JP2004245182A

JP2004245182A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2004245182A
Application number: JP2003038187A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Yamaguchi; 正晃山口; Hisashi Oki; 久大木; Masaaki Kobayashi; 正明小林; Daisuke Shibata; 大介柴田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-02-17
Filing date: 2003-02-17
Publication date: 2004-09-02

Abstract

【課題】ＮＯ_Ｘ触媒から流出する還元剤の量を減少させる。
【解決手段】機関排気通路内にＮＯ_Ｘ触媒を配置する。ＮＯ_Ｘ触媒内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量を減少させるために、ＮＯ_Ｘ触媒内に流入する排気ガスの目標空燃比ＴＧＴをリッチ空燃比ＡＦＲに切り替えると共に、リッチ時間ｔＲだけリッチ空燃比ＡＦＲに保持する。リッチ空燃比ＡＦＲを、ＮＯ_Ｘ触媒から流出する炭化水素の量が許容上限炭化水素量を越えないように、リッチ時間ｔＲに基づいて設定する。この場合、リッチ時間ｔＲが長いときには短いときに比べてリッチ空燃比ＡＦＲが大きく、即ちリッチ度合いが小さくされる。
【選択図】図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リーン空燃比のもとで継続して燃焼が行われる内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯ_Ｘを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯ_Ｘを還元して蓄えているＮＯ_Ｘの量が減少するＮＯ_Ｘ触媒を配置し、ＮＯ_Ｘ触媒内に蓄えられているイオウ例えばＳＯ_Ｘの量を減少させるために、ＮＯ_Ｘ触媒内に流入する排気ガスの空燃比を一定のリッチ空燃比に切り替えると共に、ＮＯ_Ｘ触媒内の蓄積ＳＯ_Ｘ量が下限量になるまでこのリッチ空燃比に保持するようにした内燃機関が公知である（特許文献１参照）。詳しくは後述するが、ＮＯ_Ｘ触媒内にはＳＯ_Ｘが硫酸塩の形で蓄えられており、ＮＯ_Ｘ触媒内に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすると、排気ガス中に含まれるＨＣ，ＣＯのような還元剤によりこの硫酸塩がＳＯ_２に還元されてＮＯ_Ｘ触媒から流出し、斯くしてＮＯ_Ｘ触媒内の蓄積ＳＯ_Ｘ量が減少する。
【０００３】
ＮＯ_Ｘ触媒内に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比に切り替えられてからＮＯ_Ｘ触媒内の蓄積ＳＯ_Ｘ量が下限量になるまでに必要な時間は例えば機関運転状態に応じて変動する。従って、ＮＯ_Ｘ触媒内に流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比に保持されている時間をリッチ時間と称すると、この内燃機関におけるリッチ時間は短い場合もあれば長い場合もあるということになる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−２１７４７４号公報
【特許文献２】
特開２０００−１７０５２５号公報
【特許文献３】
特開平１１−３３３２５６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ＮＯ_Ｘ触媒に供給された全ての還元剤が必ずしもＮＯ_Ｘ触媒内で酸化されるとは限らず、即ち還元剤がＮＯ_Ｘ触媒からそのまま流出する場合がある。しかしながら、上述の内燃機関ではリッチ空燃比がリッチ時間に関わらず一定に維持され、従ってリッチ時間が長くなれば長くなるほどＮＯ_Ｘ触媒から流出する還元剤の量が増大するという問題点がある。
【０００６】
そこで本発明の目的は、ＮＯ_Ｘ触媒から流出する還元剤の量を減少させることができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために１番目の発明によれば、リーン空燃比のもとで継続して燃焼が行われる内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯ_Ｘを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯ_Ｘを還元して蓄えているＮＯ_Ｘの量が減少するＮＯ_Ｘ触媒を配置し、該ＮＯ_Ｘ触媒内に蓄えられているイオウの量を減少させるために、ＮＯ_Ｘ触媒内に流入する排気ガスの空燃比を、理論空燃比又はリッチ空燃比である目標空燃比に切り替えると共に、該排気ガスの空燃比を目標時間だけ該目標空燃比に保持するようにした内燃機関の排気浄化装置において、前記目標空燃比を前記目標時間に基づいて設定している。
【０００８】
また、２番目の発明によれば１番目の発明において、前記目標空燃比を、前記目標時間が長いときには短いときに比べて大きくなるように設定している。
【０００９】
また、３番目の発明によれば１番目の発明において、前記目標空燃比を、ＮＯ_Ｘ触媒内に流入する排気ガスの空燃比が前記目標空燃比に保持されているときにＮＯ_Ｘ触媒から流出する炭化水素の量が許容上限炭化水素量を越えないように設定している。
【００１０】
また、４番目の発明によれば１番目の発明において、前記目標空燃比を、ＮＯ_Ｘ触媒内に流入する排気ガスの空燃比が前記目標空燃比に保持されているときにＮＯ_Ｘ触媒から流出する硫化水素の量が許容上限硫化水素量を越えないように設定している。
【００１１】
また、５番目の発明によれば１番目の発明において、前記目標時間が機関運転状態又は機関運転履歴に基づいて設定される。
【００１２】
また、６番目の発明によれば１番目の発明において、ＮＯ_Ｘ触媒内に流入する排気ガスの空燃比を前記目標空燃比に切り替えて前記目標時間だけ保持する空燃比切り替え保持作用が、わずかばかりの時間を隔てて繰り返し行われると共に、空燃比切り替え保持作用が予め定められた設定時間に亘って行われる。
【００１３】
なお、本明細書では排気通路の或る位置よりも上流の排気通路、燃焼室、及び吸気通路内に供給された空気と炭化水素ＨＣ及び一酸化炭素ＣＯのような還元剤との比をその位置における排気ガスの空燃比と称している。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。なお、本発明は火花点火式内燃機関にも適用することもできる。
【００１５】
図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートをそれぞれ示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介して排気ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５の出口に連結される。コンプレッサ１５の入口には吸気管１３ａが連結される。図１に示されるように、吸気ダクト１３内にはステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７が配置され、更に吸気ダクト１３周りには吸気ダクト１３内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１８が配置される。本発明による実施例では、スロットル開度はほぼ全ての運転領域において最大開度に維持され、要求負荷Ｌがかなり小さくなると最大開度よりも小さくされ、要求負荷Ｌがゼロになると小さなアイドル開度にされる。
【００１６】
一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９及び排気管２０を介して排気ターボチャージャ１４の排気タービン２１の入口に連結され、排気タービン２１の出口は排気管２０ａを介してケーシング２２ａの入口に連結される。ケーシング２２ａ内には後述するＮＯ_Ｘ触媒２２が収容されている。また、ケーシング２２ａの出口には排気管２０ｂが連結される。
【００１７】
更に図１を参照すると、排気マニホルド１９とサージタンク１２とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２４を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２４内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２５が配置される。また、ＥＧＲ通路２４周りにはＥＧＲ通路２４内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２６が配置される。
【００１８】
一方、各燃料噴射弁６は燃料供給管６ａを介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２７に連結される。このコモンレール２７内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２８から燃料が供給され、コモンレール２７内に供給された燃料は各燃料供給管６ａを介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２７にはコモンレール２７内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２９が取付けられ、燃料圧センサ２９の出力信号に基づいてコモンレール２７内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２８の吐出量が制御される。
【００１９】
電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５及び出力ポート４６を具備する。燃料圧センサ２９の出力信号は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。吸気管１３ａには吸入空気量を検出するためのエアフローメータ４８が取り付けられる。また、ＮＯ_Ｘ触媒２２上流の排気管２０ａ内にはＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ４９ａが取り付けられ、ＮＯ_Ｘ触媒２２下流の排気管２０ｂ内にはＮＯ_Ｘ触媒２２から流出した排気ガスの温度を検出するための温度センサ４９ｂが取り付けられる。これらセンサ４８，４９ａ，４９ｂの出力電圧はそれぞれ対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。ここで、温度センサ４９ｂにより検出される排気ガスの温度はＮＯ_Ｘ触媒２２の温度を表している。
【００２０】
アクセルペダル５０にはアクセルペダル５０の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ５１が接続され、負荷センサ５１の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。アクセルペダル５０の踏み込み量Ｌは要求負荷Ｌを表している。更に入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５２が接続される。ＣＰＵ４４ではクランク角センサ５２からの出力パルスに基づいて機関回転数Ｎが算出される。一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して燃料噴射弁６、スロットル弁駆動用ステップモータ１６、ＥＧＲ制御弁２５、及び燃料ポンプ２８にそれぞれ接続される。
【００２１】
ＮＯ_Ｘ触媒２２は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウムＲｈ、イリジウムＩｒのような貴金属とが担持されている。
【００２２】
ＮＯ_Ｘ触媒は流入する排気ガスの平均空燃比がリーンのときにはＮＯ_Ｘを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯ_Ｘを還元して蓄えているＮＯ_Ｘの量を減少させる蓄積還元作用を行う。
【００２３】
ＮＯ_Ｘ触媒の蓄積還元作用の詳細なメカニズムについては完全には明らかにされていない。しかしながら、現在考えられているメカニズムを、担体上に白金Ｐｔ及びバリウムＢａを担持させた場合を例にとって簡単に説明すると次のようになる。
【００２４】
即ち、ＮＯ_Ｘ触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもかなりリーンになると流入する排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大し、酸素Ｏ_２がＯ_２ ⁻又はＯ^２−の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入する排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面に付着し白金Ｐｔの表面上でＯ_２ ⁻又はＯ^２−と反応し、ＮＯ_２となる（ＮＯ＋Ｏ_２→ＮＯ_２＋Ｏ^＊、ここでＯ^＊は活性酸素）。次いで生成されたＮＯ_２の一部は白金Ｐｔ上でさらに酸化されつつＮＯ_Ｘ触媒内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、硝酸イオンＮＯ_３ ⁻の形でＮＯ_Ｘ触媒内に拡散する。このようにしてＮＯ_ＸがＮＯ_Ｘ触媒内に蓄えられる。
【００２５】
これに対し、ＮＯ_Ｘ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチ又は理論空燃比になると、排気ガス中の酸素濃度が低下してＮＯ_２の生成量が低下し、反応が逆方向（ＮＯ_３ ⁻→ＮＯ＋２Ｏ^＊）に進み、斯くしてＮＯ_Ｘ触媒内の硝酸イオンＮＯ_３ ⁻がＮＯの形でＮＯ_Ｘ触媒から放出される。この放出されたＮＯ_Ｘは排気ガス中に還元剤即ちＨＣ，ＣＯが含まれているとこれらＨＣ，ＣＯと反応して還元せしめられる。このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯ_Ｘが存在しなくなるとＮＯ_Ｘ触媒から次から次へとＮＯ_Ｘが放出されて還元され、ＮＯ_Ｘ触媒内に蓄えられているＮＯ_Ｘの量が次第に減少する。
【００２６】
なお、硝酸塩を形成することなくＮＯ_Ｘを蓄え、ＮＯ_Ｘを放出することなくＮＯ_Ｘを還元することも可能であると考えられている。また、活性酸素Ｏ^＊に着目すれば、ＮＯ_Ｘ触媒はＮＯ_Ｘの蓄積及び放出に伴って活性酸素Ｏ^＊を生成する活性酸素生成触媒と見ることもできる。
【００２７】
図１に示される内燃機関はリーン空燃比ＡＦＬのもとでの燃焼が継続して行われており、従ってＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比はリーンに維持されている。その結果、排気ガス中のＮＯ_ＸはＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられる。
【００２８】
時間の経過と共にＮＯ_Ｘ触媒２２内の蓄積ＮＯ_Ｘ量は次第に増大する。そこで本発明による実施例では、ＮＯ_Ｘ触媒２２内の蓄積ＮＯ_Ｘ量が予め定められた許容上限ＮＯ_Ｘ量を越えたか否かを判断し、蓄積ＮＯ_Ｘ量が許容上限ＮＯ_Ｘ量を越えた判断されたときには、ＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＮＯ_Ｘを還元しＮＯ_Ｘ触媒２２内の蓄積ＮＯ_Ｘ量を減少させるために、ＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチに切り替えるようにしている。
【００２９】
ところで、排気ガス中にはイオウ分がＳＯ_Ｘの形で含まれており、ＮＯ_Ｘ触媒２２内にはＮＯ_ＸばかりでなくＳＯ_Ｘも蓄えられる。このＳＯ_ＸのＮＯ_Ｘ触媒２２内への蓄積メカニズムはＮＯ_Ｘの蓄積メカニズムと同じであると考えられる。即ち、担体上に白金Ｐｔ及びバリウムＢａを担持させた場合を例にとって簡単に説明すると、ＮＯ_Ｘ触媒２２に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには上述したように酸素Ｏ_２がＯ_２ ⁻又はＯ^２−の形で白金Ｐｔの表面に付着しており、流入する排気ガス中のＳＯ_２は白金Ｐｔの表面に付着し白金Ｐｔの表面上でＯ_２ ⁻又はＯ^２−と反応し、ＳＯ_３となる。次いで生成されたＳＯ_３は白金Ｐｔ上でさらに酸化されつつＮＯ_Ｘ触媒２２内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、硫酸イオンＳＯ_４ ⁻の形でＮＯ_Ｘ触媒２２内に拡散する。この硫酸イオンＳＯ_４ ⁻は次いでバリウムイオンＢａ^＋と結合して硫酸塩ＢａＳＯ_４を生成する。
【００３０】
この硫酸塩ＢａＳＯ_４は分解しにくく、ＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比をただ単にリッチにしてもＮＯ_Ｘ触媒２２内の硫酸塩ＢａＳＯ_４の量は減少しない。このため、時間が経過するにつれてＮＯ_Ｘ触媒２２内の硫酸塩ＢａＳＯ_４の量が増大し、その結果ＮＯ_Ｘ触媒２２が蓄えうるＮＯ_Ｘの量が減少することになる。
【００３１】
ところが、ＮＯ_Ｘ触媒２２の温度を例えば５５０℃以上に維持しつつＮＯ_Ｘ触媒２２に流入する排気ガスの平均空燃比を理論空燃比又はリッチにすると、ＮＯ_Ｘ触媒２２内の硫酸塩ＢａＳＯ_４が分解してＳＯ_３の形でＮＯ_Ｘ触媒２２から放出される。この放出されたＳＯ_３は排気ガス中に還元剤即ちＨＣ，ＣＯが含まれているとこれらＨＣ，ＣＯと反応してＳＯ_２に還元せしめられる。このようにしてＮＯ_Ｘ触媒２２内に硫酸塩ＢａＳＯ_４の形で蓄えられているＳＯ_Ｘの量が次第に減少し、このときＮＯ_Ｘ触媒２２からＳＯ_ＸがＳＯ_３の形で流出することがない。
【００３２】
そこで本発明による実施例では、ＮＯ_Ｘ触媒２２内の蓄積ＳＯ_Ｘ量が予め定められた許容上限ＳＯ_Ｘ量を越えたか否かを判断し、蓄積ＳＯ_Ｘ量が許容上限ＳＯ_Ｘ量を越えたと判断されたときには、ＮＯ_Ｘ触媒２２内に蓄えられているＳＯ_Ｘの量を減少させるために、ＮＯ_Ｘ触媒２２の温度を必要温度ＴＳ（例えば５５０℃）以上に維持しながら、ＮＯ_Ｘ触媒２２に流入する排気ガスの平均空燃比を一時的に例えばわずかばかりリッチに維持するリッチ処理を行うようにしている。
【００３３】
図２を参照しながら具体的に説明する。図２（Ａ）はＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入する排気ガスの平均空燃比ＡＶＥ及びＮＯ_Ｘ触媒２２の温度ＴＣＡＴの経時変化を概略的に示している。図２において矢印Ｘで示されるように、ＮＯ_Ｘ触媒２２内の蓄積ＳＯ_Ｘ量が許容上限ＳＯ_Ｘ量を越えたと判断されると、まず、ＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しながら、ＮＯ_Ｘ触媒２２の温度ＴＣＡＴを必要温度ＴＳ以上に上昇させる昇温処理が行われる。通常、ＮＯ_Ｘ触媒２２の温度ＴＣＡＴは必要温度ＴＳよりもかなり低くなっているからである。
【００３４】
昇温処理を実行するには様々な方法があり、例えばＮＯ_Ｘ触媒２２の上流端に電気ヒータを配置して電気ヒータによりＮＯ_Ｘ触媒２２又はＮＯ_Ｘ触媒２２に流入する排気ガスを加熱する方法や、ＮＯ_Ｘ触媒２２上流の排気通路内に燃料を二次的に噴射してこの燃料を燃焼させることによりＮＯ_Ｘ触媒２２を加熱する方法や、内燃機関から排出される排気ガスの温度を上昇させてＮＯ_Ｘ触媒２２の温度を上昇させる方法がある。ここで、内燃機関から排出される排気ガスの温度を上昇させるために、例えば主燃料の噴射時期を遅角することもできるし、又は主燃料に加えて膨張行程中又は排気行程中に追加の燃料を噴射することもできる。
【００３５】
本発明による実施例では、昇温処理を行うために例えば排気行程中に追加の燃料を噴射するようにしており、このため図２（Ａ）にＹで示されるように、ＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入する排気ガスの平均空燃比が若干小さくなっている。
【００３６】
次いで、ＮＯ_Ｘ触媒２２の温度ＴＣＡＴが必要温度ＴＳ以上になると、排気ガスの平均空燃比ＡＶＥがわずかばかりリッチに切り替えられ保持される。即ち、リッチ処理が開始される。
【００３７】
ＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチに切り替えるにも様々な方法があり、例えば燃焼室５から排出される排気ガスの空燃比を一時的にリッチに切り替える方法や、ＮＯ_Ｘ触媒２２上流の排気通路内に追加の燃料ないし還元剤を一時的に噴射する方法がある。ここで、燃焼室５から排出される排気ガスの空燃比をリッチに切り替えるために、例えば燃焼室５内で燃焼せしめられる混合気の空燃比をリッチに切り替えることもできるし、又は圧縮上死点付近で噴射される主燃料に加えて膨張行程中又は排気行程中に追加の燃料を噴射することもできる。本発明による実施例では、昇温処理を行うために例えば排気行程中に追加の燃料を噴射するようにしている。
【００３８】
次いで、リッチ処理が開始されてから予め定められた設定時間ｔＣだけ経過すると、排気ガスの平均空燃比ＡＶＥがリーンに戻される。この設定時間ｔＣは例えばＮＯ_Ｘ触媒２２内の蓄積ＳＯ_Ｘ量をほぼゼロにするのに必要な時間であって、予め実験により求められている。
【００３９】
ところで、本発明による実施例では、ＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比の目標値が設定され、ＮＯ_Ｘ触媒２２内に実際に流入する排気ガスの空燃比がこの目標値に一致するように、空燃比センサ４９ａの出力に基づいて上述した追加の燃料の量が制御される。以下では、この目標値を目標空燃比ＴＧＴと称することにする。
【００４０】
上述した設定時間ｔＣに亘って目標空燃比ＴＧＴをわずかばかりリッチに維持することによっても、ＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入する排気ガスの平均空燃比ＡＶＥをわずかばかりリッチに維持することができる。
【００４１】
しかしながら、本発明による実施例では、目標空燃比ＴＧＴを間欠的にリッチ空燃比ＡＦＲにすることにより、ＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入する排気ガスの平均空燃比ＡＶＥがわずかばかりリッチに維持されるようにしている。
【００４２】
図２（Ｂ）を参照して詳しく説明すると、目標空燃比ＴＧＴがリーン空燃比ＡＦＬからリッチ空燃比ＡＦＲに切り替えられ保持される。次いで、リッチ時間ｔＲだけ経過すると、即ち目標空燃比ＴＧＴがリッチ時間ｔＲだけリッチ空燃比ＡＦＲに保持されると、目標空燃比ＴＧＴがリーン空燃比ＡＦＬに戻される。その結果、ＮＯ_Ｘ触媒２２の温度ＴＣＡＴが低下し、次いで予め定められた限界温度ＴＴよりも低くなると、目標空燃比ＴＧＴが再びリッチ空燃比ＡＦＲに切り替えられ、これが設定時間ｔＣに亘って繰り返される。この場合、目標空燃比ＴＧＴはリーン時間ｔＬだけリーン空燃比ＡＦＬに保持されることになる。なお、この限界温度ＴＴは上述した必要温度ＴＳよりも高く、例えば６００℃である。
【００４３】
従って、本発明による実施例では、ＮＯ_Ｘ触媒２２内の蓄積ＳＯ_Ｘ量を減少させるために、ＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比を目標となる理論空燃比又はリッチ空燃比ＡＦＲに切り替えてリッチ時間ｔＲだけ保持する空燃比切り替え保持作用を行い、この空燃比切り替え保持作用をわずかばかりのリーン時間ｔＬを隔てて繰り返し行うと共に、空燃比切り替え保持作用を設定時間ｔＣに亘って行うようにしているということになる。
【００４４】
リッチ時間ｔＲは一定値とすることもできるが、本発明による実施例では機関運転状態及び機関運転履歴に応じて設定される。即ち、吸入空気量Ｇａが多くなってＮＯ_Ｘ触媒２２における空間速度が高くなると、酸化されることなくＮＯ_Ｘ触媒２２を通過するＨＣ，ＣＯの量が多くなる。そこで、図３（Ａ）に示されるように、吸入空気量Ｇａが多くなるにつれて短くなるようにリッチ時間ｔＲが設定される。
【００４５】
一方、目標空燃比ＴＧＴがリーンのときには、ＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入する排気ガス中に多量の酸素が含まれており、この多量の酸素がＮＯ_Ｘ触媒２２の表面に付着する。このため、目標空燃比ＴＧＴをリッチに切り替えた直後は、このとき排気ガス中に含まれるＨＣ，ＣＯはＮＯ_Ｘ触媒２２表面上の酸素と反応し、概略的に言うと、ＮＯ_Ｘ触媒２２表面上の酸素がなくなってからようやく硫酸塩の分解が開始される。このＮＯ_Ｘ触媒２２表面上の酸素の量は、ＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入する排気ガスの空燃比がリッチからリーンに切り替えられてから、再びリーンからリッチに切り替えるべきまでの時間、即ち直前のリーン時間ｔＬＯに依存し、即ち直前のリーン時間ｔＬＯが長くなるにつれて多くなる。そこで、図３（Ａ）に示されるように、直前のリーン時間ｔＬＯが長くなるにつれて長くなるようにリッチ時間ｔＲが設定される。リッチ時間ｔＲは吸入空気量Ｇａ及び直前のリーン時間ｔＬＯの関数として図３（Ｂ）に示されるマップの形で予めＲＯＭ４２内に記憶されている。
【００４６】
次に、図４から図６を参照してリッチ空燃比ＡＦＲの設定方法について説明する。
【００４７】
図４（Ａ）の実線は、リッチ処理を一定時間だけ行ったときに得られるＮＯ_Ｘ触媒２２の蓄積ＳＯ_Ｘ量の減少量ＱＳＯ_Ｘを示す実験結果である。図４（Ａ）からわかるように、リッチ空燃比ＡＦＲが小さくなるにつれて即ちリッチ度合いが大きくなるにつれて、ＳＯ_Ｘ減少量ＱＳＯ_Ｘが多くなり、リッチ時間ｔＲが長くなるにつれてＳＯ_Ｘ減少量ＱＳＯ_Ｘが多くなる。従って、リッチ処理を短時間で完了させるためには、リッチ空燃比ＡＦＲをできるだけ小さくするのが好ましいということになる。
【００４８】
一方、図４（Ａ）において破線で示されるのは、実験により得られたＳＯ_Ｘ減少量ＱＳＯ_Ｘの各プロットのうち、酸化されることなくＮＯ_Ｘ触媒２２から排出されるＨＣの量ＱＨＣが等しいものを結んで得られる等ＱＨＣ線である。図４（Ａ）からわかるように、概略的に言うと、リッチ空燃比ＡＦＲが小さくなるにつれて即ちリッチ度合いが大きくなるにつれて、排出ＨＣ量ＱＨＣが多くなり、リッチ時間ｔＲが長くなるにつれて排出ＨＣ量ＱＨＣが多くなる。従って、リッチ処理が行われているときの排出ＨＣ量を少なくするためには、リッチ空燃比ＡＦＲをできるだけ大きくするのが好ましいということになる。
【００４９】
そこで本発明による実施例では、リッチ処理が行われているときの排出ＨＣ量ＱＨＣが予め定められた許容上限ＨＣ量ＵＴＨＣを越えないように、より好ましくは排出ＨＣ量ＱＨＣが許容上限ＨＣ量ＵＴＨＣにほぼ一致するように、リッチ空燃比ＡＦＲを設定している。このようにすると、排出ＨＣ量ＱＨＣを少なく維持しながら、ＳＯ_Ｘ減少量ＱＳＯ_Ｘを多くすることができる。なお、この許容上限ＨＣ量ＵＴＨＣは図４（Ｂ）に一点鎖線でもって示されている。
【００５０】
この場合のリッチ空燃比ＡＦＲは図５に示されるように、リッチ時間ｔＲが長いときには短いときに比べて大きくなる即ちリッチ度合いが小さくなる。このリッチ空燃比ＡＦＲは図５に示されるマップの形で予めＲＯＭ４２内に記憶されている。
【００５１】
従って、リッチ時間ｔＲが比較的短い場合には図６（Ａ）に示されるように、リッチ空燃比ＡＦＲが比較的小さく即ちリッチ度合いが比較的大きくなり、リッチ時間ｔＲが比較的長い場合には図６（Ｂ）に示されるように、リッチ空燃比ＡＦＲが比較的大きく即ちリッチ度合いが比較的小さくなる。
【００５２】
図７は本発明による実施例のリッチ処理制御ルーチンを示している。このリッチ処理制御ルーチンは予め定められた処理サイクル時間毎の割り込みによって実行される。
【００５３】
図７を参照すると、まずステップ７０ではフラグがセットされているか否かが判別される。このフラグはＮＯ_Ｘ触媒２２内の蓄積ＳＯ_Ｘ量が許容上限ＳＯ_Ｘ量を越えた判断されるとセットされ、リッチ処理が完了するとリセットされるものであり、図８に示されるフラグ制御ルーチンにおいてセットされる。なお、このフラグ制御ルーチンも予め定められた処理サイクル時間毎の割り込みによって実行される。
【００５４】
図８を参照すると、まずステップ９０では、前回の処理サイクルから今回の処理サイクルまでに燃料噴射弁６から噴射された燃料及び追加の燃料の量の合計値ＱＦが積算値ＳＱＦに加算される（ＳＱＦ＝ＳＱＦ＋ＱＦ）。ＮＯ_Ｘ触媒２２内の蓄積ＳＯ_Ｘ量は単位時間当たりＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入するＳＯ_Ｘの量に依存し、単位時間当たりＮＯ_Ｘ触媒２２内に流入するＳＯ_Ｘの量は燃料噴射弁６から噴射された燃料の量に依存する。従って、一定時間内に燃料噴射弁６から噴射された燃料及び追加の燃料の合計量ＱＦを積算して得られる積算値ＳＱＦはＮＯ_Ｘ触媒２２内の蓄積ＳＯ_Ｘ量を表していることになる。
【００５５】
続くステップ９１では積算値ＳＱＦが上述した許容上限ＳＯ_Ｘ量に対応する許容上限値Ｓ１よりも大きいか否かが判別される。ＳＱＦ≦Ｓ１のときには処理サイクルを終了し、ＳＱＦ＞Ｓ１のときには次いでステップ９２に進んでフラグをセットする。次いで、ステップ９３では、積算値ＳＱＦがゼロに戻される。即ち、本発明による実施例では、積算値ＳＱＦが許容上限値Ｓ１よりも大きいときには、ＮＯ_Ｘ触媒２２内の蓄積ＳＯ_Ｘ量が許容上限ＳＯ_Ｘ量を越えたと判断している。
【００５６】
再び図７を参照すると、ステップ７０においてフラグがセットされていないときには次いで処理サイクルを終了し、フラグがセットされているときには次いでステップ７１に進み、現在の機関運転状態がリッチ処理許可領域内にあるか否かが判別される。即ち、本発明による実施例では、現在の機関運転状態が、図９に示されるように要求負荷Ｌ及び機関回転数Ｎにより定まる機関運転領域のうち、ハッチングで示されるリッチ処理許可領域内にあるときには、リッチ処理が許可され、それ以外はリッチ処理が禁止される。機関低負荷又は低回転運転時には、ＮＯ_Ｘ触媒２２の温度ＴＣＡＴを上述した必要温度ＴＳまで上昇させるのにかなり大きなエネルギを必要とし、機関高負荷又は高回転運転時には、このときリッチ処理を行うとＮＯ_Ｘ触媒２２の温度が過度に高くなる恐れがあるからである。
【００５７】
現在の機関運転状態がリッチ処理許可領域内にないときには処理サイクルを終了し、リッチ処理許可領域内にあるときにはステップ７２に進み、ＮＯ_Ｘ触媒２２の温度ＴＣＡＴが必要温度ＴＳよりも高いか否かが判別される。ＴＣＡＴ≦ＴＳのときには次いでステップ７３に進み、昇温処理が行われた後に、処理サイクルを終了する。
【００５８】
ＴＣＡＴ＞ＴＳのときには次いでステップ７４に進み、ＮＯ_Ｘ触媒２２の温度ＴＣＡＴが限界温度ＴＴよりも低いか否かが判別される。ＴＣＡＴ＜ＴＴのときには次いでステップ７５に進み、図３（Ｂ）のマップからリッチ時間ｔＲが算出される。続くステップ７６では図５のマップからリッチ空燃比ＡＦＲが算出される。続くステップ７７では、リッチ時間ｔＲだけ目標空燃比ＴＧＴがリッチ空燃比ＡＦＲに保持される。続くステップ７８では、リッチ処理が開始されてから設定時間ｔＣだけ経過したか否かが判別される。設定時間ｔＣだけ経過していないときには処理サイクルを終了し、設定時間ｔＣだけ経過したときにはステップ７９に進んでフラグがリセットされる。
【００５９】
図１０を参照してリッチ空燃比ＡＦＲの設定方法の別の実施例を説明する。
【００６０】
図１０の実線は、リッチ処理を一定時間だけ行ったときにＮＯ_Ｘ触媒２２から排出される硫化水素Ｈ_２Ｓの量ＱＨＳを示す実験結果である。図１０からわかるように、リッチ空燃比ＡＦＲが小さくなるにつれて即ちリッチ度合いが大きくなるにつれて、排出硫化水素量ＱＨＳが多くなり、リッチ時間ｔＲが長くなるにつれて排出硫化水素量ＱＨＳが多くなる。
【００６１】
そこで本発明による別の実施例では、リッチ処理が行われているときの排出硫化水素量ＱＨＳが予め定められた許容上限硫化水素量ＵＴＨＳを越えないように、より好ましくは排出硫化水素量ＱＨＳが許容上限硫化水素量ＵＴＨＳにほぼ一致するように、リッチ空燃比ＡＦＲを設定している。このようにすると、排出硫化水素量ＱＨＳを少なく維持しながら、ＳＯ_Ｘ減少量ＱＳＯ_Ｘを多くすることができる。なお、この許容上限硫化水素量ＵＴＨＳは図１０に一点鎖線でもって示されている。この場合のリッチ空燃比ＡＦＲも、リッチ時間ｔＲが長いときには短いときに比べて大きくなる即ちリッチ度合いが小さくなる。
【００６２】
【発明の効果】
ＮＯ_Ｘ触媒から流出する還元剤の量を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】リッチ処理を説明するための図である。
【図３】リッチ時間ｔＲを示す線図である。
【図４】ＳＯ_Ｘ減少量ＱＳＯ_Ｘ及び排出ＨＣ量を示す線図である。
【図５】リッチ空燃比ＡＦＲを示す線図である。
【図６】本発明の実施例による目標空燃比ＴＧＴを示す線図である。
【図７】リッチ処理制御を実行するためのフローチャートである。
【図８】フラグ制御を実行するためのフローチャートである。
【図９】リッチ処理許可領域を示す線図である。
【図１０】排出硫化水素量を示す線図である。
【符号の説明】
１…機関本体
６…燃料噴射弁
２２…ＮＯ_Ｘ触媒

Claims

リーン空燃比のもとで継続して燃焼が行われる内燃機関の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに流入する排気ガス中のＮＯ_Ｘを蓄え、流入する排気ガスの空燃比が低下したときに排気ガス中に還元剤が含まれていると蓄えているＮＯ_Ｘを還元して蓄えているＮＯ_Ｘの量が減少するＮＯ_Ｘ触媒を配置し、該ＮＯ_Ｘ触媒内に蓄えられているイオウの量を減少させるために、ＮＯ_Ｘ触媒内に流入する排気ガスの空燃比を、理論空燃比又はリッチ空燃比である目標空燃比に切り替えると共に、該排気ガスの空燃比を目標時間だけ該目標空燃比に保持するようにした内燃機関の排気浄化装置において、前記目標空燃比を前記目標時間に基づいて設定した内燃機関の排気浄化装置。
前記目標空燃比を、前記目標時間が長いときには短いときに比べて大きくなるように設定した請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記目標空燃比を、ＮＯ_Ｘ触媒内に流入する排気ガスの空燃比が前記目標空燃比に保持されているときにＮＯ_Ｘ触媒から流出する炭化水素の量が許容上限炭化水素量を越えないように設定した請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記目標空燃比を、ＮＯ_Ｘ触媒内に流入する排気ガスの空燃比が前記目標空燃比に保持されているときにＮＯ_Ｘ触媒から流出する硫化水素の量が許容上限硫化水素量を越えないように設定した請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記目標時間が機関運転状態又は機関運転履歴に基づいて設定される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
ＮＯ_Ｘ触媒内に流入する排気ガスの空燃比を前記目標空燃比に切り替えて前記目標時間だけ保持する空燃比切り替え保持作用が、わずかばかりの時間を隔てて繰り返し行われると共に、空燃比切り替え保持作用が予め定められた設定時間に亘って行われる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。