WO2011048666A1

WO2011048666A1 - 内燃機関の排気浄化システム

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Publication number: WO2011048666A1
Application number: PCT/JP2009/068062
Authority: WO
Inventors: 櫻井　健治
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2011-04-28
Also published as: US20120192549A1; JPWO2011048666A1; CN102575547B; US8769934B2; EP2492464B1; JP5333598B2; EP2492464A4; CN102575547A; EP2492464A1

Abstract

　ＮＳＲ触媒とＳＣＲとを備える内燃機関において、ＳＣＲの被毒による性能低下を有効に回復させることにより、エミッションの悪化を抑制することのできる内燃機関の排気浄化システムを提供する。　リーンバーン運転が可能な内燃機関１０の排気浄化システムであって、内燃機関１０の排気通路１２に配置されたＮＳＲ触媒１６と、ＮＳＲ触媒１６の下流に配置されたＳＣＲ１８と、ＳＣＲ１８の硫黄被毒を検知する被毒検知手段と、被毒検知手段によって、ＳＣＲ１８の硫黄被毒が検知された場合に、該ＳＣＲ１８の床温を昇温させる昇温手段と、を備える。昇温手段としては、バンク制御、ストイキ制御、およびリッチスパイク制御を有し、内燃機関１０の運転状態に応じて実行する制御を選択する。

Description

内燃機関の排気浄化システム

　この発明は、内燃機関の排気浄化システムに係り、特に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒とＮＯｘ選択還元触媒とを備える内燃機関の排気浄化システムに関する。

　従来、例えば日本特開２００９－９７４６９号公報に開示されるように、ＳＣＲ（選択還元型ＮＯｘ触媒）を備えた排気浄化システムが知られている。このシステムでは、排気通路の下流に向かって、ＴＷＣ（３元触媒）、ＮＳＲ（吸蔵還元型ＮＯｘ触媒）、およびＳＣＲ（選択還元型ＮＯｘ触媒）がそれぞれ配置されている。ＮＳＲは、流入する排気の空燃比がリーンの時に排気中のＮＯｘを吸蔵し、流入する排気の空燃比がストイキまたはリッチ、且つ、還元剤の存在下で、吸蔵していたＮＯｘを還元する機能を有する。また、ＳＣＲは、還元剤であるＮＨ_３の供給を受けて、ＮＳＲの下流に吹き抜けたＮＯｘを選択的に還元する機能を有する。

　ＮＨ_３を還元剤としたＳＣＲのＮＯｘ還元反応は、発熱反応であり、低温環境下ほど進行し易い。このため、上記従来のシステムでは、温度制御手段によってＳＣＲの温度が所定の基準温度以下になるように制御することとしている。これにより、ＳＣＲにおいて好適にＮＯｘ還元反応が進行する状態が維持されるので、ＳＣＲによるＮＯｘ浄化率を高めることができる。

日本特開２００９－９７４６９号公報日本特開２００７－９８１０号公報日本特開２００９－９０２７３号公報日本特開２００８－２７９７３３４号公報

　上記従来のシステムでは、ＳＣＲにおける還元反応の進行促進の観点から、該ＳＣＲの温度を所定の基準温度以下に制御することとしている。しかしながら、低温環境下でＳＣＲを使用し続けると、硫黄被毒が進行して、還元性能が低下する問題が発生する。このため、単に還元反応の進行促進の観点からＳＣＲの温度制御を行う上記従来のシステムでは、硫黄被毒によるＳＣＲの還元性能低下を防ぐことができず、改善が望まれていた。

　この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ＳＣＲを備える内燃機関において、ＳＣＲの被毒による性能低下を有効に回復させることにより、エミッションの悪化を抑制することのできる内燃機関の排気浄化システムを提供することを目的とする。

　第１の発明は、上記の目的を達成するため、リーンバーン運転が可能な内燃機関の排気浄化システムであって、
　前記内燃機関の排気通路に配置されたＮＯｘ吸蔵還元触媒（以下、ＮＳＲ触媒）と、
　前記ＮＳＲ触媒の下流に配置されたＮＯｘ選択還元触媒（以下、ＳＣＲ）と、
　前記ＳＣＲの硫黄被毒を検知する被毒検知手段と、
　前記被毒検知手段によって、前記ＳＣＲの硫黄被毒が検知された場合に、該ＳＣＲの床温を昇温させる昇温手段と、
　を備えることを特徴とする。

　また、第２の発明は、第１の発明において、
　前記内燃機関は複数の気筒群を有し、
　前記昇温手段は、
　一方の気筒群をリッチ空燃比とし、他方の気筒群をリーン或いは理論空燃比とするバンク制御を実行するバンク制御手段を含み、
　前記ＳＣＲの硫黄被毒が検知され、且つ、前記バンク制御の前回の実行からの走行距離が所定距離より長い場合に、前記バンク制御手段を実行することを特徴とする。

　また、第３の発明は、第２の発明において、
　前記昇温手段は、
　前記内燃機関の空燃比をリーン空燃比から理論空燃比へ切り替えて運転するストイキ制御を実行するストイキ制御手段を更に含み、
　前記ＳＣＲの硫黄被毒が検知され、且つ、前記走行距離が前記所定距離以下であり、且つ、前記内燃機関の機関回転数が所定の回転数よりも大きい場合に、前記ストイキ制御手段を実行することを特徴とする。

　また、第４の発明は、第３の発明において、
　前記昇温手段は、
　前記内燃機関の空燃比を一時的にリッチ空燃比に制御するリッチスパイク制御を実行するリッチスパイク制御手段を更に含み、
　前記ＳＣＲの硫黄被毒が検知され、且つ、前記走行距離が前記所定距離以下であり、且つ、前記機関回転数が所定の回転数以下である場合に、前記リッチスパイク手段の実行頻度を増加させることを特徴とする。

　また、第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、
　前記ＳＣＲの床温が所定の温度に達した場合に、該昇温手段の実行を停止する停止手段を更に備えることを特徴とする。

　また、第６の発明は、第１の発明において、
　前記ＳＣＲにおけるＰＭ蓄積量が所定量に達したか否かを判定する判定手段と、
　前記ＳＣＲに２次空気を供給するための２次空気供給手段と、を更に備え、
　前記昇温手段は、
　前記ＳＣＲの硫黄被毒が検知され、且つ、前記ＰＭ蓄積量が所定量に達している場合に、前記２次空気供給手段を駆動することを特徴とする。

　また、第７の発明は、第６の発明において、
　前記ＳＣＲの下流側に配置された圧力センサを更に備え、
　前記判定手段は、前記圧力センサの検出値が所定値よりも大きい場合に、ＰＭ蓄積量が所定量に達していることを判定することを特徴とする。

　第１の発明によれば、ＮＯｘ選択還元触媒（ＳＣＲ）の硫黄被毒が検知された場合に、該ＳＣＲの床温を上昇させるための処理が実行される。ＳＣＲ内の硫黄成分は、床温の上昇に伴い脱離する。このため、本発明によれば、ＳＣＲの硫黄被毒を回復させることができるので、ＳＣＲの還元性能低下によるエミッション悪化を効果的に抑制することができる。

　第２の発明によれば、ＳＣＲの硫黄被毒が検知された場合において、前回のバンク制御の実行からの走行距離が所定距離より長い場合に、バンク制御が実行される。バンク制御が実行されると、リッチ空燃比の排気ガスがＮＳＲ触媒に導入されて、該ＮＳＲ触媒の床温が上昇する。これにより、該ＮＳＲ触媒に吸着していた硫黄が有効にパージされる。また、ＮＳＲ触媒の床温の上昇によって、該ＮＳＲ触媒の下流に配置されたＳＣＲの床温も上昇する。このため、本発明によれば、ＮＳＲ触媒の硫黄パージのタイミングで、ＳＣＲの硫黄パージも同時に行うことができる。

　第３の発明によれば、ＳＣＲの硫黄被毒が検知された場合において、前回のバンク制御の実行からの走行距離が所定距離以下であり、且つ、機関回転数が所定回転数より大きい場合に、ストイキ制御が実行される。所定回転数以上の領域においてストイキ運転を行うと、リーン運転の場合に比して触媒容量の小量化や燃費向上の点で好適となる。このため、本発明によれば、バンク制御が実行されない領域において、当該ストイキ制御を実行することにより、触媒容量の小量化や燃費向上を図りつつ、ＳＣＲを硫黄被毒から効果的に回復させることができる。

　第４の発明によれば、ＳＣＲの硫黄被毒が検知された場合において、前回のバンク制御の実行からの走行距離が所定距離以下であり、且つ、機関回転数が所定回転数以下である場合に、リッチスパイク制御の実行頻度が増加される。リッチスパイクの実行頻度が増加されると、該ＳＣＲへ流入する排気ガスの温度が上昇する。このため、本発明によれば、バンク制御、およびストイキ制御が実行されない領域において、ＳＣＲを硫黄被毒から効果的に回復させることができる。

　第５の発明によれば、ＳＣＲが所定の床温に達した場合に、昇温手段の実行が終了される。このため、本発明によれば、該昇温手段が必要以上に実行されることにより、燃費の悪化やエミッションの悪化を招く事態を有効に回避することができる。

　第６の発明によれば、ＳＣＲの硫黄被毒が検知された場合において、ＳＣＲにおけるＰＭ蓄積量が所定量に達している場合に、２次空気が該ＳＣＲに供給される。ＳＣＲに蓄積されたＰＭは、リーン雰囲気下で良好に燃焼する。このため、本発明によれば、ＳＣＲ内に蓄積された所定量のＰＭをリーン雰囲気下で良好に燃焼させることができるので、該ＳＣＲの床温を効果的に昇温させることができる。

　第７の発明によれば、圧力センサによって検出されたＳＣＲの背圧が所定値よりも大きい場合に、該ＳＣＲに所定量のＰＭが蓄積されていることが判定される。ＳＣＲにおけるＰＭ蓄積量が多量であるほど、該ＳＣＲの背圧は大きくなる。このため、本発明によれば、該ＳＣＲの背圧に基づいて、ＳＣＲにおけるＰＭ蓄積量を有効に判定することができる。

本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。硫黄被毒量に対するＮＯｘの浄化低下割合を示す図である。ＳＣＲの床温と脱離硫黄量との関係を示す図である。バンク制御について説明するための図である。リッチスパイク制御の頻度とＮＳＲ触媒１６の昇温との関係を説明するための図である。本発明の実施の形態１において実行されるルーチンを示すフローチャートである。本発明の実施の形態２の構成を説明するための図である。本実施の形態２のシステムにおいて実行されるルーチンを示すフローチャートである。Ｆｅ含有量（ｗｔ％）に対するＮＯｘ浄化率ηＮＯｘ（％）を示す図である。ＳＣＲ１８におけるＦｅ含有量（ｗｔ％）と該ＳＣＲ１８の硫黄付着し難さ（％）との関係を示す図である。

　以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
　図１は、本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施の形態のシステムは、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、右バンク１０１および左バンク１０２を備えたＶ型のガソリンエンジンとして構成されている。右バンク１０１に属する気筒群は、排気通路１２１に連通している。また、左バンク１０２に属する気筒群は、排気通路１２２に連通している。排気通路１２１および１２２は、下流で合流した後に排気通路１２３の一端に連通している。以下、排気通路１２１、１２２、および１２３を特に区別しない場合には、これらを単に「排気通路１２」と称することとする。

　排気通路１２１および１２２には、三元触媒であるスタート触媒（以下、「ＳＣ」と称する）１４１および１４２がそれぞれ配置されている。また、ＳＣ１４の下流側に位置する排気通路１２３には、ＮＯｘ吸蔵還元触媒（以下、「ＮＳＲ触媒」と称する）１６が配置されている。更に、排気通路１２３におけるＮＳＲ触媒１６の下流側には、ＮＯｘ選択還元触媒（以下、「ＳＣＲ」と称する）１８が配置されている。以下、ＳＣ１４１および１４２を特に区別しない場合には、これらを単に「ＳＣ１４」と称することとする。

　内燃機関１０は、空燃比がリッチである場合に、ＨＣおよびＣＯを排出し易い。また、空燃比がリーンである場合にＮＯｘを排出しやすい。ＳＣ１４は、リーン雰囲気では酸素（Ｏ_２）を吸着しながらＮＯｘを還元（Ｎ_２に浄化）する。他方、リッチ雰囲気では、酸素を放出しながらＨＣおよびＣＯを酸化（Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２に浄化）する。また、リッチ雰囲気下では、排気ガス中に含まれる窒素が水素と反応することにより、アンモニア（ＮＨ_３）が生成される。

　ＮＳＲ触媒１６は、リーン雰囲気下では、排気ガス中に含まれるＮＯｘを吸蔵する。また、ＮＳＲ触媒１６は、リッチ雰囲気下で吸蔵しているＮＯｘを放出する。リッチ雰囲気下で放出されたＮＯｘは、ＨＣやＣＯにより還元される。この際、ＳＣ１４の場合と同様に、ＮＳＲ１６においてもＮＨ_３が生成される。

　ＳＣＲ１８は、ＳＣ１４およびＮＳＲ触媒１６が、リッチ雰囲気下で生成するＮＨ_３を吸蔵し、リーン雰囲気下では、ＮＨ_３を還元剤として、排気ガス中のＮＯｘを選択的に還元する機能を有している。ＳＣＲ１８によれば、ＮＳＲ触媒１６の下流に吹き抜けてきたＮＨ_３およびＮＯｘが大気中に放出される事態を有効に阻止することができる。

　図１に示すシステムは、排気通路１２１，１２２におけるＳＣ１４１，１４２の上流側に、空燃比（Ａ／Ｆ）センサ２０をそれぞれ備えている。Ａ／Ｆセンサ２０は、内燃機関１０の排気空燃比を検出することができる。また、図１に示すシステムは、排気通路１２３におけるＮＳＲ触媒１６の上流側の位置、および、ＮＳＲ触媒１６の下流側、且つＳＣＲ１８の上流側の位置に、酸素（Ｏ_２）センサ２２，２４を備えている。Ｏ_２センサ２２，２４は、排気ガス中の酸素濃度に応じた信号を発生するセンサである。更に、排気通路１２におけるＳＣＲ１８の下流側には、ＮＯｘセンサ２６が配置されている。ＮＯｘセンサは、排気ガス中のＮＯｘおよびＮＨ_３に反応して、それらの濃度に応じた信号を発生する。このため、ＮＯｘセンサ２６によれば、リッチ雰囲気下ではＳＣＲ１８の下流におけるＮＨ_３濃度を、また、リーン雰囲気下では、ＳＣＲ１８の下流におけるＮＯｘ濃度を、それぞれ検知することができる。

　本実施の形態のシステムは、図１に示すとおり、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)３０を備えている。ＥＣＵ３０の出力部には、燃料噴射装置（図示せず）等の種々のアクチュエータが接続されている。ＥＣＵ３０の入力部には、上述したＡ／Ｆセンサ２０、Ｏ_２センサ２２，２４、およびＮＯｘセンサ２６の他、内燃機関１０の運転条件および運転状態を検出するための種々のセンサ類が接続されている。ＥＣＵ３０は、入力された各種の情報に基づいて、図１に示すシステムの状態を制御することができる。

[実施の形態１の動作]
（ＮＳＲ触媒１６の機能）
　先ず、ＮＳＲ触媒１６の機能について説明する。ＥＣＵ３０は、通常、内燃機関１０をリーン空燃比で運転（リーン運転）させる。リーン運転中は、ＮＯｘ等の酸化剤がＨＣ、ＣＯ等の還元剤よりも多量に排出される。このため、三元触媒を用いて当該排気ガスを浄化しようとしても、還元剤の不足によって全てのＮＯｘを浄化することができない。そこで、本実施の形態１のシステムは、排気通路１２３にＮＳＲ触媒１６を備えることとしている。ＮＳＲ触媒１６は、ＮＯｘをＢａ（ＮＯ_３）_２等の硝酸塩として吸蔵する機能を有している。このため、本実施の形態１のシステムによれば、リーン運転中であっても、該ＮＯｘが大気中に放出されてしまう事態を効果的に抑制することができる。

　但し、ＮＳＲ触媒１６のＮＯｘ吸蔵性能は、吸蔵量が増加するにつれて低下してしまう。このため、リーン運転が長時間継続されると、吸蔵されなかったＮＯｘが該触媒下流に吹き抜けてしまう。そこで、本実施の形態１のシステムでは、ＮＳＲ触媒１６に吸蔵されたＮＯｘを定期的に脱離させて処理するリッチスパイク制御が実行される。より具体的には、ＮＳＲ触媒１６の吸蔵性能が低下する所定のタイミングで、内燃機関１０の排気空燃比が一時的にリッチに（例えば、Ａ／Ｆ＝１２）される。リッチスパイク実行中の排気ガスには、ＨＣ、ＣＯ、Ｈ_２等の還元剤が多量に含まれている。このため、これらの還元剤がＮＳＲ触媒１６内へ導入されると、硝酸塩として吸蔵されていたＮＯｘは、ＮＯまで還元されて塩基から脱離される。脱離したＮＯｘは、ＮＳＲ触媒１６内の触媒上でＮ_２等に浄化されて処理される。このように、リーン運転中にリッチスパイクを実行することにより、ＮＳＲ触媒１６に吸蔵されていたＮＯｘを脱離処理することができるので、ＮＯｘ吸蔵性能を有効に回復させることができる。

（ＳＣＲ１８の機能）
　次に、ＳＣＲ１８の機能について説明する。上述したとおり、リッチスパイクの実行によって、ＮＳＲ触媒１６のＮＯｘ吸蔵性能を有効に回復させることができる。しかしながら、リッチスパイクが実行されると、該ＮＳＲ触媒１６から脱離したＮＯｘの一部が下流に吹き抜けてしまう。また、上述したとおり、リッチスパイクの実行前にＮＳＲ触媒１６の下流に吹き抜けてしまうＮＯｘも存在する。これらの吹き抜けＮＯｘがそのまま大気中に放出されてしまうとエミッションの悪化を招いてしまう。

　そこで、本実施の形態１のシステムは、ＮＳＲ触媒１６の下流側に吹き抜けたＮＯｘを処理するためのＳＣＲ１８を備えることとしている。上述したとおり、ＳＣＲ１８は、ＳＣ１４およびＮＳＲ触媒１６が、リッチ雰囲気下で生成するＮＨ_３をその内部に吸蔵している。このため、ＳＣＲ１８によれば、ＮＳＲ触媒１６の下流に吹き抜けてきたＮＯｘをＮＨ_３で選択的に還元して浄化することができる。これにより、ＮＯｘが大気中に放出されてエミッションが悪化する事態を有効に阻止することができる。

　尚、本出願の発明者の見解によれば、ＳＣＲ１８の床温を５００℃以下、好ましくは３００℃前後とすることによって、該ＳＣＲ１８における還元反応を活発に行わせることができる。このため、本実施の形態１のシステムでは、ＳＣＲ１８の床温が３００℃前後となるように、その配置が調整されている。これにより、ＳＣＲ１８の下流にＮＯｘが放出される事態を効果的に抑止することができる。

[本実施の形態１の特徴的動作]
（ＳＣＲ１８の硫黄被毒現象）
　次に、図２および図３を参照して、ＳＣＲ１８の硫黄被毒現象について説明する。上述したとおり、ＳＣＲ１８は、その床温が３００℃前後となる位置に配置されている。これにより、該ＳＣＲ１８におけるＮＯｘの還元反応を活発化させることができる。しかしながら、その一方において、ＳＣＲ１８の低温環境下での使用は、硫黄による被毒増大が問題となる。

　図２は、硫黄被毒量に対するＮＯｘの浄化低下割合を示す図である。この図に示すとおり、硫黄被毒量が増大するほど浄化割合が低下している。このように、ＳＣＲ１８に硫黄被毒が発生すると、浄化性能が低下してしまう。このため、ＳＣＲ１８の浄化性能を回復させるためには、該ＳＣＲ内の硫黄を除去する硫黄パージ処理が必要となる。

　本出願の発明者は、ＳＣＲの床温と脱離硫黄量との関係を調査した結果、硫黄の脱離に必要な条件を見出した。図３は、ＳＣＲの床温と脱離硫黄量との関係を示す図である。この図に示すとおり、ＳＣＲからの硫黄成分の脱離は、ＳＣＲ床温が１９０℃程度から微量に開始され、３８０～３９０℃床温から急激に増加している。これは、ＳＣＲには塩基点がほとんどなく、ＮＳＲ触媒のように硫黄成分が化学吸着していないためと考えられる。さらに、本出願の発明者は、リッチ雰囲気下、且つ、７００℃床温の条件を満たさない限り硫黄成分が脱離しないＮＳＲ触媒とは異なり、ＳＣＲでは、リーン雰囲気やストイキ雰囲気であっても問題なく脱離することを見出した。したがって、ＳＣＲにおいては、３８０℃床温の１条件さえ整えば、硫黄成分を有効に脱離させることができる。

　ＳＣＲ１８の床温を上昇させる方法としては、バンク制御、ストイキ制御、或いはリッチスパイク制御を利用することが考えられる。そこで、本実施の形態１のシステムでは、ＳＣＲ１８への硫黄被毒が検知された場合に、これらの制御の何れかを実行することでＳＣＲ１８の床温を所定の脱離温度（３８０℃程度）まで上昇させることとする。但し、上記制御は、何れも内燃機関１０の空燃比をリーンからリッチ方向へ変化させる制御であるため、過度の実施は燃費の悪化やエミッションの悪化を招いてしまうおそれがある。そこで、本実施の形態１のシステムでは、これらの制御の特徴を把握した上で、燃費、エミッション、および硫黄パージ性能の観点から、現在の運転状態に最も好適な制御を選択して実行することとする。以下、各制御の利用について詳細に説明する。

（バンク制御の利用）
　先ず、図４を参照して、本実施の形態１のシステムにおいて、バンク制御を利用したＳＣＲ１８の硫黄パージを実行する方法について説明する。バンク制御は、ＮＳＲ触媒１６の硫黄パージを行う場合に実行される制御であり、所定の走行距離毎（例えば、３０００ｋｍ毎）の頻度で実行される。図４は、バンク制御について説明するための図である。この図に示すとおり、リーンバーン運転中にバンク制御の実行条件が成立すると、ＥＣＵ３０は、一方の気筒群（図では左バンク１０１の気筒群）の空燃比をリッチに制御する。これにより、排気通路１２１にはリッチガスが、排気通路１２２にはリーンガスが流通し、排気通路１２３でこれらのガスが合流する。合流後ストイキ～スライトリッチとなった排気ガスは、ＮＳＲ触媒１６内へ導入され、ＮＯｘ等との発熱反応によって７００℃程度まで発熱する。これにより、ＮＳＲ触媒１６は、７００℃床温且つリッチ雰囲気下の条件が成立するため、有効に硫黄パージを行うことができる。

　バンク制御が実行されると、ＮＳＲ触媒１６の下流のＳＣＲ１８の床温も５５０℃以上に上昇する。このため、ＳＣＲ１８の硫黄被毒が検知された場合に、当該バンク制御が実行されることとすれば、ＮＳＲ触媒１６の硫黄パージと同時に、ＳＣＲ１８の硫黄パージを有効に実行することができる。

　但し、バンク制御は、上述したとおり、通常３０００ｋｍ程度の走行距離毎に行われる制御であり、過度の実行は深刻な燃費の悪化やエミッションの悪化を招いてしまう。そこで、本実施の形態１のシステムでは、ＳＣＲ１８の硫黄被毒が検知された場合の走行距離に応じて、バンク制御の実行可否を判定することとする。より具体的には、ＳＣＲ１８の硫黄被毒が検知された場合において、前回のバンク制御からの走行距離が、通常の走行距離（３０００ｋｍ）の近傍の範囲内、例えば、－２００ｋｍの範囲内にある場合に、当該バンク制御を前倒しで実行することとする。バンク制御が実行されると、ＮＳＲ触媒１６の硫黄パージと同時にＳＣＲ１８の硫黄パージも行われる。このため、ＳＣＲ１８の硫黄パージを別途単独で実行する場合に比して、燃費およびエミッションの悪化を抑制することができる。

（ストイキ制御の利用）
　次に、本実施の形態１のシステムにおいて、ストイキ制御を利用したＳＣＲ１８の硫黄パージを実行する方法について説明する。上述したとおり、バンク制御は、ＮＳＲ触媒１６の硫黄パージと同時にＳＣＲの硫黄パージを行うことができる点で好適である。しかしながら、当該バンク制御は基本的に３０００ｋｍ程度の走行距離毎に行われる制御であるため、ＳＣＲ１８の硫黄被毒が検知された場合に常に実行可能とは限らない。このため、ＳＣＲ１８の硫黄被毒が進行して触媒性能が低下した場合には、ＮＯｘがＳＣＲ１８の下流に放出されてしまい、エミッションが悪化してしまうおそれがある。

　ここで、内燃機関１０では、加速パターンの運転状態である場合、すなわち、例えば、機関回転数が２５００ｒｐｍ以上であって、トルクが４００Ｎｍ以上の運転領域において、リーンバーン運転からストイキ運転に切り替えるストイキ制御が実行されている。これにより、全ての運転領域をリーンバーン運転する場合に比して、燃費の向上や触媒容量の小量化を図ることができる。

　ストイキ制御が実行されると、ストイキガスに含まれる還元剤がＮＳＲ触媒１６内で化学反応に供されるため、該ＮＳＲ触媒１６において排気ガス温度が上昇する。このため、ストイキ制御の実行頻度によっては、ＳＣＲ１８の床温を硫黄パージが可能な温度（３８０～３９０℃）まで床温させることも可能となる。

　そこで、本実施の形態１のシステムでは、上述したバンク制御が実行されない領域において、ＳＣＲ１８の硫黄被毒が検知された場合に、ストイキ制御の実行条件の１つである回転数のしきい値を低く設定することとする。より具体的には、しきい値は、ＳＣＲ１８の床温の上昇度、燃費の悪化度等を考慮した上で、所定の値（例えば、２３００ｒｐｍ以上）が設定される。これにより、バンク制御が実行されない領域において、当該ストイキ制御の実行頻度を高めることができるので、エミッションや燃費の悪化を極力抑制しつつ、ＳＣＲ１８の硫黄パージを実行することができる。

（リッチスパイク制御利用）
　次に、図５を参照して、本実施の形態１のシステムにおいて、リッチスパイク制御を利用したＳＣＲ１８の硫黄パージを実行する方法について説明する。上述したとおり、リッチスパイク制御は、ＮＳＲ触媒１６の吸蔵性能が低下する所定のタイミングで、内燃機関１０の排気空燃比を一時的にリッチ空燃比にする制御である。これにより、ＮＳＲ触媒１６内に吸蔵されたＮＯｘを有効に浄化することができる。ここで、リッチスパイク制御が実行されると、ＮＳＲ触媒１６内の化学反応によって、該ＮＳＲ触媒１６の床温は上昇する。図５は、リッチスパイク制御の頻度とＮＳＲ触媒１６の昇温との関係を説明するための図である。この図に示すとおり、リッチスパイクの頻度が多いほど、ＮＳＲ触媒１６の床温が上昇していることが分かる。このため、リッチスパイク制御の実行頻度よっては、下流に配置されたＳＣＲ１８の床温を硫黄パージが可能な温度（３８０～３９０℃）まで昇温させることも可能となる。

　そこで、本実施の形態１のシステムでは、上述したバンク制御、およびストイキ制御が実行されない領域において、ＳＣＲ１８の硫黄被毒が検知された場合に、リッチスパイク制御の実行頻度を増加させることとする。尚、当該頻度の増加量は、燃費の悪化度、エミッションの悪化度、およびＳＣＲ１８の床温の上昇度等を総合的に考慮して決定することとする。これにより、上述したバンク制御、およびストイキ制御が実行されない領域においても、エミッションや燃費の悪化を極力抑制しつつ、ＳＣＲ１８の硫黄パージを実行することができる。

［実施の形態１における具体的処理］
　次に、図６を参照して、本実施の形態において実行する処理の具体的内容について説明する。図６は、ＥＣＵ３０が、ＳＣＲ１８の硫黄パージを実行するルーチンのフローチャートである。尚、図６のルーチンは、内燃機関１０のリーンバーン運転中に繰り返し実行される。

　図６に示すルーチンでは、先ず、ＳＣＲ１８の硫黄被毒が進行しているか否かが判定される（ステップ１００）。ここでは、具体的には、ＮＯｘセンサ２６がＮＯｘまたはＮＨ_３を検知したか否かが判定される。その結果、ＮＯｘセンサ２６がＮＯｘまたはＮＨ_３を検知したと認められない場合には、ＳＣＲ１８の触媒機能は未だ低下していない、すなわちＳＣＲ１８の硫黄被毒が進行していないと判断されて、繰り返し当該ステップが実行される。

　一方、上記ステップ１００において、ＮＯｘセンサ２６がＮＯｘまたはＮＨ_３を検知したと認められた場合には、ＳＣＲ１８の触媒機能が低下している、すなわちＳＣＲ１８の硫黄被毒が進行していると判断されて、次のステップに移行し、バンク制御を前倒しで実行するための条件が成立しているか否かが判定される（ステップ１０２）。ここでは、具体的には、前回のバンク制御の実行からの走行距離が、バンク制御の実行距離の近傍となる所定距離、すなわち実行距離３０００ｋｍに対して－２００ｋｍの範囲内の距離であるか否かが判定される。

　上記ステップ１０２の結果、走行距離が所定距離の範囲内であると認められた場合には、バンク制御を前倒しで実行する条件が成立したと判断されて、次のステップに移行し、バンク制御が実行される（ステップ１０４）。ここでは、具体的には、右バンク１０１および左バンク１０２の何れか一方の気筒群がリッチ空燃比で運転される。

　上記ステップ１０２において、走行距離が所定距離の範囲内にないと認められた場合には、バンク制御を前倒しで実行する条件が成立していないと判断されて、次のステップに移行し、内燃機関１０の運転状態が加速パターンであるか否かが判定される（ステップ１０６）。ここでは、具体的には、内燃機関１０の機関回転数が２５００ｒｐｍ近傍の所定回転数、すなわち２５００ｒｐｍに対して－２００ｒｐｍの範囲内の回転数であるか否かが判定される。その結果、機関回転数が所定回転数の範囲内であると認められた場合には、次のステップに移行し、しきい値を下げたストイキ制御が実行される（ステップ１０８）。ここでは、具体的には、ストイキ制御の実行条件の１つである機関回転数のしきい値が２５００ｒｐｍから２３００ｒｐｍへ下げられる。

　一方、上記ステップ１０６において、機関回転数が所定回転数の範囲内にないと認められた場合には、次のステップに移行し、実行頻度を高めたリッチスパイク制御が実行される（ステップ１１０）。

　上記ステップ１０４におけるバンク制御、上記ステップ１０８におけるストイキ制御、或いは上記ステップ１１０のリッチスパイク制御の実行した後は、当該実行中の制御が一定期間継続される（ステップ１１２）。ここでは、具体的には、上記ステップ１００において検知されたＮＯｘセンサ２６の検出信号からＳＣＲ１８の浄化率の悪化度が推定される。そして、推定された悪化度と現在の空気量とに基づいて、これらの制御の継続期間が演算される。

　次に、ＳＣＲ１８の床温が３９０℃を超えたか否かが判定される（ステップ１１４）。その結果、未だ床温が３９０℃に達していないと判断された場合には、ＳＣＲ１８の硫黄パージが不十分であると判断されて、上記ステップ１０２から本ルーチンが再度実行される。一方、上記ステップ１１４において、未だ床温が３９０℃に達していないと判断された場合には、ＳＣＲ１８の硫黄パージが終了したと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。

　以上説明したとおり、本実施の形態１のシステムによれば、ＳＣＲ１８の硫黄被毒が検知された場合に、該ＳＣＲ１８の床温を３９０℃まで昇温させるための制御が実行される。これにより、該ＳＣＲ１８の硫黄パージを有効に行うことができる。

　また、本実施の形態１のシステムによれば、ＳＣＲ１８の床温を昇温させる場合に、内燃機関１０の運転状態に基づいて、エミッションの悪化や燃費の悪化を抑制しうる最適な制御を選択して実行することができる。これにより、ＳＣＲ１８の硫黄パージ時のエミッションの悪化や燃費の悪化を最大限に抑制することができる。

　ところで、上述した実施の形態１においては、ＮＯｘセンサ２６の出力信号に基づいて、ＳＣＲ１８の硫黄被毒状態を検知することとしているが、硫黄被毒の検知方法はこれに限られない。すなわち、硫黄パージからの時間、排気ガス量、空燃比、およびＳＣＲの床温等の情報に基づいて、ＳＣＲ１８の硫黄吸着量を推定することとしてもよい。

　尚、上述した実施の形態１においては、ＮＳＲ触媒１６が前記第１の発明における「ＮＳＲ触媒」に、ＳＣＲ１８が前記第１の発明における「ＳＣＲ」に、ＮＯｘセンサ２６が前記第１の発明における「硫黄被毒検知手段」に、それぞれ相当している。また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ３０が、上記ステップ１０４、１０８、または１１０の処理を実行することにより、前記第１の発明における「昇温手段」が実現されている。

　また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ３０が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより、前記第２の発明における「バンク制御手段」が実現されている。

　また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ３０が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより、前記第３の発明における「ストイキ制御手段」が実現されている。

　また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ３０が、上記ステップ１１０の処理を実行することにより、前記第４の発明における「リッチスパイク制御手段」が実現されている。

　また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ３０が、上記ステップ１１４の処理を実行することにより、前記第５の発明における「停止手段」が実現されている。

実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
　次に、図７および図８を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態２は、図７に示すシステムを用いて、後述する図８に示すルーチンを実行することにより実現することができる。

　図７は、実施の形態２の構成を説明するための図を示す。尚、図７に示すシステムにおいて、図１に示すシステムと共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。図７に示すとおり、本実施の形態のシステムでは、排気通路１２３におけるＳＣＲ１８の上流側、且つＮＳＲ触媒１６の下流側に、２次空気噴射装置３２が配置されている。２次空気噴射装置は、ＳＣＲ１８の上流側の排気通路１２３に向かって２次空気を噴射することができる。また、排気通路１２３におけるＳＣＲ１８の下流側には、該ＳＣＲ１８の背圧を検知するための圧力センサ２８が配置されている。

　ＳＣＲ１８の触媒成分は、ほぼ全量がゼオライトで構成されている。このため、該ＳＣＲ１８は、排気ガス中に含まれるＰＭを捕捉し易い性質を有している。そこで、本実施の形態２のシステムでは、このＳＣＲ１８内に補足されたＰＭを燃焼させることで、該ＳＣＲ１８の床温を昇温させて硫黄パージを行うこととする。

　本出願の発明者の見解によれば、ＰＭの燃焼に関して、連続燃焼ではストイキ雰囲気下での燃焼が良好だが、蓄積されたＰＭの燃焼は、リーン雰囲気下での燃焼が良好となる。そこで、本実施の形態２のシステムでは、ＳＣＲ１８内に蓄積されたＰＭを燃焼させる場合に、２次空気噴射装置３２から２次空気を噴射することとする。これにより、ＳＣＲ１８内をリーン雰囲気にすることができるので、ＰＭ燃焼を活性化させてＳＣＲ１８の床温を有効に上昇させることができる。これにより、ＳＣＲ１８内に蓄積されたＰＭを処理しつつ、硫黄パージを有効に実行することができる。

[実施の形態２における具体的処理]
　次に、図８を参照して、本実施の形態において実行する処理の具体的内容について説明する。図８は、本実施の形態２のシステムにおいて実行されるルーチンを示すフローチャートである。

　図８に示すルーチンでは、先ず、ＳＣＲ１８の硫黄被毒が進行しているか否かが判定される（ステップ２００）。ここでは、具体的には、上記ステップ１００と同様の処理が実行される。その結果、ＮＯｘセンサ２６がＮＯｘまたはＮＨ_３を検知したと認められない場合には、ＳＣＲ１８の触媒機能は未だ低下していない、すなわちＳＣＲ１８の硫黄被毒が進行していないと判断されて、繰り返し当該ステップが実行される。

　一方、上記ステップ２００において、ＮＯｘセンサ２６がＮＯｘまたはＮＨ_３を検知したと認められた場合には、ＳＣＲ１８の触媒機能が低下している、すなわちＳＣＲ１８の硫黄被毒が進行していると判断されて、次のステップに移行し、所定量のＰＭがＳＣＲ内に蓄積されているか否かが判定される（ステップ２０２）。ここでは、具体的には、圧力センサ２８によって検知されたＳＣＲ１８の背圧が所定値より大きいか否かが判定される。その結果、背圧＞所定値の成立が認められない場合には、ＳＣＲ１８内に該ＳＣＲ１８の床温を所定温度まで昇温させるだけのＰＭが蓄積されていないと判断されて、上記ステップ２００から再度ルーチンが実行される。

　一方、上記ステップ２０２において、背圧＞所定値の成立が認められた場合には、ＳＣＲ１８内に相当量のＰＭが蓄積されていると判断されて、次のステップに移行し、現在の内燃機関１０の運転条件がトルクを必要としているか否かが判定される（ステップ２０４）。その結果、内燃機関１０がトルクを必要としていると判定された場合には、トルクを優先する必要があると判断されて、次のステップに移行し、２次空気が導入される（ステップ２０６）。ここでは、具体的には、２次空気噴射装置３２が駆動されて、ＳＣＲ１８の上流の排気通路１２３に２次空気が噴射される。排気通路１２３へ導入された２次空気は下流のＳＣＲ１８内に導入される。ＳＣＲ１８内はＰＭの燃焼によって床温が上昇し、これにより硫黄パージが行われる。

　一方、内燃機関１０がトルクを必要としていないと判定された場合には、トルクを優先する必要がないと判断されて、次のステップに移行し、点火遅角制御が実行される（ステップ２０８）。ここでは、具体的には、点火時期は遅角されて、排気温度が上昇する。これによりＳＣＲ１８の床温が上昇して硫黄パージが行われる。

　図８に示すルーチンでは、上記ステップ２０６または２０７の後に、ＳＣＲ１８の背圧が所定値未満に低下したか否かが判定される（ステップ２１０）。その結果、背圧＜所定値の成立が認められない場合には、硫黄パージが完了していないと判断されて、上記ステップ２００から再度ルーチンが実行される。一方、上記ステップ２１０において、背圧＜所定値の成立が認められた場合には、硫黄パージが完了したと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。

　以上説明したとおり、本実施の形態２のシステムによれば、ＳＣＲ１８内に捕捉されたＰＭをリーン雰囲気下で有効に燃焼させることにより、該ＳＣＲ１８の床温を有効に昇温させることができる。これにより、ＳＣＲ１８の硫黄パージを有効に実行することができる。

　ところで、上述した実施の形態１においては、圧力センサ２８によって検出されたＳＣＲ１８の背圧に基づいて、該ＳＣＲ１８におけるＰＭ蓄積量が所定量に達しているか否かを判定することとしているが、ＰＭ蓄積量の判定方法はこれに限られない。すなわち、硫黄パージからの時間、排気ガス量、空燃比等の情報に基づいて、ＳＣＲ１８におけるＰＭ蓄積量を推定して判定することとしてもよい。

　尚、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ３０が、上記ステップ２０２の処理を実行することにより、前記第６の発明における「判定手段」が、上記ステップ２０６の処理を実行することにより、前記第６の発明における「昇温手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態３．
［実施の形態３の特徴］
　次に、図９および１０を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。本出願の発明者の見解によれば、卑金属であるＦｅを含んだＳＣＲ１８は、ＮＨ_３を効率よく吸蔵することができる。これは、Ｆｅ系ゼオライトのＳＣＲ１８は、吸蔵されたＮＨ_３が再びＮＯｘへ戻る可逆反応が起こり難いためと考えられる。そこで、本出願の発明者は、ＳＣＲ１８におけるＦｅ含有量の重量パーセント（ｗｔ％）とＮＯｘ浄化率ηＮＯｘ（％）との関係に着目して実験を行った結果、これらの間には所定の相関関係が存在することを見出した。

　図９は、Ｆｅ含有量（ｗｔ％）に対するＮＯｘ浄化率ηＮＯｘ（％）を示す図である。この図に示すとおり、Ｆｅ含有量（ｗｔ％）が高いほど、ＮＯｘ浄化率ηＮＯｘ（％）が高くなっている。特に、ＳＣＲの動作温度である３００近傍では、Ｆｅ含有量（ｗｔ％）が１以上の場合において非常に高いＮＯｘ浄化率を示している。

　一方において、本出願の発明者は、ＳＣＲ１８に含まれる卑金属Ｆｅの重量パーセント（ｗｔ％）と該ＳＣＲ１８の硫黄被毒量との間の関係に着目し実験を行った結果、これらの間には所定の相関関係が存在することを見出した。

　図１０は、ＳＣＲ１８におけるＦｅ含有量（ｗｔ％）と該ＳＣＲ１８の硫黄付着し難さ（％）との関係を示す図である。尚、硫黄付着し難さ（％）は、全く硫黄が付着しない場合を１００％として表している。この図に示すとおり、硫黄付着し難さ（％）は、Ｆｅ含有量（ｗｔ％）が低いほど高い値（％）になっている。これは、ＳＣＲ１８におけるＦｅ含有量（ｗｔ％）が低いほど硫黄が付着し難いことを示している。

　つまり、ＳＣＲ１８のＦｅ含有量（ｗｔ％）は、ＮＯｘ浄化率の観点からは高いほうが好適であり、硫黄被毒量の観点からは低いほうが好適となる。そこで、本実施の形態３では、ＳＣＲ１８の使用温度領域、硫黄被毒し難さ、およびＮＯｘ浄化率を考慮して、Ｆｅ含有量（ｗｔ％）を決定することとする。これにより、ＳＣＲ１８におけるＮＯｘ浄化性能の確保と硫黄被毒の抑制とを両立させることができる。

１０　内燃機関（エンジン）
１２　排気通路
１４　スタート触媒（ＳＣ）
１６　ＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＮＳＲ触媒）
１８　ＮＯｘ選択還元触媒（ＳＣＲ）
２０　Ａ／Ｆセンサ
２２　Ｏ_２センサ
２４　Ｏ_２センサ
２６　ＮＯｘセンサ
２８　圧力センサ
３０　ＥＣＵ（Electronic Control Unit）
３２　２次空気噴射装置

Claims

　リーンバーン運転が可能な内燃機関の排気浄化システムであって、
　前記内燃機関の排気通路に配置されたＮＯｘ吸蔵還元触媒（以下、ＮＳＲ触媒）と、
　前記ＮＳＲ触媒の下流に配置されたＮＯｘ選択還元触媒（以下、ＳＣＲ）と、
　前記ＳＣＲの硫黄被毒を検知する被毒検知手段と、
　前記被毒検知手段によって、前記ＳＣＲの硫黄被毒が検知された場合に、該ＳＣＲの床温を昇温させる昇温手段と、
　を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
　前記内燃機関は複数の気筒群を有し、
　前記昇温手段は、
　一方の気筒群をリッチ空燃比とし、他方の気筒群をリーン或いは理論空燃比とするバンク制御を実行するバンク制御手段を含み、
　前記ＳＣＲの硫黄被毒が検知され、且つ、前記バンク制御の前回の実行からの走行距離が所定距離より長い場合に、前記バンク制御手段を実行することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化システム。
　前記昇温手段は、
　前記内燃機関の空燃比をリーン空燃比から理論空燃比へ切り替えて運転するストイキ制御を実行するストイキ制御手段を更に含み、
　前記ＳＣＲの硫黄被毒が検知され、且つ、前記走行距離が前記所定距離以下であり、且つ、前記内燃機関の機関回転数が所定の回転数よりも大きい場合に、前記ストイキ制御手段を実行することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の排気浄化システム。
　前記昇温手段は、
　前記内燃機関の空燃比を一時的にリッチ空燃比に制御するリッチスパイク制御を実行するリッチスパイク制御手段を更に含み、
　前記ＳＣＲの硫黄被毒が検知され、且つ、前記走行距離が前記所定距離以下であり、且つ、前記機関回転数が所定の回転数以下である場合に、前記リッチスパイク手段の実行頻度を増加させることを特徴とする請求項３記載の内燃機関の排気浄化システム。
　前記ＳＣＲの床温が所定の温度に達した場合に、該昇温手段の実行を停止する停止手段を更に備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化システム。
　前記ＳＣＲにおけるＰＭ蓄積量が所定量に達したか否かを判定する判定手段と、
　前記ＳＣＲに２次空気を供給するための２次空気供給手段と、を更に備え、
　前記昇温手段は、
　前記ＳＣＲの硫黄被毒が検知され、且つ、前記ＰＭ蓄積量が所定量に達している場合に、前記２次空気供給手段を駆動することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化システム。
　前記ＳＣＲの下流側に配置された圧力センサを更に備え、
　前記判定手段は、前記圧力センサの検出値が所定値よりも大きい場合に、ＰＭ蓄積量が所定量に達していることを判定することを特徴とする請求項６記載の内燃機関の排気浄化システム。