WO2012025976A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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櫻井　健治
徹 木所
剛 小渕
洋一 勝又
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トヨタ自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine, and more particularly to an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine that includes a NOx storage reduction catalyst and a NOx selective reduction catalyst.
  • a three-way catalyst, a NOx storage reduction catalyst (hereinafter referred to as “NSR catalyst”), and a NOx selective reduction catalyst (hereinafter referred to as “NOx catalyst”) are provided in the exhaust passage of an internal combustion engine.
  • SCR NOx selective reduction catalyst
  • NH 3 ammonia
  • the SCR has a function of adsorbing ammonia (NH 3 ) and occludes NH 3 generated by the three-way catalyst and the NSR catalyst.
  • the stored NH 3 is used when NOx flowing into the SCR is selectively reduced.
  • the NSR catalyst is disposed in a region where the catalyst bed temperature is about 350 to 450 ° C. as a temperature environment suitable for NOx occlusion and purification reaction.
  • this temperature range of the catalyst bed temperature is also suitable for the adhesion of sulfur components contained in the exhaust gas, the NSR catalyst causes deterioration due to sulfur poisoning in a relatively short time.
  • the bed temperature of the NSR catalyst can be raised to 700 ° C. and exposed to a rich atmosphere to effectively desorb the adhering sulfur component. it can.
  • enormous heat energy is required to raise the bed temperature of the NSR catalyst to 700 ° C.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems.
  • an internal combustion engine including an NSR catalyst and an SCR
  • the NSR catalyst is effectively prevented from sulfur poisoning while suppressing deterioration of fuel consumption and emission.
  • An object of the present invention is to provide an exhaust emission control device for an internal combustion engine that can be recovered to a high level.
  • a first invention is an exhaust purification device for an internal combustion engine capable of lean burn operation, A first catalyst disposed in an exhaust passage of the internal combustion engine and having a noble metal supported therein; A second catalyst disposed downstream of the first catalyst and having a noble metal and a base supported therein; A NOx selective reduction catalyst disposed in an exhaust passage on the downstream side of the second catalyst, The second catalyst is arranged in a predetermined exhaust upstream region in the exhaust passage.
  • the second catalyst is arranged in a region where the bed temperature during operation is 500 to 750 ° C.
  • the first catalyst and the second catalyst have a tandem structure integrated in a series arrangement.
  • a fourth invention is any one of the first to third inventions, Determination means for determining whether sulfur poisoning of the second catalyst has progressed; A rich gas introduction means for introducing a rich gas into the second catalyst when it is determined that the sulfur poisoning has progressed; It is characterized by providing.
  • a fifth invention is the fourth invention, Further comprising NOx concentration acquisition means for acquiring the NOx concentration of the exhaust gas downstream of the NOx selective reduction catalyst, The determination means determines that sulfur poisoning of the second catalyst has progressed when the NOx concentration is higher than a predetermined concentration.
  • a sixth invention is the fourth or fifth invention, wherein The determination means determines that the sulfur poisoning of the second catalyst has progressed when the travel distance from the previous execution of the rich gas introduction means is longer than a predetermined distance.
  • a seventh invention is the fourth to sixth inventions,
  • the internal combustion engine is an internal combustion engine having a plurality of cylinders,
  • the rich gas introducing means controls the exhaust air-fuel ratio of the first cylinder group to a predetermined rich air-fuel ratio among the first and second cylinder groups in which the plurality of cylinders are divided into two groups. It includes air-fuel ratio control means for controlling the exhaust air-fuel ratio of the cylinder group to a predetermined lean or stoichiometric air-fuel ratio.
  • the rich gas introducing means introduces a rich rich exhaust gas into the second catalyst.
  • Second determination means for determining whether it is time to perform abnormality diagnosis of the first catalyst; When it is time to perform an abnormality diagnosis of the first catalyst, active air-fuel ratio control is performed to forcibly and alternately switch the air-fuel ratio of the internal combustion engine between the rich side and the lean side with the theoretical air-fuel ratio as the control center. And an abnormality diagnosis means for executing an abnormality diagnosis of the first catalyst based on the oxygen storage capacity measured thereby,
  • the rich gas introducing means includes When the abnormality diagnosis of the first catalyst is performed and it is determined that sulfur poisoning of the second catalyst is progressing, the control center in the active air-fuel ratio control is set in a rich direction by a predetermined amount. It is characterized by shifting to.
  • the second catalyst is disposed in a predetermined exhaust upstream region.
  • Such an exhaust upstream region is a region where the catalyst bed temperature becomes high due to heat transfer from the internal combustion engine and heat received from the high-temperature exhaust gas, so that the sulfur component hardly adheres to the basic substance. For this reason, according to this invention, the situation where sulfur poisoning of a 2nd catalyst advances in a short time can be suppressed effectively.
  • the second catalyst is disposed in a region where the bed temperature during operation is 500 to 750 ° C. In such an operating temperature range, it is difficult for the sulfur component to adhere to the basic substance. For this reason, according to this invention, the situation where sulfur poisoning of a 2nd catalyst advances in a short time can be suppressed effectively.
  • the first catalyst and the second catalyst are configured as a catalyst having an integral tandem structure arranged in series. For this reason, according to this invention, the cost reduction effect by reduction of a number of parts and simplification of a structure can be show
  • the second catalyst In order to desorb the sulfur component from the second catalyst, it is necessary to raise the catalyst bed temperature to about 700 ° C. and expose the inside of the catalyst to a rich atmosphere.
  • rich gas is introduced into the second catalyst. This rich gas component contributes to the temperature rise and rich atmosphere formation in the second catalyst. For this reason, according to the present invention, the second catalyst can be easily placed in a high temperature and rich atmosphere, so that the NSR catalyst can be easily recovered from sulfur poisoning.
  • the fifth invention when the NOx concentration of the exhaust gas downstream of the NOx selective reduction catalyst (SCR) is higher than a predetermined concentration, it is determined that sulfur poisoning of the second catalyst has progressed.
  • NOx is blown down on the downstream side of the SCR, NH 3 is insufficient in the SCR, that is, the sulfur poisoning of the second catalyst proceeds and the NH 3 production efficiency in the second catalyst is increased. It can be judged that has decreased. Therefore, according to the present invention, the progress degree of sulfur poisoning of the second catalyst can be effectively determined based on the NOx concentration on the downstream side of the SCR.
  • the sulfur poisoning of the second catalyst has progressed when the travel distance from the previous execution of the sulfur poisoning regeneration process is longer than a predetermined distance.
  • the sulfur poisoning of the second catalyst gradually proceeds as the continuous travel distance becomes longer. For this reason, according to this invention, based on this travel distance, the progress degree of the sulfur poisoning of a 2nd catalyst can be determined effectively.
  • the exhaust air-fuel ratio of the first cylinder group is controlled to a predetermined rich air-fuel ratio
  • the exhaust air-fuel ratio of the second cylinder group is controlled to a predetermined lean air-fuel ratio.
  • the exhaust air / fuel ratio of the exhaust gas flowing into the catalyst can be effectively controlled to the rich air / fuel ratio.
  • the slite rich gas is introduced into the second catalyst. For this reason, according to the present invention, it is possible to easily recover the NSR catalyst from sulfur poisoning while suppressing deterioration of emission and fuel consumption.
  • the sulfur poisoning recovery process of the second catalyst can be executed in the process of executing the abnormality diagnosis of the first catalyst.
  • Embodiment 1 of this invention It is a figure for demonstrating the structure of Embodiment 1 of this invention. It is a figure for demonstrating the internal structure of a TWC and an NSR catalyst. It is a flowchart of the routine performed in Embodiment 1 of the present invention. It is a flowchart of the routine performed in Embodiment 2 of this invention.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of the first embodiment of the present invention.
  • the system of the present embodiment includes an internal combustion engine (engine) 10.
  • the internal combustion engine 10 is configured as a multi-cylinder engine (four cylinders in the figure), and each cylinder is provided with a fuel injection valve 12 for injecting fuel into the cylinder.
  • the in-line four-cylinder engine is described in the system of FIG. 1, it may be configured as a V-type multi-cylinder engine.
  • a direct injection type fuel injection valve that directly injects fuel into the cylinder is used as the fuel injection valve 12, but a port injection type fuel injection that injects fuel into the port of each cylinder.
  • a valve may be used.
  • An exhaust passage 16 communicates with the exhaust side of the internal combustion engine 10 via an exhaust manifold 14.
  • a start catalyst (hereinafter referred to as “SC”) 20 is disposed in the exhaust passage 16.
  • the SC 20 is intended to quickly purify the exhaust gas by exhibiting catalytic activity at the time of cold start of the internal combustion engine 10 and the like.
  • the SC 20 is disposed in the exhaust upstream region, so that the bed temperature during operation is raised to 600 to 700 ° C.
  • the SC 20 of the system according to the first embodiment is configured as a catalyst having a tandem structure including a three-way catalyst (hereinafter referred to as “TWC”) 201 in the front stage and an NSR catalyst (NOx storage reduction catalyst) 202 in the rear stage.
  • TWC201 in SC20 is a lean atmosphere for oxygen (O 2) of NOx with adsorbed (purified to N 2) reducing.
  • O 2 oxygen
  • HC and CO are oxidized (purified to H 2 O, CO 2 ) while releasing oxygen.
  • ammonia (NH 3 ) is generated by reacting nitrogen contained in the exhaust gas with hydrogen.
  • the NSR catalyst 202 in SC20 occludes NOx contained in the exhaust gas under a lean atmosphere. Further, the NSR catalyst 202 releases NOx stored in a rich atmosphere. NOx released in a rich atmosphere is reduced by HC and CO. At this time, NH 3 is also generated in the NSR catalyst 202 as in the case of SC201.
  • FIG. 2 is a view for explaining the internal structures of the TWC 201 and the NSR catalyst 202.
  • (A) shows the internal structure of the TWC 201 in the front stage part
  • (B) shows the internal structure of the NSR catalyst 202 in the rear stage part in detail.
  • the TWC 201 supports Pt (or Pd) on the lower catalyst layer formed on the surface of the support base material, and Rh on the upper catalyst layer formed on the surface of the lower catalyst layer.
  • a supported structure is preferable.
  • Rh and Pt are separated and supported, it is possible to suppress Rh from solid-dissolving in Pd, thereby effectively suppressing the decrease in Pt oxidation activity and the reduction in Rh reduction activity. be able to.
  • the NSR catalyst 202 supports Ph in the lower catalyst layer formed on the surface of the support substrate, and Pt (on the upper catalyst layer formed on the surface of the lower catalyst layer).
  • Pt on the upper catalyst layer formed on the surface of the lower catalyst layer.
  • a structure in which a NOx occlusion material composed of Pd) and a base is supported is preferable.
  • Rh on the lower catalyst layer, H 2 generated by Rh in a rich atmosphere passes through the upper catalyst layer, so that the reduction and purification performance of the stored NOx can be effectively enhanced.
  • an SCR (NOx selective reduction catalyst) 22 is disposed downstream of the SC 20 in the exhaust passage 16.
  • the SCR 22 occludes NH 3 produced by the TWC 201 and the NSR catalyst 202 under a stoichiometric or rich atmosphere, and has a function of selectively reducing NOx in the exhaust gas using the NH 3 as a reducing agent under a lean atmosphere. Yes. According to the SCR 22, it is possible to effectively prevent a situation in which NH 3 and NOx blown down downstream of the SC 20 are released into the atmosphere.
  • the system shown in FIG. 1 includes an air-fuel ratio (A / F) sensor 24 on the upstream side of the SC 20 in the exhaust passage 16.
  • the A / F sensor 24 can detect the exhaust air / fuel ratio of the internal combustion engine 10.
  • the system shown in FIG. 1 includes a NOx sensor 26 on the exhaust passage 16 downstream of the SCR 18.
  • the NOx sensor 26 reacts with NOx and NH 3 in the exhaust gas and generates a signal corresponding to their concentration. For this reason, the NOx sensor 26 can detect the NH 3 concentration downstream of the SCR 22 under a rich atmosphere and the NOx concentration downstream of the SCR 22 under a lean atmosphere.
  • the system according to the present embodiment includes an ECU (Electronic Control Unit) 30 as shown in FIG.
  • ECU Electronic Control Unit
  • Various actuators such as the fuel injection valve 12 described above are connected to the output portion of the ECU 30.
  • various sensors for detecting the operating condition or operating state of the internal combustion engine 10 are connected to the input unit of the ECU 30.
  • the ECU 30 can control the state of the system shown in FIG. 1 based on various types of input information.
  • Embodiment 1 (NOx purification function of NSR catalyst 202)
  • the ECU 30 normally operates the internal combustion engine 10 at a lean air-fuel ratio (lean operation).
  • lean operation oxidizers such as NOx are discharged in a larger amount than reducing agents such as HC and CO. For this reason, even if it is going to purify the said exhaust gas using TWC201, all NOx cannot be purified by lack of a reducing agent. Therefore, the system according to the first embodiment includes an NSR catalyst 202 on the downstream side of the TWC 201.
  • the NSR catalyst 202 has a function of storing NOx as nitrates such as Ba (NO 3 ) 2 . For this reason, according to the system of the first embodiment, it is possible to effectively suppress the situation where the NOx is released into the atmosphere even during the lean operation.
  • the exhaust gas during execution of rich spike contains a large amount of reducing agent such as HC, CO, H 2 and the like.
  • NOx stored as nitrate is reduced to NO and desorbed from the base.
  • the desorbed NOx is purified to N 2 or the like on the catalyst in the NSR catalyst 202 and processed.
  • the NOx occluded in the NSR catalyst 202 can be desorbed, so that the NOx occlusion performance can be effectively recovered.
  • the catalyst bed temperature it is preferable to raise the catalyst bed temperature to about 350 to 450 ° C. in order to actively perform NOx occlusion / purification reaction in the NSR catalyst.
  • the position of the NSR catalyst 202 is adjusted so that the bed temperature is raised to 500 to 750 ° C. The reason for this will be described later.
  • NOx purification function of SCR22 Next, the NOx purification function of the SCR 22 will be described.
  • the NOx storage performance of the NSR catalyst 202 can be effectively recovered by executing the rich spike.
  • part of the NOx desorbed from the NSR catalyst 202 is blown downstream.
  • the system according to the first embodiment includes an SCR 22 for processing NOx blown through the downstream side of the NSR catalyst 202.
  • the SCR 22 occludes NH 3 produced by the TWC 201 and the NSR catalyst 202 in a rich atmosphere.
  • NOx blown downstream of the NSR catalyst 202 can be selectively reduced and purified by NH 3 . Thereby, the situation where NOx is released into the atmosphere and the emission deteriorates can be effectively prevented.
  • the reduction reaction in the SCR 22 can be actively performed by setting the bed temperature of the SCR 22 to 470 ° C. or less, preferably 200 to 350 ° C.
  • the arrangement of the SCR 22 is adjusted so that the floor temperature of the SCR 22 is 200 to 350 ° C. Thereby, the situation where NOx is released downstream of the SCR 22 can be effectively suppressed.
  • the NSR catalyst exhibits high NOx purification performance in a temperature environment where the bed temperature is 350 to 450 ° C. For this reason, in the conventional system, the arrangement is set so that the NSR catalyst belongs to such a temperature region.
  • the NSR catalyst is arranged in a temperature range of 350 to 450 ° C., it becomes a preferable temperature condition for adhesion of sulfur components. For this reason, under such conditions, sulfur poisoning of the NSR catalyst proceeds in a relatively short time, and the NOx purification performance and NH 3 generation performance are significantly reduced.
  • this system is characterized in that an NSR catalyst 202 is provided at the rear stage of the SC 20. That is, in the system of the present embodiment, the NSR catalyst 202 is disposed in a temperature range (500 to 750 ° C.) different from that of the conventional system. In such a temperature range, since the sulfur component hardly adheres to the NSR catalyst 202, it is possible to effectively suppress the situation where sulfur poisoning proceeds in a short time. Therefore, the execution frequency of the sulfur desorption process of the NSR catalyst 202 can be effectively reduced.
  • a temperature range 500 to 750 ° C.
  • the catalyst bed temperature is already in a high state, so that it can be easily raised to the desorption temperature by exposure to a rich atmosphere. For this reason, the NSR catalyst 202 can be effectively recovered from sulfur poisoning without causing deterioration of fuel consumption and emission.
  • the NSR catalyst 202 is disposed in a high temperature region as in the system of the first embodiment described above, the NOx purification efficiency of the NSR catalyst 202 is reduced. Therefore, in the system of the first embodiment, the NSR catalyst 202 is mainly intended to generate NH 3 rather than NOx purification, and the NOx purification is executed in the SCR 22 disposed downstream thereof. As described above, the capacity and characteristics of these catalysts are adjusted. Thereby, even if the NSR catalyst 202 is arranged in a high temperature region, it is possible to effectively suppress the deterioration of NOx emission.
  • the degree of progress of sulfur poisoning in the NSR catalyst 202 can be determined, for example, based on the NOx concentration downstream of the SCR 22. This is because when the sulfur poisoning of the NSR catalyst 202 progresses and the amount of NH 3 produced decreases, NH 3 becomes insufficient in the SCR 22, and as a result, the NOx purification rate in the SCR 22 decreases. Therefore, in the system of the present embodiment, when the NOx concentration downstream of the SCR 22 is higher than a predetermined value (for example, 1.4 ppm), it is determined that sulfur poisoning of the NSR catalyst 202 has progressed, and the NSR catalyst It is assumed that the sulfur desorption process 202 is executed.
  • a predetermined value for example, 1.4 ppm
  • the air-fuel ratio control method From the viewpoint of controllability of the air-fuel ratio, for example, a method of controlling the air-fuel ratio of a predetermined cylinder to a rich air-fuel ratio during lean burn operation is preferable.
  • the plurality of cylinders of the internal combustion engine 10 are classified into two cylinder groups (for example, a cylinder group consisting of # 1 and # 3 cylinders and a cylinder group consisting of # 2 and # 4 cylinders).
  • the air-fuel ratio of one cylinder group is controlled to a lean air-fuel ratio
  • the air-fuel ratio of the other cylinder group is controlled to a rich air-fuel ratio.
  • the sensor output value is fed back to the fuel injection amount of each cylinder so that the output of the air-fuel ratio sensor 24 disposed in the exhaust passage 16 becomes an output indicating a slight rich.
  • FIG. 3 is a flowchart of a routine in which the ECU 30 executes the sulfur poisoning recovery process of the NSR catalyst 202. Note that the routine of FIG. 3 is repeatedly executed during the lean burn operation of the internal combustion engine 10.
  • step 100 it is first determined whether sulfur poisoning of the NSR catalyst 202 is proceeding (step 100). Specifically, it is determined whether or not the NOx sensor value detected by the NOx sensor 26 is equal to or less than a predetermined value (for example, 1.4 ppm). As a result, when the establishment of NOx sensor value ⁇ predetermined value is recognized, it is determined that NH 3 is generated without any problem in the NSR catalyst 202, that is, sulfur poisoning of the NSR catalyst 202 is not progressing. This routine is immediately terminated.
  • a predetermined value for example, 1.4 ppm
  • NSR is controlled by controlling one cylinder group (for example, # 1 and # 3 cylinders) to a rich air-fuel ratio and the other cylinder group (for example, # 2 and # 4) to a lean air-fuel ratio.
  • the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the catalyst 202 is controlled to a slightly rich target A / F.
  • step 104 it is next determined whether or not the NSR catalyst 202 has recovered from sulfur poisoning.
  • the NOx sensor value is detected again using the NOx sensor 26.
  • the detected NOx sensor value is a predetermined value (1.4 ppm) or less.
  • step 104 if NOx sensor value ⁇ predetermined value is not found in step 104, the amount of NH 3 produced in the NSR catalyst 202 has not increased, that is, the NSR catalyst 202 has not yet recovered from sulfur poisoning. If it is determined that there is not, the process shifts to step 102 again, shifts to the next step, and the process for controlling the exhaust air-fuel ratio to be slightly rich is executed again.
  • the NSR catalyst 202 since the NSR catalyst 202 is disposed in the predetermined exhaust upstream region (500 to 750 ° C.), sulfur poisoning of the NSR catalyst 202 can be performed in a short time. It is possible to effectively deter progress. Further, according to the arrangement of the NSR catalyst 202 in the system of the first embodiment, the catalyst bed temperature is always at a high temperature. For this reason, when the sulfur desorption process of the NSR catalyst 202 is executed, the temperature can be easily raised to the sulfur desorption temperature, so that deterioration of fuel consumption and system complexity can be effectively avoided.
  • the NSR catalyst 202 is arranged at the rear stage of the SC 20 arranged in the high temperature region, but the configuration of the NSR catalyst 202 is not limited to this. That is, as long as the bed temperature of the NSR catalyst 202 is raised to 500 to 750 ° C., the NSR catalyst 202 may be configured separately on the downstream side of the SC 20.
  • the exhaust air-fuel ratio is made slightly rich by controlling one cylinder group to a rich air-fuel ratio and the other cylinder group to a lean air-fuel ratio.
  • the sulfur poisoning state of the NSR catalyst 202 is detected based on the output signal of the NOx sensor 26, but the sulfur poisoning detection method is not limited to this. That is, when the travel distance from the previous sulfur poisoning recovery process reaches a predetermined distance (for example, 3000 km), the progress of sulfur poisoning may be determined, or from the previous sulfur poisoning recovery process.
  • the sulfur adsorption amount of the NSR catalyst 202 may be estimated and determined based on information such as the time, travel distance, exhaust gas amount, air-fuel ratio, and bed temperature.
  • the TWC 201 is the “first catalyst” in the first invention
  • the NSR catalyst 202 is the “second catalyst” in the first invention
  • the SCR 22 is the first catalyst.
  • the ECU 30 executes the process of step 100, so that the “determination means” in the fourth aspect of the invention executes the process of step 102.
  • the “rich gas introduction means” in the fourth invention is realized.
  • the NOx sensor 26 corresponds to the “NOx concentration acquisition means” in the fifth aspect of the invention.
  • FIG. 2 Features of Embodiment 2
  • a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the second embodiment can be realized by executing a routine shown in FIG. 4 to be described later using the system shown in FIG.
  • the TWC 201 disposed in the front stage of the SC 20 serves as a three-way catalyst that simultaneously purifies the three components of HC, CO, and NOx when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is the stoichiometric air-fuel ratio. It has a function.
  • the TWC 201 includes noble metals (active points) such as Pt and Pd as catalyst components and an oxygen storage component capable of absorbing and releasing oxygen.
  • Pt and Pd active points
  • oxygen storage component capable of absorbing and releasing oxygen.
  • the oxygen storage component absorbs excess oxygen in the exhaust gas, so that NOx can be reduced and purified.
  • the oxygen storage component absorbs and releases oxygen, even if the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the catalyst varies somewhat from the stoichiometric air-fuel ratio, the three components HC, CO, and NOx are good. Can be purified.
  • the purification performance of the three-way catalyst deteriorates over time. It is known that the degree of deterioration of a catalyst is related to the oxygen storage capacity Cmax, which is the maximum amount of oxygen that the catalyst can store. That is, it can be determined that the deterioration of the catalyst progresses as the oxygen storage capacity Cmax decreases. Therefore, the deterioration of the catalyst can be detected by measuring the oxygen storage capacity Cmax of the catalyst.
  • the oxygen storage capacity Cmax of the SC 20 is measured by executing active air-fuel ratio control.
  • the active air-fuel ratio control is a control for forcibly switching the air-fuel ratio of the internal combustion engine 10 alternately between the rich side and the lean side with the theoretical air-fuel ratio interposed therebetween.
  • FIG. 4 is a flowchart of a routine in which the ECU 30 executes the sulfur poisoning recovery process of the NSR catalyst 202. Note that the routine of FIG. 4 is repeatedly executed during the lean burn operation of the internal combustion engine 10.
  • step 200 it is first determined whether or not sulfur poisoning of the NSR catalyst 202 is proceeding (step 200).
  • step 200 the same processing as in step 100 is executed.
  • NH 3 is generated without any problem in the NSR catalyst 202, that is, sulfur poisoning of the NSR catalyst 202 is not progressing. This routine is immediately terminated.
  • step 200 determines whether NOx sensor value ⁇ predetermined value is not satisfied in step 200. If NOx sensor value ⁇ predetermined value is not satisfied in step 200, the amount of NH 3 produced in the NSR catalyst 202 is decreased, that is, sulfur poisoning of the NSR catalyst 202 is proceeding.
  • the process proceeds to the next step, and it is determined whether it is time to measure the oxygen storage capacity Cmax of the SC 20 (step 202). Specifically, the determination is made based on whether or not the vehicle has traveled a predetermined distance from the previous measurement of the oxygen storage capacity Cmax, whether or not the emission on the downstream side of the SC 20 has deteriorated.
  • Step 204 active air-fuel ratio control is performed by shifting the control center of the air-fuel ratio to the rich side.
  • target A / F 14.3
  • the oxygen storage capacity Cmax of the SC 20 is measured and the sulfur poisoning recovery process of the NSR 202 is performed at the same time.
  • the sulfur poisoning recovery process of the NSR catalyst 202 can be executed.
  • the NSR catalyst 202 is arranged at the rear stage of the SC 20 arranged in the high temperature region, but the configuration of the NSR catalyst 202 is not limited to this. That is, as long as the bed temperature of the NSR catalyst 202 is raised to 600 to 700 ° C., the NSR catalyst 202 may be configured separately on the downstream side of the SC 20.
  • the sulfur poisoning state of the NSR catalyst 202 is detected based on the output signal of the NOx sensor 26, but the sulfur poisoning detection method is not limited to this. That is, when the travel distance from the previous sulfur poisoning recovery process reaches a predetermined distance (for example, 3000 km), the progress of sulfur poisoning may be determined, or from the previous sulfur poisoning recovery process.
  • the sulfur adsorption amount of the NSR catalyst 202 may be estimated and determined based on information such as the time, travel distance, exhaust gas amount, air-fuel ratio, and bed temperature.
  • the ECU 30 executes the process of step 202, so that the “second determination means” in the ninth aspect of the invention executes the process of step 204.
  • the “abnormality diagnosis unit” and the “rich gas introduction unit” in the ninth aspect of the invention are realized.

Abstract

　ＮＳＲ触媒とＳＣＲとを備える内燃機関において、燃費の悪化やエミッションの悪化を抑制しつつ、ＮＳＲ触媒を硫黄被毒から有効に回復させることのできる内燃機関の排気浄化装置を提供する。　リーンバーン運転が可能な内燃機関１０の排気浄化装置であって、内燃機関１０の排気通路１６に配設され、その内部に貴金属が担持されたＴＷＣ２０１と、ＴＷＣ２０１の排気下流側に配設され、その内部に貴金属および塩基が担持されたＮＳＲ触媒２０２と、ＮＳＲ触媒２０２の下流側の排気通路１６に配設されたＳＣＲ２２と、を備え、ＮＳＲ触媒２０２は、その動作時の床温が５００～７５０℃となる領域に配設されている。ＴＷＣ２０１とＮＳＲ触媒２０２とは、直列配置で一体化されたタンデム構造のＳＣ２０として構成されていることが好ましい。

Description

内燃機関の排気浄化装置
　この発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、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装置に関する。
　従来、例えば日本特開２００８－３０３７５９号公報に開示されるように、内燃機関の排気通路に三元触媒、ＮＯｘ吸蔵還元触媒（以下、「ＮＳＲ触媒」と称する）、およびＮＯｘ選択還元触媒（以下、「ＳＣＲ」と称する）が、上流側からその順序で配置されたシステムが知られている。三元触媒およびＮＳＲ触媒では、リッチ雰囲気下において窒素と水素、および／またはＨＣとＮＯｘとが反応することにより、アンモニア（ＮＨ３）が生成される。ＳＣＲは、アンモニア（ＮＨ３）を吸着する機能を有しており、三元触媒およびＮＳＲ触媒で生成されたＮＨ３をその内部に吸蔵する。吸蔵されたＮＨ３は、該ＳＣＲに流入するＮＯｘを選択的に還元する際に使用される。
日本特開２００８－３０３７５９号公報
　ところで、ＮＳＲ触媒は、ＮＯｘの吸蔵および浄化反応に好適とされる温度環境として、触媒床温が３５０～４５０℃程度となる領域に配置される。しかしながら、この触媒床温の温度域は、排気ガスに含まれる硫黄成分の付着についても好適な温度条件となるため、ＮＳＲ触媒は比較的短時間で硫黄被毒による劣化を引き起こしてしまう。ＮＳＲ触媒の硫黄被毒が進行した場合には、該ＮＳＲ触媒の床温を７００℃まで昇温させ、且つ、リッチ雰囲気に晒すことで、付着していた硫黄成分を有効に脱離させることができる。しかしながら、ＮＳＲ触媒の床温を７００℃まで昇温させるためには、多大な熱エネルギを必要とする。このため、この昇温を空燃比のリッチ制御で行うこととすると、燃費の深刻な悪化が問題となる。また、他の方法として、別途排気熱回収器等を設けてＮＳＲ触媒の床温を昇温させることも考えられるが、これにはシステムの複雑化やコストの上昇が問題となる。このように、ＮＳＲ触媒の硫黄被毒が進行した場合に、燃費の悪化やシステムの複雑化を招くことなく硫黄被毒からの回復処理を行うことのできるシステムの構築が望まれていた。
　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、ＮＳＲ触媒とＳＣＲとを備える内燃機関において、燃費の悪化やエミッションの悪化を抑制しつつ、ＮＳＲ触媒を硫黄被毒から有効に回復させることのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
　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装置であって、
　前記内燃機関の排気通路に配設され、その内部に貴金属が担持された第１の触媒と、
　前記第１の触媒の排気下流側に配設され、その内部に貴金属および塩基が担持された第２の触媒と、
　前記第２の触媒の下流側の排気通路に配設されたＮＯｘ選択還元触媒と、を備え、
　前記第２の触媒は、前記排気通路における所定の排気上流領域に配設されていることを特徴とする。
　第２の発明は、第１の発明において、
　前記第２の触媒は、その動作時の床温が５００～７５０℃となる領域に配設されていることを特徴とする。
　第３の発明は、第１または第２の発明において、
　前記第１の触媒と前記第２の触媒とは、直列配置で一体化されたタンデム構造であることを特徴とする。
　第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
　前記第２の触媒の硫黄被毒が進行したか否かを判定する判定手段と、
　前記硫黄被毒が進行したと判定された場合に、前記第２の触媒内にリッチガスを導入するリッチガス導入手段と、
　を備えることを特徴とする。
　第５の発明は、第４の発明において、
　前記ＮＯｘ選択還元触媒の下流側の排気ガスのＮＯｘ濃度を取得するＮＯｘ濃度取得手段を更に備え、
　前記判定手段は、前記ＮＯｘ濃度が所定濃度よりも高い場合に、前記第２の触媒の硫黄被毒が進行したことを判定することを特徴とする。
　第６の発明は、第４または第５の発明において、
　前記判定手段は、前記リッチガス導入手段の前回の実行からの走行距離が所定距離よりも長い場合に、前記第２の触媒の硫黄被毒が進行したことを判定することを特徴とする。
　第７の発明は、第４乃至第６の発明において、
　前記内燃機関は複数気筒を有する内燃機関であって、
　前記リッチガス導入手段は、前記複数気筒を２群に分けた第１，第２の気筒群のうち、前記第１の気筒群の排気空燃比を所定のリッチ空燃比に制御し、前記第２の気筒群の排気空燃比を所定のリーン或いは理論空燃比に制御する空燃比制御手段を含むことを特徴とする。
　第８の発明は、第４乃至第７の何れか１つの発明において、
　前記リッチガス導入手段は、前記第２の触媒にスライトリッチの排気ガスを導入することを特徴とする。
　第９の発明は、第４乃至第８の何れか１つの発明において、
　前記第１の触媒の異常診断を行うタイミングか否かを判定する第２の判定手段と、
　前記第１の触媒の異常診断を行うタイミングである場合に、理論空燃比を制御中心として前記内燃機関の空燃比をリッチ側とリーン側とに交互に強制的に切り替えるアクティブ空燃比制御を実行し、これにより測定した酸素吸蔵容量に基づいて、該第１の触媒の異常診断を実行する異常診断手段と、を更に備え、
　前記リッチガス導入手段は、
　前記第１の触媒の異常診断を行うタイミングであり、且つ前記第２の触媒の硫黄被毒が進行していると判定された場合に、前記アクティブ空燃比制御における前記制御中心を所定量リッチ方向へ移行させることを特徴とする。
　第１の発明によれば、第２の触媒は、所定の排気上流領域に配設されている。このような排気上流領域は、内燃機関からの伝熱および高温の排気ガスからの受熱により触媒床温が高温となる領域であるため、硫黄成分が塩基性物質に付着し難い。このため、本発明によれば、第２の触媒の硫黄被毒が短時間で進行してしまう事態を有効に抑止することができる。
　第２の発明によれば、第２の触媒は、その動作時の床温が５００～７５０℃となる領域に配設されている。このような動作温度領域では、塩基性物質に硫黄成分が付着し難い。このため、本発明によれば、第２の触媒の硫黄被毒が短時間で進行してしまう事態を有効に抑止することができる。
　第３の発明によれば、第１の触媒と第２の触媒とは、直列配置された一体のタンデム構造を有した触媒として構成されている。このため、本発明によれば、部品点数の削減や構造の簡略化によるコスト削減効果を奏することができる。
　第２の触媒から硫黄成分を脱離させるためには、触媒床温を７００℃程度まで昇温させ、且つ触媒内部をリッチ雰囲気下に晒すことが必要とされる。第４の発明によれば、第２の触媒の硫黄被毒が進行したと判定された場合に、該第２の触媒にリッチガスが導入される。このリッチガス成分は該第２の触媒内の昇温およびリッチ雰囲気形成に寄与する。このため、本発明によれば、第２の触媒を容易に高温且つリッチ雰囲気下に置くことができるので、ＮＳＲ触媒を硫黄被毒から容易に回復させることができる。
　第５の発明によれば、ＮＯｘ選択還元触媒（ＳＣＲ）の下流側の排気ガスのＮＯｘ濃度が所定濃度より高い場合に、第２の触媒の硫黄被毒が進行したと判定される。ＳＣＲの下流側にＮＯｘが吹き抜けている場合には、該ＳＣＲにおいてＮＨ３が不足している、すなわち第２の触媒の硫黄被毒が進行して該第２の触媒でのＮＨ３の生成効率が低下していると判断することができる。このため、本発明によれば、ＳＣＲの下流側のＮＯｘ濃度に基づいて、第２の触媒の硫黄被毒の進行度合を有効に判定することができる。
　第６の発明によれば、前回の硫黄被毒の再生処理の実行からの走行距離が所定距離より長い場合に、第２の触媒の硫黄被毒が進行したと判定される。第２の触媒の硫黄被毒は、継続走行距離が長くなるに連れて徐々に進行する。このため、本発明によれば、かかる走行距離に基づいて、第２の触媒の硫黄被毒の進行度合を有効に判定することができる。
　第７の発明によれば、第１の気筒群の排気空燃比を所定のリッチ空燃比に制御し、第２の気筒群の排気空燃比を所定のリーン空燃比に制御することにより、第２の触媒に流入する排気ガスの排気空燃比を有効にリッチ空燃比に制御することができる。
　第８の発明によれば、第２の触媒の硫黄被毒が進行したと判定された場合に、該第２の触媒にスライトリッチガスが導入される。このため、本発明によれば、エミッションや燃費の悪化を抑制しつつ、ＮＳＲ触媒を硫黄被毒から容易に回復させることができる。
　第９の発明によれば、アクティブ制御を用いた第１の触媒の異常診断を行うタイミングであり、且つ、第２の触媒の硫黄被毒が進行したと判定された場合に、該アクティブ制御における空燃比の制御中心がリッチ側へ移行される。このため、本発明によれば、第１の触媒の異常診断を実行する過程で、第２の触媒の硫黄被毒回復処理を実行することができる。
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。 ＴＷＣおよびＮＳＲ触媒の内部構造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のフローチャートである。 本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。
　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（エンジン）１０を備えている。内燃機関１０は多気筒エンジン（図では４気筒）として構成され、各気筒には、筒内に燃料を噴射するための燃料噴射弁１２がそれぞれ配置されている。尚、図１のシステムでは直列４気筒エンジンについて説明しているが、Ｖ型の多気筒エンジンとして構成されていてもよい。また、図１のシステムでは、燃料噴射弁１２として、燃料を筒内に直接噴射する直噴式の燃料噴射弁を用いることとしているが、各気筒のポートに燃料を噴射するポート噴射式の燃料噴射弁でもよい。
　内燃機関１０の排気側には、排気マニホールド１４を介して排気通路１６が連通している。排気通路１６には、スタート触媒（以下、「ＳＣ」と称する）２０が配設されている。ＳＣ２０は、内燃機関１０の冷間始動時等において触媒活性を発現させて逸早く排気ガスを浄化することを目的としているため、機関からの伝熱および排気ガスからの受熱の影響を受け易い所定の排気上流領域に配置される。尚、ＳＣ２０は、かかる排気上流領域に配置されることにより、その動作時の床温が６００～７００℃に昇温される。
　本実施の形態１のシステムのＳＣ２０は、前段部に三元触媒（以下、「ＴＷＣ」と称する）２０１、後段部にＮＳＲ触媒（ＮＯｘ吸蔵還元触媒）２０２を備えるタンデム構造の触媒として構成されている。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。ＳＣ２０におけるＴＷＣ２０１は、リーン雰囲気では酸素（Ｏ２）を吸着しながらＮＯｘを還元（Ｎ２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（Ｈ２Ｏ、ＣＯ２に浄化）する。リッチ雰囲気下では、また、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（ＮＨ３）が生成される。
　ＳＣ２０におけるＮＳＲ触媒２０２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２０２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、ＳＣ２０１の場合と同様に、ＮＳＲ触媒２０２においてもＮＨ３が生成される。
　尚、ＴＷＣ２０１およびＮＳＲ触媒２０２は、例えば２層コート触媒として構成されていることが好ましい。図２は、ＴＷＣ２０１およびＮＳＲ触媒２０２の内部構造を説明するための図である。尚、この図中（Ａ）は前段部におけるＴＷＣ２０１の内部構造を、（Ｂ）は後段部におけるＮＳＲ触媒２０２の内部構造を、それぞれ詳細に示している。
　図２（Ａ）に示すとおり、ＴＷＣ２０１は、担体基材の表面に形成された下触媒層にＰｔ（またはＰｄ）を担持し、該下触媒層の表面に形成された上触媒層にＲｈを担持した構造とすることが好ましい。このように、ＲｈとＰｔを分離して担持することで、ＲｈがＰｄに固溶することを抑制することができるので、Ｐｔの酸化活性の低下およびＲｈの還元活性の低下を有効に抑制することができる。
　また、図２（Ｂ）に示すとおり、ＮＳＲ触媒２０２は、担体基材の表面に形成された下触媒層にＰｈを担持し、該下触媒層の表面に形成された上触媒層にＰｔ（またはＰｄ）および塩基からなるＮＯｘ吸蔵材を担持した構造とすることが好ましい。このように、Ｐｔを上触媒層に担持することで排気ガスとＰｔとの接触性が良好となるため、ＮＯｘ吸蔵材へのＮＯｘ吸蔵効率を有効に高めることができる。また、Ｒｈを下触媒層に担持することでリッチ雰囲気においてＲｈによって生成されたＨ２が上触媒層を通過することとなるため、吸蔵されていたＮＯｘの還元浄化性能を有効に高めることができる。
　図１に示すとおり、排気通路１６におけるＳＣ２０の下流側には、ＳＣＲ（ＮＯｘ選択還元触媒）２２が配設されている。ＳＣＲ２２は、ＴＷＣ２０１およびＮＳＲ触媒２０２がストイキ或いはリッチ雰囲気下で生成するＮＨ３を吸蔵し、リーン雰囲気下では、ＮＨ３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。ＳＣＲ２２によれば、ＳＣ２０の下流に吹き抜けてきたＮＨ３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１６におけるＳＣ２０の上流側に、空燃比（Ａ／Ｆ）センサ２４を備えている。Ａ／Ｆセンサ２４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１６におけるＳＣＲ１８の下流側にＮＯｘセンサ２６を備えている。ＮＯｘセンサ２６は、排気ガス中のＮＯｘおよびＮＨ３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ＳＣＲ２２の下流におけるＮＨ３濃度を、また、リーン雰囲気下では、ＳＣＲ２２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、上述した燃料噴射弁１２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２４およびＮＯｘセンサ２６の他、内燃機関１０の運転条件または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２０２のＮＯｘ浄化機能）
　先ず、ＮＳＲ触媒２０２のＮＯｘ浄化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、ＴＷＣ２０１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、ＴＷＣ２０１の下流側にＮＳＲ触媒２０２を備えることとしている。ＮＳＲ触媒２０２は、ＮＯｘをＢａ（ＮＯ３）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２０２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２０２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２０２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空燃比（例えば、Ａ／Ｆ＝１２）に制御される。リッチスパイク実行中の排気ガスには、ＨＣ、ＣＯ、Ｈ２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２０２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２０２内の触媒上でＮ２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２０２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。
　尚、一般的に、ＮＳＲ触媒におけるＮＯｘ吸蔵・浄化反応を活発に行わせるためには、その触媒床温を３５０～４５０℃程度に昇温することが好ましい。しかしながら、上述したとおり、本実施の形態１のシステムでは、ＮＳＲ触媒２０２の床温が５００～７５０℃に昇温されるように、その位置が調整されている。この理由については説明を後述する。
（ＳＣＲ２２のＮＯｘ浄化機能）
　次に、ＳＣＲ２２のＮＯｘ浄化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２０２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２０２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２０２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２０２の下流側に吹き抜けたＮＯｘを処理するためのＳＣＲ２２を備えることとしている。上述したとおり、ＳＣＲ２２は、ＴＷＣ２０１およびＮＳＲ触媒２０２が、リッチ雰囲気下で生成するＮＨ３をその内部に吸蔵している。このため、ＳＣＲ２２によれば、ＮＳＲ触媒２０２の下流に吹き抜けてきたＮＯｘをＮＨ３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、ＳＣＲ２２の床温を４７０℃以下、好ましくは２００～３５０℃とすることによって、該ＳＣＲ２２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、ＳＣＲ２２の床温が２００～３５０℃となるように、その配置が調整されている。これにより、ＳＣＲ２２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のシステムの特徴]
　次に、本実施の形態１のシステムの特徴について説明する。上述したとおり、ＮＳＲ触媒は、床温が３５０～４５０℃となる温度環境下において高いＮＯｘ浄化性能を発揮する。このため、従来のシステムにおいては、ＮＳＲ触媒がこのような温度領域に属するように、その配置が設定されている。
　しかしながら、ＮＳＲ触媒を３５０～４５０℃の温度領域に配置すると硫黄成分の付着に対しても好適な温度条件となってしまう。このため、このような条件においては、ＮＳＲ触媒の硫黄被毒が比較的短時間で進行してしまい、ＮＯｘ浄化性能およびＮＨ３生成性能が著しく低下してしまう。
　硫黄被毒が進行したＮＳＲ触媒から硫黄成分を有効に脱離させるためには、以下に示す２条件を満たすことが必要とされる。
　ａ）ＮＳＲ触媒の床温を７００℃程度まで昇温させること
　ｂ）ＮＳＲ触媒内をリッチ雰囲気に晒すこと
　しかしながら、ＮＳＲ触媒の床温を７００℃程度まで昇温させるためには、多大な熱エネルギを必要とする。このため、この昇温を空燃比のリッチ制御で行うこととすると、燃費の深刻な悪化が問題となる。また、別途排気熱回収器等を設けてＮＳＲ触媒の床温を昇温させることも考えられるが、これにはシステムの複雑化やコストの上昇が問題となる。このように、ＮＳＲ触媒の硫黄脱離処理には、種々の課題が存在する。
　そこで、本出願の発明者は、上記課題を解決するために、本実施の形態に示すシステムを考案した。このシステムは、図１に示すとおり、ＳＣ２０の後段部にＮＳＲ触媒２０２を備えていることに特徴を有している。すなわち、本実施の形態のシステムでは、ＮＳＲ触媒２０２が従来のシステムとは異なる温度領域（５００～７５０℃）に配設されている。このような温度領域においては、ＮＳＲ触媒２０２に硫黄成分が付着しにくいため、短時間で硫黄被毒が進行する事態を有効に抑止することができる。したがって、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄脱離処理の実行頻度を有効に減らすことができる。
　また、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄脱離処理を実行する場合においては、既に触媒床温は高い状態にあるため、リッチ雰囲気に晒すことで容易に脱離温度まで昇温させることができる。このため、燃費の悪化やエミッションの悪化を招くことなく、ＮＳＲ触媒２０２を硫黄被毒から有効に回復させることができる。
　尚、上述した本実施の形態１のシステムのように、ＮＳＲ触媒２０２を高温領域に配設することとすると、該ＮＳＲ触媒２０２のＮＯｘ浄化効率が低下してしまう。そこで、本実施の形態１のシステムでは、ＮＳＲ触媒２０２はＮＯｘの浄化よりもむしろＮＨ３を生成することを主目的とし、ＮＯｘの浄化については、その下流側に配設されたＳＣＲ２２において実行するように、これらの触媒の容量・特性等が調整されている。これにより、ＮＳＲ触媒２０２を高温領域に配置しても、ＮＯｘエミッションの悪化を有効に抑止することができる。
　ＮＳＲ触媒２０２における硫黄被毒の進行度合は、例えば、ＳＣＲ２２の下流のＮＯｘ濃度に基づいて判断することができる。これは、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄被毒が進行してＮＨ３生成量が低下すると、ＳＣＲ２２においてＮＨ３が不足し、その結果ＳＣＲ２２におけるＮＯｘ浄化率が低下するからである。そこで、本実施の形態のシステムでは、ＳＣＲ２２の下流のＮＯｘ濃度が所定値（例えば、１．４ｐｐｍ）よりも高い場合に、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄被毒が進行したことを判定し、該ＮＳＲ触媒２０２の硫黄脱離処理を実行することとする。
　硫黄脱離処理では、上述したとおり、ＮＳＲ触媒２０２の床温を７００℃程度まで昇温させ、且つリッチ雰囲気に晒す必要があるが、本実施の形態のシステムでは、ＮＳＲ触媒２０２の床温が７００℃乃至これに近い温度となる領域に配設されている。したがって、空燃比制御によってリッチガスをＮＳＲ触媒２０２に導入することで上記２条件を容易に満たすことができる。尚、この際、空燃比を極端なリッチ空燃比に制御することとするとエミッション悪化および燃費悪化の弊害が生じるため、ＮＳＲ触媒２０２に流入する排気ガスの空燃比がスライトリッチ（例えば、目標Ａ／Ｆ＝１４．３）となるように、各気筒の空燃比を制御することが好ましい。
　空燃比制御の方法としては種々の方法が考えられるが、空燃比の制御性の観点からは、例えば、リーンバーン運転中に所定気筒の空燃比をリッチ空燃比に制御する方法が好ましい。この方法では、具体的には、内燃機関１０の複数気筒を２つの気筒群（例えば、＃１および＃３気筒からなる気筒群と、＃２および＃４気筒からなる気筒群）とに分類し、一方の気筒群の空燃比をリーン空燃比に、他方の気筒群の空燃比をリッチ空燃比に制御する。この際、排気通路１６に配設された空燃比センサ２４の出力がスライトリッチを示す出力となるように、そのセンサ出力値を各気筒の燃料噴射量にフィードバックする。これにより、ＮＳＲ触媒２０２に所望のリッチガスを導入することができるので、硫黄成分を有効に脱離させることができる。
［実施の形態１における具体的処理］
　次に、図３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３は、ＥＣＵ３０が、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄被毒回復処理を実行するルーチンのフローチャートである。尚、図３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３に示すルーチンでは、先ず、ＮＳＲ触媒２０２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が検出したＮＯｘセンサ値が所定値（例えば１．４ｐｐｍ）以下か否かが判定される。その結果、ＮＯｘセンサ値≦所定値の成立が認められた場合には、ＮＳＲ触媒２０２においてＮＨ３が問題なく生成されている、すなわちＮＳＲ触媒２０２の硫黄被毒は進行していないと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。
　一方、上記ステップ１００において、ＮＯｘセンサ値≦所定値の成立が認められない場合には、ＮＳＲ触媒２０２におけるＮＨ３生成量が低下している、すなわちＮＳＲ触媒２０２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、排気空燃比がスライトリッチ（目標Ａ／Ｆ＝１４．３）に制御される（ステップ１０２）。ここでは、具体的には、一方の気筒群（例えば＃１および＃３気筒）をリッチ空燃比に、他方の気筒群（例えば＃２および＃４）をリーン空燃比に制御することにより、ＮＳＲ触媒２０２に流入する排気の空燃比がスライトリッチの目標Ａ／Ｆに制御される。
　図３に示すルーチンでは、次に、ＮＳＲ触媒２０２が硫黄被毒から回復したか否かが判定される（ステップ１０４）。ここでは、具体的には、ＮＯｘセンサ２６を用いてＮＯｘセンサ値が再度検出される。そして、検出されたＮＯｘセンサ値が所定値（１．４ｐｐｍ）以下となっているか否かが判定される。その結果、ＮＯｘセンサ値≦所定値の成立が認められた場合には、ＮＳＲ触媒２０２においてＮＨ３が問題なく生成されている、すなわちＮＳＲ触媒２０２が硫黄被毒から回復したと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。一方、上記ステップ１０４において、ＮＯｘセンサ値≦所定値の成立が認められない場合には、ＮＳＲ触媒２０２におけるＮＨ３生成量が増加していない、すなわちＮＳＲ触媒２０２が硫黄被毒から未だ回復していないと判断されて、上記ステップ１０２に再度移行し、次のステップに移行し、排気空燃比をスライトリッチに制御する処理が再度実行される。
　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、ＮＳＲ触媒２０２を所定の排気上流領域（５００～７５０℃）に配設することとしたため、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄被毒が短時間で進行する事態を有効に抑止することができる。また、本実施の形態１のシステムのＮＳＲ触媒２０２の配置によれば、触媒床温が常に高温の状態にある。このため、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄脱離処理を実行する場合に、容易に硫黄脱離温度まで昇温させることができるので、燃費の悪化やシステムの複雑化を有効に回避することができる。
　ところで、上述した実施の形態１においては、高温領域に配設されたＳＣ２０の後段部にＮＳＲ触媒２０２を配置することとしているが、ＮＳＲ触媒２０２の構成はこれに限られない。すなわち、ＮＳＲ触媒２０２の床温が５００～７５０℃に昇温される配置であれば、ＳＣ２０の下流側に別体として構成されていてもよい。
　また、上述した実施の形態１においては、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄被毒回復処理において、一方の気筒群をリッチ空燃比に他方の気筒群をリーン空燃比に制御することにより排気空燃比をスライトリッチ（目標Ａ／Ｆ＝１４．３）に制御することとしているが、全ての気筒の排気空燃比を一律に目標Ａ／Ｆに制御することによりスライトリッチを実現することとしてもよい。
　また、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、ＮＳＲ触媒２０２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、前回の硫黄被毒回復処理からの走行距離が所定距離（例えば、３０００ｋｍ）に到達した場合に硫黄被毒の進行を判定することとしてもよいし、また、前回の硫黄被毒回復処理からの時間、走行距離、排気ガス量、空燃比、および床温等の情報に基づいて、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄吸着量を推定して判断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、ＴＷＣ２０１が前記第１の発明における「第１の触媒」に、ＮＳＲ触媒２０２が前記第１の発明における「第２の触媒」に、ＳＣＲ２２が前記第１の発明における「ＮＯｘ選択還元触媒」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１００の処理を実行することにより、前記第４の発明における「判定手段」が、上記ステップ１０２の処理を実行することにより、前記第４の発明における「リッチガス導入手段」が、それぞれ実現されている。
　また、上述した実施の形態１においては、ＮＯｘセンサ２６が前記第５の発明における「ＮＯｘ濃度取得手段」に相当している。
実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
　次に、図４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１に示すシステムを用いて、後述する図４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。
　上述したとおり、ＳＣ２０の前段部に配置されたＴＷＣ２０１は、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比になっているときに、ＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘの三成分を同時に浄化する三元触媒としての機能を有している。このＴＷＣ２０１は、触媒成分として、Ｐｔ，Ｐｄ等の貴金属（活性点）と、酸素を吸収放出可能な酸素吸蔵成分とを含んでいる。この触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリッチである場合には、上記酸素吸蔵成分から酸素が放出され、その放出された酸素によって、ＨＣおよびＣＯといった未燃成分を酸化して浄化することができる。逆に、この触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンである場合には、上記酸素吸蔵成分が排気ガス中の余剰酸素を吸収することにより、ＮＯｘを還元浄化することができる。このようにして、酸素吸蔵成分が酸素の吸収および放出を行うことにより、触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に対し多少ばらついたとしても、ＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘの三成分を良好に浄化することができる。
　三元触媒は、経年使用によりその浄化性能が劣化していく。触媒の劣化度合いは、その触媒が吸蔵し得る最大の酸素量である酸素吸蔵容量Ｃｍａｘと関係していることが知られている。すなわち、酸素吸蔵容量Ｃｍａｘが低下しているほど、触媒の劣化が進行していると判定することができる。従って、触媒の酸素吸蔵容量Ｃｍａｘを測定することにより、その触媒の劣化を検出することができる。
　本実施形態のシステムでは、アクティブ空燃比制御を実行することにより、ＳＣ２０の酸素吸蔵容量Ｃｍａｘを測定する。アクティブ空燃比制御とは、内燃機関１０の空燃比を、理論空燃比を挟んでリッチ側とリーン側とに交互に強制的に切り替える制御である。尚、アクティブ空燃比制御を用いた酸素吸蔵容量Ｃｍａｘの測定方法については、既に多くの公知文献が存在するため、その詳細な説明を省略する。
　上述したアクティブ空燃比制御の実行中は、リッチガスとリーンガスとが交互にＳＣ２０内へ流入するため、該ＳＣ２０の床温が上昇する。そこで、本実施の形態のシステムでは、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄被毒が進行したと判定された場合に、酸素吸蔵容量Ｃｍａｘを測定するためのアクティブ空燃比制御を実行するタイミングである場合には、かかるアクティブ空燃比制御を利用してＮＳＲ触媒２０２の硫黄脱離処理を行うこととする。より具体的には、アクティブ空燃比制御における空燃比の制御中心を、一時的に理論空燃比から所定のスライトリッチ空燃比（例えば、Ａ／Ｆ＝１４．３）へ移行することとする。これにより、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄脱離に必要な上記２条件を容易に満たすことができるので、ＳＣ２０の異常診断を行いつつ該ＮＳＲ触媒２０２の硫黄脱離処理を有効に行うことができる。
[実施の形態２における具体的処理]
　次に、図４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４は、ＥＣＵ３０が、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄被毒回復処理を実行するルーチンのフローチャートである。尚、図４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４に示すルーチンでは、先ず、ＮＳＲ触媒２０２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センサ値≦所定値の成立が認められた場合には、ＮＳＲ触媒２０２においてＮＨ３が問題なく生成されている、すなわちＮＳＲ触媒２０２の硫黄被毒は進行していないと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。
　一方、上記ステップ２００において、ＮＯｘセンサ値≦所定値の成立が認められない場合には、ＮＳＲ触媒２０２におけるＮＨ３生成量が低下している、すなわちＮＳＲ触媒２０２の硫黄被毒は進行していると判断されて、次のステップに移行し、ＳＣ２０の酸素吸蔵容量Ｃｍａｘを測定するタイミングか否かが判定される（ステップ２０２）。ここでは、具体的には、前回の酸素吸蔵容量Ｃｍａｘの測定から所定の距離を走行したか否か、ＳＣ２０の下流側のエミッションが悪化しているか否か等に基づいて判断される。その結果、ＳＣ２０の酸素吸蔵容量Ｃｍａｘを測定するタイミングであると判定された場合には、次のステップに移行し、空燃比の制御中心をリッチ側にずらしたアクティブ空燃比制御が実行される（ステップ２０４）。ここでは、具体的には、アクティブ空燃比制御に８おける空燃比の制御中心が所定のリッチ空燃比（例えば、Ａ／Ｆ＝１４．３）に設定される。これにより、ＮＳＲ触媒２０２において硫黄の脱離が行われる。
　一方、上記ステップ２０２において、ＳＣ２０の酸素吸蔵容量Ｃｍａｘを測定するタイミングでないと判定された場合には、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄被毒回復処理とＳＣ２０の異常診断とを同時に行うことができないと判断されて、次のステップに移行し、排気空燃比がスライトリッチ（目標Ａ／Ｆ＝１４．３）に制御される（ステップ２０６）。ここでは、具体的には、上記ステップ１０２と同様の処理が実行される。
　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、ＳＣ２０の酸素吸蔵容量Ｃｍａｘを測定とＮＳＲ２０２の硫黄被毒回復処理とを同時に行うこととしたため、ＳＣ２０の異常診断を実行する過程で、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄被毒回復処理を実行することができる。
　ところで、上述した実施の形態２においては、高温領域に配設されたＳＣ２０の後段部にＮＳＲ触媒２０２を配置することとしているが、ＮＳＲ触媒２０２の構成はこれに限られない。すなわち、ＮＳＲ触媒２０２の床温が６００～７００℃に昇温される配置であれば、ＳＣ２０の下流側に別体として構成されていてもよい。
　また、上述した実施の形態２においては、ＮＯｘセンサ２６の出力信号に基づいて、ＮＳＲ触媒２０２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、前回の硫黄被毒回復処理からの走行距離が所定距離（例えば、３０００ｋｍ）に到達した場合に硫黄被毒の進行を判定することとしてもよいし、また、前回の硫黄被毒回復処理からの時間、走行距離、排気ガス量、空燃比、および床温等の情報に基づいて、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄吸着量を推定して判断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９の発明における「第２の判定手段」が、上記ステップ２０４の処理を実行することにより、前記第９の発明における「異常診断手段」および「リッチガス導入手段」が、それぞれ実現されている。
１０　内燃機関（エンジン）
１２　燃料噴射弁
１４　排気マニホールド
１６　排気通路
２０　スタート触媒（ＳＣ）
２０１　三元触媒
２０２　ＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＮＳＲ触媒）
２２　ＮＯｘ選択還元触媒（ＳＣＲ）
２４　Ａ／Ｆセンサ
２６　ＮＯｘセンサ
３０　ＥＣＵ（Electronic Control Unit）

Claims (9)

  1. 　リーンバーン運転が可能な内燃機関の排気浄化装置であって、
    　前記内燃機関の排気通路に配設され、その内部に貴金属が担持された第１の触媒と、
    　前記第１の触媒の排気下流側に配設され、その内部に貴金属および塩基が担持された第２の触媒と、
    　前記第２の触媒の下流側の排気通路に配設されたＮＯｘ選択還元触媒と、を備え、
    　前記第２の触媒は、前記排気通路における所定の排気上流領域に配設されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 　前記第２の触媒は、その動作時の床温が５００～７５０℃となる領域に配設されてい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装置。
  3. 　前記第１の触媒と前記第２の触媒とは、直列配置で一体化されたタンデム構造であることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 　前記第２の触媒の硫黄被毒が進行したか否かを判定する判定手段と、
    　前記硫黄被毒が進行したと判定された場合に、前記第２の触媒内にリッチガスを導入するリッチガス導入手段と、
    　を備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 　前記ＮＯｘ選択還元触媒の下流側の排気ガスのＮＯｘ濃度を取得するＮＯｘ濃度取得手段を更に備え、
    　前記判定手段は、前記ＮＯｘ濃度が所定濃度よりも高い場合に、前記第２の触媒の硫黄被毒が進行したことを判定することを特徴とする請求項４記載の内燃機関の排気浄化装置。
  6. 　前記判定手段は、前記リッチガス導入手段の前回の実行からの走行距離が所定距離よりも長い場合に、前記第２の触媒の硫黄被毒が進行したことを判定することを特徴とする請求項４または５記載の内燃機関の排気浄化装置。
  7. 　前記内燃機関は複数気筒を有する内燃機関であって、
    　前記リッチガス導入手段は、前記複数気筒を２群に分けた第１，第２の気筒群のうち、前記第１の気筒群の排気空燃比を所定のリッチ空燃比に制御し、前記第２の気筒群の排気空燃比を所定のリーン或いは理論空燃比に制御する空燃比制御手段を含むことを特徴とする請求項４乃至６の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
  8. 　前記リッチガス導入手段は、前記第２の触媒にスライトリッチの排気ガスを導入することを特徴とする請求項４乃至７の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
  9. 　前記第１の触媒の異常診断を行うタイミングか否かを判定する第２の判定手段と、
    　前記第１の触媒の異常診断を行うタイミングである場合に、理論空燃比を制御中心として前記内燃機関の空燃比をリッチ側とリーン側とに交互に強制的に切り替えるアクティブ空燃比制御を実行し、これにより測定した酸素吸蔵容量に基づいて、該第１の触媒の異常診断を実行する異常診断手段と、を更に備え、
    　前記リッチガス導入手段は、
    　前記第１の触媒の異常診断を行うタイミングであり、且つ前記第２の触媒の硫黄被毒が進行していると判定された場合に、前記アクティブ空燃比制御における前記制御中心を所定量リッチ方向へ移行させることを特徴とする請求項４乃至８の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
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