxを還元することができる。しかし、吸蔵還元型ＮＯx触媒が劣化すると、ＮＨ３の生成能が低下するため、選択還元型ＮＯx触媒に供給される還元剤が減少し得る。
そこで、吸蔵還元型ＮＯx触媒においてＮＨ３をより多く生成させれば、選択還元型ＮＯx触媒へ還元剤を供給することができるため、選択還元型ＮＯx触媒におけるＮＯx浄化率を高めることができる。すなわち、触媒の劣化の程度が高くなるにしたがって、選択還元型ＮＯx触媒でのＮＯxの還元を促進させることができる。これにより、吸蔵還元型ＮＯx触媒におけるＮＯx浄化率の下降分を、選択還元型ＮＯx触媒におけるＮＯx浄化率の上昇分で補うことができるので、排気浄化装置全体としてのＮＯx浄化率が低下することを抑制できる。
なお、前記制御部は、前記検知部により検知される劣化の程度が高くなるに従い、前記吸蔵還元型ＮＯx触媒でＮＯxの還元が行い難くなり、且つ、前記選択還元型ＮＯx触媒でＮＯxの還元が行い易くなるように、前記吸蔵還元型ＮＯx触媒及び前記選択還元型ＮＯx触媒に還元剤を供給してもよい。また、前記制御部は、前記検知部により検知される劣化の程度が低いほど、前記吸蔵還元型ＮＯx触媒でのＮＯxの還元を促進させ、前記検知部により検知される劣化の程度が高いほど、前記選択還元型ＮＯx触媒でのＮＯxの還元を促進させてもよい。また、検知部により検知される劣化の程度が高くなるにしたがって、吸蔵還元型ＮＯx触媒よりも選択還元型ＮＯx触媒におけるＮＯxの還元の優先度を高くしてもよい。
また、本発明においては、前記制御部は、前記検知部により検知される劣化の程度が高いほど、前記吸蔵還元型ＮＯx触媒に流入する排気中のＮＯx濃度を高くすることができる。
そうすると、吸蔵還元型ＮＯx触媒にてＮＨ３の生成量を増加させることができる。すなわち、排気中のＮＯxが吸蔵還元型ＮＯx触媒にてＨＣまたはＨ２と反応してＮＨ３が生成されるため、ＮＯx濃度を高くすることにより、ＮＨ３の生成量を増加させることができる。これにより、選択還元型ＮＯx触媒に対して、より多くの還元剤を供給することができる。そうすると、選択還元型ＮＯx触媒でのＮＯxの還元を促進させることができる。なお、検知部により検知される劣化の程度が高いほど、吸蔵還元型ＮＯx触媒に流入する排気中のＮＯx量を多くしてもよい。
また、本発明においては、前記制御部は、前記検知部により検知される劣化の程度が高いほど、前記吸蔵還元型ＮＯx触媒の硫黄被毒を回復させる頻度を低下させることができる。
そうすると、燃費の悪化を抑制できる。なお、吸蔵還元型ＮＯx触媒の劣化の程度が高くなれば、ＳＯxが吸蔵されにくくなるため、硫黄被毒回復処理を実施する頻度を低下しても問題はほとんどない。また、検知部により検知される劣化の程度が低いときには、硫黄被毒回復処理を実施する頻度が高いので、吸蔵還元型ＮＯx触媒でのＮＯxの還元を促進させることができる。
また、本発明においては、前記制御部は、前記検知部により検知される劣化の程度が高いほど、前記吸蔵還元型ＮＯx触媒におけるＮＯx還元時またはＮＨ３生成時に供給する還元剤の量を増加させることができる。
そうすると、吸蔵還元型ＮＯx触媒にてＮＨ３の生成量を増加させることができる。すなわち、排気中のＮＯxが吸蔵還元型ＮＯx触媒にてＨＣまたはＨ２と反応してＮＨ３が生成されるため、供給する還元剤の量を増加させることにより、ＮＨ３の生成量を増加させることができる。これにより、選択還元型ＮＯx触媒に、より多くの還元剤を供給することができる。すなわち、選択還元型ＮＯx触媒でのＮＯxの還元を促進させることができる。
本発明によれば、吸蔵還元型ＮＯx触媒よりも下流に選択還元型ＮＯx触媒を備えている場合において、吸蔵還元型ＮＯx触媒の劣化にかかわらず、排気浄化装置全体でのＮＯx浄化性能を維持することができる。
実施例に係る内燃機関と、その吸気系及び排気系との概略構成を示す図である。 内燃機関が搭載される車両の走行距離と、硫黄被毒回復処理を実施する時期との関係を示した図である。 ＮＳＲ触媒が新品のときにおいてＥＧＲガスを供給する運転領域を示した図である。 ＮＳＲ触媒が劣化しているときにおいてＥＧＲガスを供給する運転領域を示した図である。 実施例に係る硫黄被毒回復処理のフローを示したフローチャートである。
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
図１は、本実施例に係る内燃機関と、その吸気系及び排気系との概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、ガソリン機関であるが、ディーゼル機関であってもよい。内燃機関１は、たとえば車両に搭載される。
内燃機関１には、排気通路２が接続されている。この排気通路２の途中には、上流側から順に、三元触媒３、吸蔵還元型ＮＯx触媒４（以下、ＮＳＲ触媒４という。）、選択還元型ＮＯx触媒５（以下、ＳＣＲ触媒５という。）が備えられている。
三元触媒３は、触媒雰囲気が理論空燃比のときにＮＯx，ＨＣおよびＣＯを最大効率で浄化する。また、三元触媒３は、酸素ストレージ能を有している。すなわち、流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときに過剰分の酸素を吸蔵し、流入する排気の空燃比がリッチ空燃比であるときに不足分の酸素を放出することにより、排気を浄化する。
このような酸素ストレージ能の作用により、三元触媒３がＨＣ，ＣＯおよびＮＯxを理論空燃比以外であっても浄化することができる。すなわち、酸素ストレージ能の作用により、三元触媒３がＨＣ，ＣＯおよびＮＯxを所定の割合以上で浄化可能な空燃比の幅（浄化ウィンドウとも称す）を拡げることが可能となる。
また、ＮＳＲ触媒４は、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還元剤が存在するときは吸蔵していたＮＯxを還元する機能を有する。ＮＳＲ触媒４に供給する還元剤には、内燃機関１から排出される未燃燃料であるＨＣまたはＣＯを利用することができる。なお、三元触媒３またはＮＳＲ触媒４を排気が通過するときに、排気中のＮＯxがＨＣまたはＨ２と反応してアンモニア（ＮＨ３）が生成されることがある。
ＳＣＲ触媒５は、還元剤を吸着しておき、ＮＯxが通過するときに、吸着していた還元剤によりＮＯxを選択還元する機能を有する。ＳＣＲ触媒５へ供給する還元剤には、三元触媒３またはＮＳＲ触媒４にて生成されるＮＨ３を利用することができる。
また、三元触媒３よりも下流で且つＮＳＲ触媒よりも上流の排気通路２には、排気の温度を検出する第一温度センサ１１と、排気の空燃比を検出する空燃比センサ１２と、が取り付けられている。なお、第一温度センサ１１により三元触媒３の温度、または、ＮＳＲ触媒４の温度を検出することができる。また、空燃比センサ１２により、内燃機関１の排気の空燃比、または、ＮＳＲ触媒４に流入する排気の空燃比を検出することができる。
また、ＮＳＲ触媒４よりも下流で且つＳＣＲ触媒５よりも上流の排気通路２には、排気の温度を検出する第二温度センサ１３が取り付けられている。なお、第二温度センサ１３によりＮＳＲ触媒４の温度、または、ＳＣＲ触媒５の温度を検出することができる。
また、ＳＣＲ触媒５よりも下流の排気通路２には、排気の温度を検出する第三温度センサ１４が取り付けられている。なお、第三温度センサ１４によりＳＣＲ触媒５の温度を検出することができる。
なお、上記センサは、全て取り付ける必要はなく、適宜選択して取り付けてもよい。
また、内燃機関１には、内燃機関１へ燃料を供給する噴射弁６が取り付けられている。
一方、内燃機関１には、吸気通路７が接続されている。吸気通路７の途中には、内燃機関１の吸入空気量を調整するスロットル８が設けられている。また、スロットル８よりも上流の吸気通路７には、内燃機関１の吸入空気量を検出するエアフローメータ１５が取り付けられている。
また、内燃機関１には、ＥＧＲ装置２０が設けられている。ＥＧＲ装置２０は、ＥＧＲ通路２１及びＥＧＲ弁２２を備えて構成されている。ＥＧＲ通路２１は、三元触媒３よりも上流の排気通路２と、スロットル８よりも下流の吸気通路７と、を接続している。ＥＧＲ弁２２は、ＥＧＲ通路２１の断面積を調整することにより内燃機関１へのＥＧＲガスの供給量を調整する。
以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１を制御する。
また、ＥＣＵ１０には、上記センサの他、運転者がアクセルペダル１６を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検知するアクセル開度センサ１７、および機関回転数を検知するクランクポジションセンサ１８が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ１０に入力される。
一方、ＥＣＵ１０には、噴射弁６及びスロットル８、ＥＧＲ弁２２が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１０により噴射弁６の開閉時期及びスロットル８の開度、ＥＧＲ弁２２の開度が制御される。
例えばＥＣＵ１０は、アクセル開度センサ１７により検出されるアクセル開度とクランクポジションセンサ１８により検出される機関回転数とから要求吸入空気量を決定する。そして、要求吸入空気量を実現するように、スロットル８の開度が制御される。このときに変化する吸入空気量に応じた燃料噴射量を供給するように噴射弁６を制御する。このときに設定される空燃比は、例えば２５であり、以下では通常の空燃比と称する。この通常の空燃比は、内燃機関１の運転状態に応じて設定される空燃比である。本実施例に係る内燃機関１は、リッチスパイク時及び硫黄被毒回復時以外にはリーンバーン運転がなされているため、通常の空燃比はリーン空燃比である。
また、ＥＣＵ１０は、ＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯxの還元処理を実施する。ＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯxの還元時には、噴射弁６から噴射する燃料の量またはスロットル８の開度を調整することにより、ＮＳＲ触媒４に流入する排気の空燃比を所定のリッチ空燃比まで低下させる所謂リッチスパイクを実施する。
このリッチスパイクは、ＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯx量が所定量となった場合に実施される。ＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯx量は、たとえば、ＮＳＲ触媒４に流入するＮＯx量と、ＮＳＲ触媒４から流出するＮＯx量と、の差を積算することにより算出される。ＮＳＲ触媒４に流入するＮＯx量と、ＮＳＲ触媒４から流出するＮＯx量とは、センサを取り付けることにより検出できる。また、所定の時間または所定の走行距離ごとにリッチスパイクを実施してもよい。
また、ＮＳＲ触媒４を硫黄被毒から回復させるために、ＥＣＵ１０は、ＮＳＲ触媒４の硫黄被毒回復処理を実施する。この硫黄被毒回復処理は、ＮＳＲ触媒４の温度を硫黄被毒回復に必要となる温度（例えば６５０℃以上）まで上昇させた後に、空燃比を所定のリッチ空燃比（例えば２５）とすることにより実施される。なお、ＮＳＲ触媒４の温度を上昇させているときには、リーン空燃比となるように、噴射弁６からの燃料噴射量またはスロットル８の開度を決定してもよい。
なお、硫黄被毒回復時の空燃比と、ＮＯx還元時（リッチスパイク時）の空燃比とは、同じ値であってもよく、異なる値であってもよい。また、リッチスパイク時の空燃比を、理論空燃比以下で且つ１４．３よりも高い値としてもよい。硫黄被毒回復時の空燃比、及びＮＯx還元時（リッチスパイク時）の空燃比は、三元触媒３の浄化ウィンドウ内の空燃比とする。そして、硫黄被毒回復処理は例えば１０分間行われる。この時間は、硫黄被毒回復処理が完了するまでの時間として予め設定される。なお、ＮＳＲ触媒４から硫黄成分を全て放出させる必要はない。
そして、硫黄被毒回復処理が完了した後には、通常の空燃比に戻される。通常とは、リッチスパイクまたは硫黄被毒回復が行われていないときをいう。また、通常の空燃比は、前記したように、内燃機関１の運転状態に応じて設定される空燃比であり、リッチスパイクまたは硫黄被毒回復が行われていないときの空燃比である。
すなわち、ＥＣＵ１０は、硫黄被毒回復またはＮＯx還元を行わないときには空燃比を２５とし、硫黄被毒回復時またはＮＯx還元時に空燃比をリッチとする。なお、ＮＳＲ触媒４の硫黄被毒回復時には、内燃機関１が例えば１４．３のリッチ空燃比で運転されるように、ＥＣＵ１０が噴射弁６またはスロットル８を制御する。
ところで、ＮＳＲ触媒４よりも下流側にＳＣＲ触媒５を備えている場合には、ＮＳＲ触媒４の硫黄被毒が発生したときであっても、ＳＣＲ触媒５でＮＯxを還元できる場合がある。このため、排気浄化装置全体としてのＮＯx浄化率の低下が、ＳＣＲ触媒５を備えていない場合よりも小さい。ここで、ＮＳＲ触媒４に硫黄被毒が発生しても、該ＮＳＲ触媒４にてＮＯxと還元剤とが反応して発生するＮＨ３がＳＣＲ触媒５において還元剤として利用される。しかし、ＮＳＲ触媒４に硫黄被毒が発生すると、ＮＯxの吸蔵能が低下するだけでなく、ＮＨ３の生成能も低下することが判明した。また、ＮＳＲ触媒４の劣化が進行しても、ＮＨ３の生成能が低下する。この劣化は、例えば、熱劣化または経年劣化である。したがって、ＮＳＲ触媒４の硫黄被毒や劣化により、ＳＣＲ触媒５におけるＮＯx浄化率も低下する虞がある。
ここで、従来のようにＮＳＲ触媒４のみを備え、ＮＳＲ触媒４よりも下流にＳＣＲ触媒５を備えていない排気浄化装置では、硫黄被毒回復処理を、例えば内燃機関１が搭載される車両が既定の距離（例えば２０００ｋｍ）を走行するごとに実施していた。これは、ＮＳＲ触媒を直列に複数設ける場合も同じである。
また、従来のようにＮＳＲ触媒４のみを備え、ＮＳＲ触媒４よりも下流にＳＣＲ触媒５を備えていない排気浄化装置では、ＮＳＲ触媒４の劣化が進行するほど、硫黄被毒回復処理を実施する頻度を高める必要があると考えられていた。すなわち、ＮＳＲ触媒４の劣化が進むほどＮＯx浄化率が低下するために、硫黄被毒によるＮＯx浄化率の低下分を極力小さくしようとしていた。
また、従来では、ＮＳＲ触媒４の劣化の進行と共に、ＮＯxの浄化能力が低下するため、ＮＳＲ触媒４に流入するＮＯxの量を減少させる必要があると考えられていた。すなわち、ＮＯxの浄化能力の低下により、浄化可能なＮＯx量が減少するので、これに合わせて、ＮＯxの流入量を制限する必要があると考えられていた。同様に、ＮＯx触媒４の劣化の進行と共に、反応可能な還元剤の量が減少するため、還元剤の供給量を減少させる必要があると考えられていた。
ところで、ＮＳＲ触媒４に硫黄被毒が発生した場合や、ＮＳＲ触媒４の劣化の度合いが高くなった場合には、ＮＨ３の生成能が低下する。このような場合に、従来と同じようにＮＳＲ触媒４の硫黄被毒回復処理を実施したり、ＮＳＲ触媒４へのＮＯxの流入量を制限したりすると、ＳＣＲ触媒５におけるＮＯx浄化率も低下する虞がある。
ここで、ＮＳＲ触媒４が新品の場合や新品に近い場合には、ＮＳＲ触媒４を構成する吸蔵材（例えばＢａ等の塩基）が劣化していないために、ＮＯxの吸蔵能が高い。しかし、ＮＳＲ触媒４にＮＯxと同様にＳＯxも吸蔵されてしまうため、硫黄被毒が発生し易い。したがって、ＮＳＲ触媒４が新品の場合や新品に近い場合には、硫黄被毒回復処理を実施する頻度は比較的高いほうがよい。すなわち、硫黄被毒回復処理を実施する頻度を比較的高くすることにより、ＮＳＲ触媒４におけるＮＯx浄化率の低下を抑制できるため、排気浄化装置全体としてのＮＯx浄化率が高くなる。
また、ＮＳＲ触媒４が新品の場合や新品に近い場合には、ＮＳＲ触媒４が劣化していないために、ＮＨ３の生成能が高い。しかし、ＳＣＲ触媒５が必要とする量よりも多い量のＮＨ３が生成される虞がある。すなわち、ＮＳＲ触媒４において、ＮＨ３が過剰に生成される虞がある。これを抑制するためには、ＮＳＲ触媒４へ流入するＮＯxの量を低減するとよい。すなわち、内燃機関１から排出されるＮＯx量を低減するとよい。
一方、ＮＳＲ触媒４の劣化が進行すると、吸蔵能の低下により、ＳＯxの吸蔵が抑制される。すなわち、ＮＳＲ触媒４にＳＯxが吸蔵され難くなるため、硫黄被毒が発生し難くなる。また、硫黄被毒回復処理を実施したとしても、吸蔵可能となるＮＯx量は比較的少ない。すなわち、ＮＳＲ触媒４の劣化の進行と共に、硫黄被毒回復処理を実施する効果が小さくなる。これに対し、硫黄被毒回復処理を実施する頻度を比較的低くすれば、燃費の悪化を抑制できる。
また、ＮＳＲ触媒４の劣化が進行すると、ＮＨ３の生成能も低下する。したがて、ＳＣＲ触媒５へ供給するＮＨ３が減少する虞がある。これに対し、ＮＳＲ触媒４でＮＨ３が生成され易くなるような制御を行えば、ＳＣＲ触媒５へ供給するＮＨ３の減少を抑制できる。たとえば、ＮＳＲ触媒４に流入するＮＯx量を増加させたり、ＮＳＲ触媒４に供給する還元剤の量を増加させたりすることでＮＨ３が生成され易くなる。
ここで、ＮＳＲ触媒４は、硫黄被毒回復処理時に高温となるため、劣化し易い。一方、ＳＣＲ触媒５は、ＮＳＲ触媒４から離れて備わるため、硫黄被毒回復時の温度の影響を受け難いので、ＮＳＲ触媒４と比較すると劣化の進行が遅い。このため、ＮＳＲ触媒４におけるＮＯx浄化率が劣化により低下しても、ＳＣＲ触媒５ではＮＯx浄化率が比較的高い。したがって、ＮＳＲ触媒４の劣化が進行したときに、ＳＣＲ触媒５でのＮＯxの浄化を促進させれば、ＮＳＲ触媒４におけるＮＯx浄化率の下降分を、ＳＣＲ触媒５におけるＮＯx浄化率の上昇分により補うことができる。
すなわち、従来では、ＮＳＲ触媒４の劣化の進行と共に硫黄被毒回復処理を実施する頻度を高くしていたが、本実施例では、ＮＳＲ触媒４の劣化の進行と共に硫黄被毒回復処理を実施する頻度を低くする。また、従来では、ＮＳＲ触媒４の劣化の進行と共にＮＳＲ触媒４に流入するＮＯx量または還元剤量を少なくしていたが、本実施例では、ＮＳＲ触媒４の劣化の進行と共にＮＳＲ触媒４に流入するＮＯx量または還元剤量を多くする。このようにして、ＮＳＲ触媒４の劣化の進行と共に、ＮＳＲ触媒４によるＮＯxの浄化からＳＣＲ触媒５によるＮＯxの浄化へと移行する。
図２は、内燃機関１が搭載される車両の走行距離と、硫黄被毒回復処理を実施する時期との関係を示した図である。横軸は走行距離である。また、「回復」で示される矢印は、硫黄被毒回復処理を実施する時期を示している。走行距離が０のときには、ＮＳＲ触媒４は新品である。
走行距離が０からＫまでの間（以下、期間Ａともいう。）では、ＮＳＲ触媒４がほとんど劣化していないものとして、硫黄被毒回復処理を例えば８００ｋｍ走行ごとに実施する。なお、このときのＥＧＲ率を例えば１５％とし、ＮＳＲ触媒４に流入するＮＯx濃度を例えば４０ｐｐｍとする。ＥＧＲ率は、内燃機関１の気筒内に吸入される全ガスの質量に対するＥＧＲガスの質量の割合である。ＥＧＲ率は、ＥＧＲ弁２２の開度またはスロットル８の開度の少なくとも一方を調整することにより、変更することができる。ＥＧＲ弁２２の開度またはスロットル８の開度とＥＧＲ率との関係を予め実験等により求めてＥＣＵ１０に記憶させておくこともできる。また、ＥＧＲ弁２２の開度を、吸入空気量が目標値となるようにフィードバック制御しても良い。
また、走行距離がＫからＬまでの間（以下、期間Ｂともいう。）では、ＮＳＲ触媒４の劣化が多少進行したものとして、硫黄被毒回復処理を例えば１０００ｋｍ走行ごとに実施する。このときのＥＧＲ率を例えば１０％とし、ＮＳＲ触媒４に流入するＮＯx濃度を例えば７０ｐｐｍとする。
また、走行距離がＬからＭまでの間（以下、期間Ｃともいう。）では、ＮＳＲ触媒４の劣化がさらに進行したものとして、硫黄被毒回復処理を例えば２０００ｋｍ走行ごとに実施する。このときのＥＧＲ率を例えば５％とし、ＮＳＲ触媒４に流入するＮＯx濃度を例えば１００ｐｐｍとする。
このように、総走行距離が長くなるほど、硫黄被毒回復処理を実施するまでの走行距離を長くする。これにより、ＮＳＲ触媒４の劣化に応じて、硫黄被毒回復処理を実施する頻度が低くなる。なお、図２中の走行距離Ｋ，Ｌ，Ｍと硫黄被毒回復処理を行う頻度との最適な関係は、実験等により求めることができる。
ところで、走行距離が増えるにしたがって、ＥＧＲ率を低くすると、ポンプ損失が増加するために、燃費が悪化する虞がある。しかし、本実施例では、走行距離が増えるにしたがって、硫黄被毒回復処理を実施する頻度を低くしているため、燃費の悪化を抑制できる。そして、期間Ａ，期間Ｂ，期間Ｃにおいて、夫々、硫黄被毒回復処理を行うことによる燃費の悪化分と、ＥＧＲガスを供給することによる燃費の改善分と、が等しければ、夫々の期間において燃費の悪化分と改善分とが相殺される。
また、硫黄被毒回復処理を行うことによる燃費の悪化分と、ＥＧＲガスを供給することによる燃費の改善分と、の差が、期間Ａ，期間Ｂ，期間Ｃで全て等しければ、期間Ａから期間Ｂ，期間Ｂから期間Ｃへと変化しても、燃費が変化することを抑制できる。そうすると、走行距離に応じて硫黄被毒回復処理を実施する頻度やＥＧＲ率を変化させたことにユーザが気づき難くなるため、ユーザが違和感を覚えることを抑制できる。
なお、本実施例では、期間Ａ，期間Ｂ，期間Ｃと段階的に硫黄被毒回復処理を実施する頻度及びＥＧＲ率を変化させているが、これに代えて、車両の走行距離に応じて無段階に硫黄被毒回復処理を実施する頻度及びＥＧＲ率を変化させてもよい。すなわち、走行距離が長くなるほど、硫黄被毒回復処理を実施する頻度を低くし、且つ、ＥＧＲ率を低くしてもよい。
ここで、図３は、ＮＳＲ触媒４が新品のときにおいてＥＧＲガスを供給する運転領域を示した図である。また、図４は、ＮＳＲ触媒４が劣化しているときにおいてＥＧＲガスを供給する運転領域を示した図である。図３，４において、横軸は機関回転数であり、縦軸は内燃機関１の軸トルクである。「ＥＧＲ使用領域」で示した線に囲まれた領域内においてＥＧＲガスを供給する。なお、「モード走行」で示される線は、モード走行時の機関回転数及びトルクを示している。
このように、ＮＳＲ触媒４が新品のときと比較して、劣化しているときは、ＥＧＲガスを供給する運転領域が狭い。そうすると、ＮＳＲ触媒４が劣化しているときには、内燃機関１から排出されるＮＯx量が増加するため、ＮＳＲ触媒４においてＮＨ３の生成を促進させることができる。
同様に、ＮＳＲ触媒４が劣化しているときには、新品のときよりも、ＥＧＲ率が低くなるように、機関回転数及びトルクとＥＧＲ率との関係を設定してもよい。そうすると、ＮＳＲ触媒４が劣化しているときに内燃機関１から排出されるＮＯx量が増加するため、ＮＳＲ触媒４においてＮＨ３の生成を促進させることができる。
また、ＮＳＲ触媒４に流入する還元剤の量を増加させることにより、ＮＨ３の生成を促進させてもよい。ここで、ＮＨ３は、内燃機関１から排出されるＮＯxと、還元剤であるＨＣまたはＨ２と、が反応することにより生成されるため、ＮＯxまたは還元剤の少なくとも一方を増加させることにより、ＮＨ３の生成量を増加させることができる。なお、空燃比を低くすることにより還元剤の量を増加させることができる。また、例えば、点火時期またはバルブタイミングを変更することにより、ＮＳＲ触媒４に流入するＮＯxの量または還元剤の量を増加させることもできる。
次に、図５は、本実施例に係る硫黄被毒回復処理のフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、ＥＣＵ１０により所定の時間ごとに実行される。
ステップＳ１０１では、内燃機関１を搭載する車両の総走行距離が取得される。この総走行距離は、内燃機関１を搭載する車両が新品時から走行した距離である。この総走行距離は、ＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒５の劣化と相関関係にある物理量として使用する。なお、ＮＳＲ触媒４の劣化と相関関係にある他の物理量を使用してもよい。例えば、ＮＳＲ触媒４の劣化を、ＮＳＲ触媒４の温度履歴に基づいて推定してもよい。総走行距離は、例えばＥＣＵ１０に記憶されている。なお、本実施例においてはステップＳ１０１を処理するＥＣＵ１０が、本発明における検知部に相当する。
ステップＳ１０２では、前回の硫黄被毒回復処理が実施されてからの走行距離が取得される。この走行距離は、ＮＳＲ触媒４の硫黄被毒の度合いと相関関係にある物理量として使用する。なお、ＮＳＲ触媒４の硫黄被毒の度合いと相関関係にある他の物理量を使用してもよい。例えば、内燃機関１の運転状態や燃料中の硫黄成分の濃度に基づいて、ＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＳＯxの量を推定することで、ＮＳＲ触媒４の硫黄被毒の度合いを推定してもよい。
ステップＳ１０３では、硫黄被毒回復処理を実施する間隔が算出される。この間隔は、前回の硫黄被毒回復処理が実施されてから、次回の硫黄被毒回復処理が実施されるまでの走行距離として算出される。この間隔は、ステップＳ１０１で取得される総走行距離に基づいて算出される。総走行距離と、硫黄被毒回復処理を実施する間隔と、の関係は、予め実験等により求めてＥＣＵ１０に記憶しておく。
ステップＳ１０４では、ＥＧＲ率が算出される。このＥＧＲ率は、総走行距離または硫黄被毒回復処理を実施する間隔に基づいて算出される。この関係は、予め実験等により求めてＥＣＵ１０に記憶しておく。そして、このＥＧＲ率となるように、スロットル８又はＥＧＲ弁２２などが制御される。これにより、ＮＳＲ触媒４の劣化の度合いに応じた量のＮＯxが内燃機関１から排出される。すなわち、ＳＣＲ触媒５に供給するＮＨ３の必要量に応じて内燃機関１からＮＯxを排出させている。
なお、ステップＳ１０４では、ＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯxの還元時、またはＳＣＲ触媒５に供給するためのＮＨ３の生成時において、ＮＳＲ触媒４に供給する還元剤の量を、総走行距離に応じて増加させてもよい。すなわち、ＮＨ３は、ＮＯxと、還元剤（ＨＣまたはＨ２）と、が反応して生成される。このため、ＥＧＲ率を減少させてＮＯxの排出量を増加させても、また、還元剤の供給量を増加させても、ＮＨ３の生成量を増加させることができる。すなわち、ＮＯxの排出量の増加と、還元剤の供給量の増加と、の少なくとも一方を行えばよい。
そして、本実施例においてはステップＳ１０２及びステップＳ１０３を処理するＥＣＵ１０が、本発明における制御部に相当する。
ステップＳ１０５では、硫黄被毒回復処理を実施する時期となっているか否か判定される。具体的には、ステップＳ１０２で算出される走行距離が、ステップＳ１０３で算出される間隔に達しているか否か判定される。なお、ＮＳＲ触媒４が吸蔵しているＳＯxの量が閾値以上となっているか否か判定してもよい。このＳＯxの量は、周知の技術により推定してもよい。
ステップＳ１０５で肯定判定がなされた場合には、ステップＳ１０６へ進んで、ＮＳＲ触媒４の硫黄被毒回復処理が実施される。そして、ＮＳＲ触媒４の硫黄被毒回復処理が開始されてからの経過時間が規定時間以上となると、ＮＳＲ触媒４の硫黄被毒回復処理が終了される。その後に、空燃比をリッチとすることで、ＮＳＲ触媒４でＮＨ３を生成することができる。なお、このときには、三元触媒３でもＮＨ３が生成される。
一方、ステップＳ１０５で否定判定がなされた場合には、本ルーチンを終了させる。
以上説明したように本実施例によれば、ＮＳＲ触媒４の硫黄被毒回復処理を実施することにより、ＮＨ３の生成能も回復させることができるので、ＳＣＲ触媒５に還元剤を供給することができる。そして、ＮＳＲ触媒４のＮＯx浄化能力が低下するにしたがって、硫黄被毒回復処理を実施する頻度を低くし且つＮＳＲ触媒４に流入するＮＯx量を増加させることで、ＳＣＲ触媒５によるＮＯxの浄化を促進させることができるため、排気浄化装置全体としてのＮＯx浄化率が低下することを抑制できる。
また、硫黄被毒回復処理による燃費の悪化と、ＥＧＲガスの供給による燃費の改善とを相殺することができる。
このように、本実施例によれば、ＮＳＲ触媒４の硫黄被毒を適切に回復させることができる。
１ 内燃機関
２ 排気通路
３ 三元触媒
４ 吸蔵還元型ＮＯx触媒（ＮＳＲ触媒）
５ 選択還元型ＮＯx触媒（ＳＣＲ触媒）
６ 噴射弁
７ 吸気通路
８ スロットル
１０ ＥＣＵ
１１ 第一温度センサ
１２ 空燃比センサ
１３ 第二温度センサ
１４ 第三温度センサ
１５ エアフローメータ
１６ アクセルペダル
１７ アクセル開度センサ
１８ クランクポジションセンサ
２０ ＥＧＲ装置
２１ ＥＧＲ通路
２２ ＥＧＲ弁

Claims (4)

  1. 内燃機関の排気通路に設けられ、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還元剤が存在するときは吸蔵していたＮＯxを還元する吸蔵還元型ＮＯx触媒と、
    前記吸蔵還元型ＮＯx触媒よりも下流の排気通路に設けられてＮＯxを選択還元する選択還元型ＮＯx触媒と、
    前記吸蔵還元型ＮＯx触媒または前記選択還元型ＮＯx触媒の劣化の程度を検知する検知部と、
    前記検知部により検知される劣化の程度が低いときには高いときよりも、前記吸蔵還元型ＮＯx触媒でのＮＯxの還元を促進させ、前記検知部により検知される劣化の程度が高いときには低いときよりも、前記選択還元型ＮＯx触媒でのＮＯxの還元を促進させる制御部と、
    を備える内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記制御部は、前記検知部により検知される劣化の程度が高いほど、前記吸蔵還元型ＮＯx触媒に流入する排気中のＮＯx濃度を高くする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 前記制御部は、前記検知部により検知される劣化の程度が高いほど、前記吸蔵還元型ＮＯx触媒の硫黄被毒を回復させる頻度を低下させる請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 前記制御部は、前記検知部により検知される劣化の程度が高いほど、前記吸蔵還元型ＮＯx触媒におけるＮＯx還元時またはＮＨ３生成時に供給する還元剤の量を増加させる請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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