JP3685033B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気を浄化する排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車等に搭載される内燃機関、特に酸素過剰状態の混合気（所謂、リーン空燃比の混合気）を燃焼可能とするディーゼル機関やリーンバーン・ガソリン機関では、該内燃機関の排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯx）を浄化する技術が望まれている。
【０００３】
このような要求に対し、内燃機関の排気系にリーンＮＯx触媒を配置する技術が提案されている。排気中の有害成分を浄化する排気浄化装置として、選択還元型ＮＯx触媒や吸蔵還元型ＮＯx触媒などのリーンＮＯx触媒が知られている。
【０００４】
選択還元型ＮＯx触媒は、酸素過剰の雰囲気で炭化水素（ＨＣ）の存在下でＮＯxを還元または分解する触媒であり、この選択還元型ＮＯx触媒でＮＯxを浄化するためには適量のＨＣ成分（還元剤）が必要とされる。この選択還元型ＮＯx触媒を前記内燃機関の排気浄化に用いる場合、該内燃機関の通常運転時の排気中のＨＣ成分の量は極めて少ないので、通常運転時にＮＯxを浄化するためには、選択還元型ＮＯx触媒にＨＣ成分を供給する必要がある。
【０００５】
一方、吸蔵還元型ＮＯx触媒は、流入排気の空燃比がリーン空燃比のときはＮＯxを吸収し、流入排気の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯxを放出し、Ｎ2に還元する触媒である。
【０００６】
吸蔵還元型ＮＯx触媒が内燃機関の排気系に配置されると、内燃機関が希薄燃焼運転されて排気の空燃比が高くなるときは排気中の窒素酸化物（ＮＯx）が吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸収され、吸蔵還元型ＮＯx触媒に流入する排気の空燃比が低くなったときは吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸収されていた窒素酸化物（ＮＯx）が放出されつつ窒素（Ｎ2）に還元される。
【０００７】
ところで、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸収能力には限りがあるため、内燃機関が長期にわたって希薄燃焼運転されると、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸収能力が飽和し、排気中の窒素酸化物（ＮＯx）が吸蔵還元型ＮＯx触媒によって除去されることなく大気中に放出されることになる。
【０００８】
従って、吸蔵還元型ＮＯx触媒を希薄燃焼式内燃機関に適用する場合は、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸収能力が飽和する前に該吸蔵還元型ＮＯx触媒に流入する排気の空燃比を低下させる、所謂リッチスパイク制御を実行することにより、吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸収されている窒素酸化物（ＮＯx）を放出及び還元させる必要がある。
【０００９】
リッチスパイク制御の具体的な方法としては、吸蔵還元型ＮＯx触媒より上流を流れる排気中に還元剤たる燃料を添加する方法を例示することができる。
【００１０】
一方、吸蔵還元型ＮＯx触媒には燃料に含まれる硫黄分が燃焼して生成される硫黄酸化物（ＳＯx）もＮＯxと同じメカニズムで吸収される。この吸収されたＳＯxは時間経過とともに安定な硫酸塩を形成するためＮＯxよりも放出されにくく、ＮＯx触媒内に蓄積される。これをＳＯx被毒といい、ＳＯx被毒が進行してＮＯｘ触媒内のＳＯx蓄積量が増大すると、ＮＯx触媒のＮＯx吸収量が減少するため、ＮＯx浄化率が低下する。このため、適宜の時期にＳＯx被毒から回復させる被毒解消処理を施す必要がある。この被毒解消処理は、ＮＯx触媒を高温（例えば６００ないし７００℃程度）にしつつ理論空燃比あるいはリッチ空燃比の排気をＮＯx触媒に流して行わなくてはならない。
【００１１】
これらリーンＮＯx触媒を用いた排気浄化システムにおいては、リーンＮＯx触媒の触媒床温の管理が非常に重要である。
【００１２】
例えば、リーンＮＯx触媒には活性温度があり、触媒床温がこの活性温度範囲から外れると、浄化能力が極度に低下する。また、前述のようにＳＯx被毒を解消するためには所定温度を維持する必要がある。さらには、ＳＯx被毒解消時にＮＯx触媒の温度が過剰に上昇すると、ＮＯx触媒の熱劣化を誘発する虞れがある。
【００１３】
ここで、吸蔵還元型ＮＯx触媒の熱劣化について説明すると、ＮＯx 触媒におけるＮＯxの吸収は白金Ｐｔ（触媒物質）とカリウムＫ（ＮＯx吸収剤）との界面において行われるが、Ｐｔは熱によってシンタリングを起こし、成長して粒径が大きくなることが知られている。車両用内燃機関から排出される排気の浄化においては、ＮＯx 触媒に加わる熱負荷が大きく、白金Ｐｔのシンタリングを避けることはできない。このように白金Ｐｔがシンタリングを起こすと、白金ＰｔとカリウムＫの接触面積が少なくなり、即ち、白金ＰｔとカリウムＫの界面が少なくなる。この結果、ＮＯx 触媒のＮＯx吸収能力が低下し、ＮＯx浄化能力が低下する。
【００１４】
このような問題に対し、特許第２８４５０５６号公報に記載されたような内燃機関の排気浄化装置が提案されている。この公報に記載された内燃機関の排気浄化装置は、吸蔵還元型ＮＯx触媒において排気中の酸素と反応して消費される還元剤の量と吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸収されている窒素酸化物（ＮＯx）を還元するために必要となる還元剤の量とを考慮して、還元剤の添加量を決定することにより、還元剤の過剰供給や供給不足を防止、以てＮＯx吸蔵材の温度の低下の問題を解決しようとするものである。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、必要となる還元剤の添加量を正確に求めることができたとしても、添加された還元剤が排気通路へ付着すると、蒸発してＮＯx触媒に到達するまでに時間がかかり、ＮＯx触媒の温度維持に必要な空燃比を精度良く得ることが困難になる。
【００１６】
さらに、排気通路に付着した還元剤が車両の加速時等に一気にＮＯx触媒に流れ込み、触媒床温が過剰に上昇してしまう懸念も生じる。
【００１７】
このように、触媒の温度は還元剤が排気通路へ付着することにより不安定となるので、触媒の温度に応じた適切な量の還元剤をＮＯx触媒へ供給する必要がある。また、触媒の熱劣化を防止するために触媒床温の過剰な上昇を監視する必要もある。
【００１８】
このような問題に対して、触媒担体中に温度センサを設置して直接触媒床温を得ることが考えられるが担体の信頼性が低下するため実際には困難である。また、内燃機関の排気通路に温度センサを設置して、排気の温度に一時遅れ処理等を行い触媒床温を推定する技術が知られているが、上述の排気通路への還元剤の付着等の外乱があり必要な推定精度を得ることは困難である。
【００１９】
本発明はこのような従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、精度良くＮＯx触媒の床温を推定し、適切な還元剤の添加を実施して触媒の劣化や排気エミッションの悪化を防止することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した課題を解決するために以下のような手段を採用した。
【００２１】
すなわち、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、
酸素過剰状態の混合気を燃焼可能とする希薄燃焼式の内燃機関の排気通路に設けられたＮＯx触媒と、
前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記ＮＯx触媒に流入する排気の温度を計測する入ガス温度計測手段と、
前記ＮＯx触媒から流出する排気の温度を計測する出ガス温度計測手段と、
前記入ガス温度計測手段により計測された排気の温度及び前記運転状態検出手段により検出された運転状態に基づいて前記ＮＯx触媒の床温を推定する入ガス触媒床温推定手段と、
前記入ガス触媒床温推定手段が推定した前記ＮＯx触媒の床温に基づいて前記ＮＯx触媒に還元剤を供給する還元剤供給手段と、
前記出ガス温度計測手段で計測された排気の温度に基づいて前記ＮＯx触媒の床温を検出する出ガス触媒床温検出手段と、
前記出ガス触媒床温推定手段が推定した前記ＮＯx触媒の床温に基づいて前記ＮＯx触媒が異常であるか否かの判断を行う異常判断手段と、
を具備した。
【００２２】
前記入ガス触媒床温推定手段は、前記内燃機関に吸入される空気の量と、前記内燃機関から排出されるＨＣの量と、前記還元剤供給手段により供給される還元剤の量と、前記入ガス温度計測手段により計測された排気の温度と、から、前記排気通路及び前記ＮＯx触媒での前記還元剤の付着量及び蒸発量を算出し、この算出値に基づいて前記ＮＯx触媒の床温を推定することができる。
【００２３】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、入ガス温度計測手段によって計測された排気の温度及び内燃機関の運転状態に基づいて排気通路への還元剤の付着量とその付着した還元剤の蒸発量とを考慮してＮＯx触媒の床温を推定することができる。この推定された触媒床温は触媒に流入する排気の温度に基づいて推定されているので実際の触媒床温に対して遅れはない。よって前記還元剤供給手段は、この推定されたＮＯx触媒の床温に基づいて遅れなく還元剤の供給を行うことができる。
【００２４】
前記入ガス温度計測手段が故障や劣化等して正確な温度を出力しなくなるとＮＯx触媒の床温を正しく推定できないため、過剰に還元剤を供給してしまいＮＯx触媒の温度が過剰に上昇する虞れがある。
【００２５】
そこで、前記出ガス温度計測手段によって計測された排気の温度を触媒の過加熱等の異常判断に用いると安全性を向上させることができる。ＮＯx触媒の過加熱等が検出されたときには前記還元剤供給手段は還元剤の供給を中止して触媒の熱劣化を防止することができる。このため、出ガス温度計測手段はＮＯx触媒にできるだけ近く設置することが望ましい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
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。ここでは、本発明に係る排気浄化装置を車両駆動用のディーゼル機関に適用した場合を例に挙げて説明する。
【００２７】
図１は、本発明に係る排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。
【００２８】
図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼル機関である。
【００２９】
内燃機関１は、各気筒２の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。各燃料噴射弁３は、燃料を所定圧まで蓄圧する蓄圧室（コモンレール）４と接続されている。このコモンレール４には、該コモンレール４内の燃料の圧力に対応した電気信号を出力するコモンレール圧センサ４ａが取り付けられている。
【００３０】
前記コモンレール４は、燃料供給管５を介して燃料ポンプ６と連通している。この燃料ポンプ６は、内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）の回転トルクを駆動源として作動するポンプであり、該燃料ポンプ６の入力軸に取り付けられたポンププーリ６が内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）に取り付けられたクランクプーリ１ａとベルト７を介して連結されている。
【００３１】
このように構成された燃料噴射系では、クランクシャフトの回転トルクが燃料ポンプ６の入力軸へ伝達されると、燃料ポンプ６は、クランクシャフトから該燃料ポンプ６の入力軸へ伝達された回転トルクに応じた圧力で燃料を吐出する。
【００３２】
前記燃料ポンプ６から吐出された燃料は、燃料供給管５を介してコモンレール４へ供給され、コモンレール４にて所定圧まで蓄圧されて各気筒２の燃料噴射弁３へ分配される。そして、燃料噴射弁３に駆動電流が印加されると、燃料噴射弁３が開弁し、その結果、燃料噴射弁３から気筒２内へ燃料が噴射される。
【００３３】
次に、内燃機関１には、吸気枝管８が接続されており、吸気枝管８の各枝管は、各気筒２の燃焼室と図示しない吸気ポートを介して連通している。
【００３４】
前記吸気枝管８は、吸気管９に接続され、この吸気管９は、エアクリーナボックス１０に接続されている。前記エアクリーナボックス１０より下流の吸気管９には、該吸気管９内を流れる吸気の質量に対応した電気信号を出力するエアフローメータ１１と、該吸気管９内を流れる吸気の温度に対応した電気信号を出力する吸気温度センサ１２とが取り付けられている。
【００３５】
前記吸気管９における吸気枝管８の直上流に位置する部位には、該吸気管９内を流れる吸気の流量を調節する吸気絞り弁１３が設けられている。この吸気絞り弁１３には、ステッパモータ等で構成されて該吸気絞り弁１３を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ１４が取り付けられている。
【００３６】
前記エアフローメータ１１と前記吸気絞り弁１３との間に位置する吸気管９には、排気の熱エネルギを駆動源として作動する遠心過給機（ターボチャージャ）１５のコンプレッサハウジング１５ａが設けられ、コンプレッサハウジング１５ａより下流の吸気管９には、前記コンプレッサハウジング１５ａ内で圧縮されて高温となった吸気を冷却するためのインタークーラ１６が設けられている。
【００３７】
このように構成された吸気系では、エアクリーナボックス１０に流入した吸気は、該エアクリーナボックス１０内の図示しないエアクリーナによって吸気中の塵や埃等が除去された後、吸気管９を介してコンプレッサハウジング１５ａに流入する。
【００３８】
コンプレッサハウジング１５ａに流入した吸気は、該コンプレッサハウジング１５ａに内装されたコンプレッサホイールの回転によって圧縮される。前記コンプレッサハウジング１５ａ内で圧縮されて高温となった吸気は、インタークーラ１６にて冷却された後、必要に応じて吸気絞り弁１３によって流量を調節されて吸気枝管８に流入する。吸気枝管８に流入した吸気は、各枝管を介して各気筒２の燃焼室へ分配され、各気筒２の燃料噴射弁３から噴射された燃料を着火源として燃焼される。
【００３９】
一方、内燃機関１には、排気枝管１８が接続され、排気枝管１８の各枝管が図示しない排気ポートを介して各気筒２の燃焼室と連通している。
【００４０】
前記排気枝管１８は、前記遠心過給機１５のタービンハウジング１５ｂと接続されている。前記タービンハウジング１５ｂは、排気管１９と接続され、この排気管１９は、下流にて図示しないマフラーに接続されている。
【００４１】
前記排気管１９の途中には、排気中の有害ガス成分を浄化するための排気浄化触媒２０が配置されている。排気浄化触媒２０より下流の排気管１９には、該排気管１９内を流れる排気の空燃比に対応した電気信号を出力する空燃比センサ２３と、該排気管１９内を流れ触媒２０に流入する排気の温度に対応した電気信号を出力する出ガス温度センサ２４と、該排気管１９内を流れ触媒２０から流出する排気の温度に対応した電気信号を出力する入ガス温度センサ３７と、が取り付けられている。
【００４２】
前記した空燃比センサ２３及び出ガス温度センサ２４より下流の排気管１９には、該排気管１９内を流れる排気の流量を調節する排気絞り弁２１が設けられている。この排気絞り弁２１には、ステッパモータ等で構成されて該排気絞り弁２１を開閉駆動する排気絞り用アクチュエータ２２が取り付けられている。
【００４３】
このように構成された排気系では、内燃機関１の各気筒２で燃焼された混合気（既燃ガス）が排気ポートを介して排気枝管１８へ排出され、次いで排気枝管１８から遠心過給機１５のタービンハウジング１５ｂへ流入する。タービンハウジング１５ｂに流入した排気は、該排気が持つ熱エネルギを利用してタービンハウジング１５ｂ内に回転自在に支持されたタービンホイールを回転させる。その際、タービンホイールの回転トルクは、前述したコンプレッサハウジング１５ａのコンプレッサホイールへ伝達される。
【００４４】
前記タービンハウジング１５ｂから排出された排気は、排気管１９を介して排気浄化触媒２０へ流入し、排気中の有害ガス成分が除去又は浄化される。排気浄化触媒２０にて有害ガス成分を除去又は浄化された排気は、必要に応じて排気絞り弁２１によって流量を調節された後にマフラーを介して大気中に放出される。
【００４５】
また、排気枝管１８と吸気枝管８とは、排気枝管１８内を流れる排気の一部を吸気枝管８へ再循環させる排気再循環通路（ＥＧＲ通路）２５を介して連通されている。このＥＧＲ通路２５の途中には、電磁弁などで構成され、印加電力の大きさに応じて前記ＥＧＲ通路２５内を流れる排気（以下、ＥＧＲガスと称する）の流量を変更する流量調整弁（ＥＧＲ弁）２６が設けられている。
【００４６】
前記ＥＧＲ通路２５においてＥＧＲ弁２６より上流の部位には、該ＥＧＲ通路２５内を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ２７が設けられている。
【００４７】
このように構成された排気再循環機構では、ＥＧＲ弁２６が開弁されると、ＥＧＲ通路２５が導通状態となり、排気枝管１８内を流れる排気の一部が前記ＥＧＲ通路２５へ流入し、ＥＧＲクーラ２７を経て吸気枝管８へ導かれる。
【００４８】
その際、ＥＧＲクーラ２７では、ＥＧＲ通路２５内を流れるＥＧＲガスと所定の冷媒との間で熱交換が行われ、ＥＧＲガスが冷却されることになる。
【００４９】
ＥＧＲ通路２５を介して排気枝管１８から吸気枝管８へ還流されたＥＧＲガスは、吸気枝管８の上流から流れてきた新気と混ざり合いつつ各気筒２の燃焼室へ導かれ、燃料噴射弁３から噴射される燃料を着火源として燃焼される。
【００５０】
ここで、ＥＧＲガスには、水（Ｈ2Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ2）などのように、自らが燃焼することがなく、且つ、吸熱性を有する不活性ガス成分が含まれているため、ＥＧＲガスが混合気中に含有されると、混合気の燃焼温度が低められ、以て窒素酸化物（ＮＯx）の発生量が抑制される。
【００５１】
更に、ＥＧＲクーラ２７においてＥＧＲガスが冷却されると、ＥＧＲガス自体の温度が低下するとともにＥＧＲガスの体積が縮小されるため、ＥＧＲガスが燃焼室内に供給されたときに該燃焼室内の雰囲気温度が不要に上昇することがなくなるとともに、燃焼室内に供給される新気の量（新気の体積）が不要に減少することもない。
【００５２】
次に、本実施の形態に係る排気浄化触媒２０について具体的に説明する。
【００５３】
排気浄化触媒２０は、還元剤の存在下で排気中の窒素酸化物（ＮＯx）を浄化するＮＯx触媒である。このようなＮＯx触媒としては、選択還元型ＮＯx触媒や吸蔵還元型ＮＯx触媒等を例示することができるが、ここでは吸蔵還元型ＮＯx触媒を例に挙げて説明する。以下、排気浄化触媒２０を吸蔵還元型ＮＯx触媒２０と称するものとする。
【００５４】
吸蔵還元型ＮＯx触媒２０は、例えば、アルミナを担体とし、その担体上に、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、もしくはセシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属と、バリウム（Ｂａ）もしくはカルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類と、ランタン（Ｌａ）もしくはイットリウム（Ｙ）等の希土類とから選択された少なくとも１つと、白金（Ｐｔ）等の貴金属とを担持して構成されている。尚、本実施の形態では、アルミナからなる担体上にバリウム（Ｂａ）と白金（Ｐｔ）とを担持して構成される吸蔵還元型ＮＯx触媒を例に挙げて説明する。
【００５５】
このように構成された吸蔵還元型ＮＯx触媒２０は、該吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中の窒素酸化物（ＮＯx）を吸収する。
【００５６】
一方、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０は、該吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の酸素濃度が低下したときは吸収していた窒素酸化物（ＮＯx）を放出する。その際、排気中に炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の還元成分が存在していれば、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０は、該吸蔵還元型ＮＯx触媒２０から放出された窒素酸化物（ＮＯx）を窒素（Ｎ2）に還元せしめることができる。
【００５７】
尚、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０のＮＯx吸放出作用については明らかにされていない部分もあるが、おおよそ以下のようなメカニズムによって行われていると考えられる。
【００５８】
先ず、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０では、該吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比がリーン空燃比となって排気中の酸素濃度が高まると、図２（Ａ）に示されるように、排気中の酸素（Ｏ2）がＯ2 -またはＯ2-の形で白金（Ｐｔ）の表面上に付着する。排気中の一酸化窒素（ＮＯ）は、白金（Ｐｔ）の表面上でＯ2 -またはＯ2-と反応して二酸化窒素（ＮＯ2）を形成する（２ＮＯ＋Ｏ2→２ＮＯ2）。二酸化窒素（ＮＯ2）は、白金（Ｐｔ）の表面上で更に酸化され、硝酸イオン（ＮＯ3-）の形で吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収される。尚、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収された硝酸イオン（ＮＯ3-）は、酸化バリウム（ＢａＯ）と結合して硝酸バリウム（Ｂａ（ＮＯ3）2）を形成する。
【００５９】
このように吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときは、排気中の窒素酸化物（ＮＯx）が硝酸イオン（ＮＯ3-）として吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収される。
【００６０】
上記したようなＮＯx吸収作用は、流入排気の空燃比がリーン空燃比であり、且つ吸蔵還元型ＮＯx触媒２０のＮＯx吸収能力が飽和しない限り継続される。従って、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときは、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０のＮＯx吸収能力が飽和しない限り、排気中の窒素酸化物（ＮＯx）が吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収され、排気中から窒素酸化物（ＮＯx）が除去されることになる。
【００６１】
これに対して、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０では、該吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の酸素濃度が低下すると、白金（Ｐｔ）の表面上において二酸化窒素（ＮＯ2）の生成量が減少するため、酸化バリウム（ＢａＯ）と結合していた硝酸イオン（ＮＯ3-）が逆に二酸化窒素（ＮＯ2）や一酸化窒素（ＮＯ）となって吸蔵還元型ＮＯx触媒２０から離脱する。
【００６２】
その際、排気中に炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の還元成分が存在していれば、それらの還元成分が白金（Ｐｔ）上の酸素（Ｏ2-またはＯ2-）と部分的に反応して活性種を形成する。この活性種は、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０から放出された二酸化窒素（ＮＯ2）や一酸化窒素（ＮＯ）を窒素（Ｎ2）に還元せしめることになる。
【００６３】
従って、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比が理論空燃比又はリッチ空燃比となって排気中の酸素濃度が低下するとともに還元剤の濃度が高まると、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収されていた窒素酸化物（ＮＯx）が放出及び還元され、以て吸蔵還元型ＮＯx触媒２０のＮＯx吸収能力が再生されることになる。
【００６４】
ところで、内燃機関１が希薄燃焼運転されている場合は、内燃機関１から排出される排気の空燃比がリーン雰囲気となり排気の酸素濃度が高くなるため、排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯx）が吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収されることになるが、内燃機関１の希薄燃焼運転が長期間継続されると、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０のＮＯx吸収能力が飽和し、排気中の窒素酸化物（ＮＯx）が吸蔵還元型ＮＯx触媒２０にて除去されずに大気中へ放出されてしまう。
【００６５】
特に、内燃機関１のようなディーゼル機関では、大部分の運転領域においてリーン空燃比の混合気が燃焼され、それに応じて大部分の運転領域において排気の空燃比がリーン空燃比となるため、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０のＮＯx吸収能力が飽和し易い。
【００６６】
従って、内燃機関１が希薄燃焼運転されている場合は、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０のＮＯx吸収能力が飽和する前に吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気中の酸素濃度を低下させるとともに還元剤の濃度を高め、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収された窒素酸化物（ＮＯx）を放出及び還元させる必要がある。
【００６７】
これに対し、本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置は、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０より上流の排気通路を流れる排気中に還元剤たる燃料（軽油）を添加する還元剤供給機構を備え、この還元剤供給機構から排気中へ燃料を添加することにより、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の酸素濃度を低下させるとともに還元剤の濃度を高めるようにした。
【００６８】
還元剤供給機構は、図１に示されるように、その噴孔が排気枝管１８内に臨むよう内燃機関１のシリンダヘッドに取り付けられ、所定の開弁圧以上の燃料が印加されたときに開弁して燃料を噴射する還元剤噴射弁２８と、前述した燃料ポンプ６から吐出された燃料を前記還元剤噴射弁２８へ導く還元剤供給路２９と、この還元剤供給路２９の途中に設けられ該還元剤供給通路２９内を流れる燃料の流量を調整する流量調整弁３０と、この流量調整弁３０より上流の還元剤供給路２９に設けられて該還元剤供給路２９内の燃料の流れを遮断する遮断弁３１と、前記流量調整弁３０より上流の還元剤供給路２９に取り付けられ該還元剤供給路２９内の圧力に対応した電気信号を出力する還元剤圧力センサ３２と、を備えている。
【００６９】
尚、還元剤噴射弁２８は、該還元剤噴射弁２８の噴孔が排気枝管１８におけるＥＧＲ通路２５との接続部位より下流であって、排気枝管１８における４つの枝管の集合部に最も近い気筒２の排気ポートに突出するとともに、排気枝管１８の集合部へ向くようシリンダヘッドに取り付けられることが好ましい。
【００７０】
これは、還元剤噴射弁２８から噴射された還元剤（未燃の燃料成分）がＥＧＲ通路２５へ流入するのを防止するとともに、還元剤が排気枝管１８内に滞ることを抑制するためである。
【００７１】
尚、図１に示す例では、内燃機関１の４つの気筒２のうち１番（＃１）気筒２が排気枝管１８の集合部と最も近い位置にあるため、１番（＃１）気筒２の排気ポートに還元剤噴射弁２８が取り付けられているが、１番（＃１）気筒２以外の気筒２が排気枝管１８の集合部と最も近い位置にあるときは、その気筒２の排気ポートに還元剤噴射弁２８が取り付けられるようにする。
【００７２】
また、前記還元剤噴射弁２８は、シリンダヘッドに形成された図示しないウォータージャケットを貫通、あるいはウォータージャケットに近接して取り付けられるようにし、前記ウォータージャケットを流れる冷却水を利用して還元剤噴射弁２８を冷却するようにしてもよい。
【００７３】
このような還元剤供給機構では、流量調整弁３０が開弁されると、燃料ポンプ６から吐出された高圧の燃料が還元剤供給路２９を介して還元剤噴射弁２８へ印加される。そして、還元剤噴射弁２８に印加される燃料の圧力が開弁圧以上に達すると、該還元剤噴射弁２８が開弁して排気枝管１８内へ還元剤としての燃料が噴射される。
【００７４】
還元剤噴射弁２８から排気枝管１８内へ噴射された還元剤は、排気枝管１８の上流から流れてきた排気とともにタービンハウジング１５ｂへ流入する。タービンハウジング１５ｂ内に流入した排気と還元剤とは、タービンホイールの回転によって撹拌されて均質に混合され、リッチ空燃比の排気を形成する。
【００７５】
このようにして形成されたリッチ空燃比の排気は、タービンハウジング１５ｂから排気管１９を介して吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入し、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収されていた窒素酸化物（ＮＯx）を放出させつつ窒素（Ｎ2）に還元することになる。
【００７６】
その後、流量調整弁３０が閉弁されて燃料ポンプ６から還元剤噴射弁２８への還元剤の供給が遮断されると、還元剤噴射弁２８に印加される燃料の圧力が前記開弁圧未満となり、その結果、還元剤噴射弁２８が閉弁し、排気枝管１８内への還元剤の添加が停止されることになる。
【００７７】
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（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）３５が併設されている。このＥＣＵ３５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の運転状態を制御するユニットである。
【００７８】
ＥＣＵ３５には、コモンレール圧センサ４ａ、エアフローメータ１１、吸気温度センサ１２、吸気管圧力センサ１７、空燃比センサ２３、出ガス温度センサ２４、入ガス温度センサ３７、還元剤圧力センサ３２、クランクポジションセンサ３３、水温センサ３４、アクセル開度センサ３６等の各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号がＥＣＵ３５に入力されるようになっている。
【００７９】
一方、ＥＣＵ３５には、燃料噴射弁３、吸気絞り用アクチュエータ１４、排気絞り用アクチュエータ２２、ＥＧＲ弁２６、流量調整弁３０、遮断弁３１等が電気配線を介して接続され、上記した各部をＥＣＵ３５が制御することが可能になっている。
【００８０】
ここで、ＥＣＵ３５は、図３に示すように、双方向性バス３５０によって相互に接続された、ＣＰＵ３５１と、ＲＯＭ３５２と、ＲＡＭ３５３と、バックアップＲＡＭ３５４と、入力ポート３５６と、出力ポート３５７とを備えるとともに、前記入力ポート３５６に接続されたＡ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄ）３５５を備えている。
【００８１】
前記入力ポート３５６は、クランクポジションセンサ３３のようにデジタル信号形式の信号を出力するセンサの出力信号を入力し、それらの出力信号をＣＰＵ３５１やＲＡＭ３５３へ送信する。
【００８２】
前記入力ポート３５６は、コモンレール圧センサ４ａ、エアフローメータ１１、吸気温度センサ１２、吸気管圧力センサ１７、空燃比センサ２３、出ガス温度センサ２４、入ガス温度センサ３７、還元剤圧力センサ３２、水温センサ３４、アクセル開度センサ３６、等のように、アナログ信号形式の信号を出力するセンサのＡ／Ｄ３５５を介して入力し、それらの出力信号をＣＰＵ３５１やＲＡＭ３５３へ送信する。
【００８３】
前記出力ポート３５７は、燃料噴射弁３、吸気絞り用アクチュエータ１４、排気絞り用アクチュエータ２２、ＥＧＲ弁２６、流量調整弁３０、遮断弁３１等と電気配線を介して接続され、ＣＰＵ３５１から出力される制御信号を、前記した燃料噴射弁３、吸気絞り用アクチュエータ１４、排気絞り用アクチュエータ２２、ＥＧＲ弁２６、流量調整弁３０、あるいは遮断弁３１へ送信する。
【００８４】
前記ＲＯＭ３５２は、燃料噴射弁３を制御するための燃料噴射制御ルーチン、吸気絞り弁１３を制御するための吸気絞り制御ルーチン、排気絞り弁２１を制御するための排気絞り制御ルーチン、ＥＧＲ弁２６を制御するためのＥＧＲ制御ルーチン、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収された窒素酸化物（ＮＯx）を浄化するためのＮＯx浄化制御ルーチン、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０の酸化物による被毒を解消するための被毒解消制御ルーチン等のアプリケーションプログラムを記憶している。
【００８５】
前記ＲＯＭ３５２は、上記したアプリケーションプログラムに加え、各種の制御マップを記憶している。前記制御マップは、例えば、内燃機関１の運転状態と基本燃料噴射量（基本燃料噴射時間）との関係を示す燃料噴射量制御マップ、内燃機関１の運転状態と基本燃料噴射時期との関係を示す燃料噴射時期制御マップ、内燃機関１の運転状態と吸気絞り弁１３の目標開度との関係を示す吸気絞り弁開度制御マップ、内燃機関１の運転状態と排気絞り弁２１の目標開度との関係を示す排気絞り弁開度制御マップ、内燃機関１の運転状態とＥＧＲ弁２６の目標開度との関係を示すＥＧＲ弁開度制御マップ、内燃機関１の運転状態と還元剤の目標添加量（もしくは、排気の目標空燃比）との関係を示す還元剤添加量制御マップ、還元剤の目標添加量と流量調整弁３０の開弁時間との関係を示す流量調整弁制御マップ等である。
【００８６】
前記ＲＡＭ３５３は、各センサからの出力信号やＣＰＵ３５１の演算結果等を格納する。前記演算結果は、例えば、クランクポジションセンサ３３がパルス信号を出力する時間的な間隔に基づいて算出される機関回転数である。これらのデータは、クランクポジションセンサ３３がパルス信号を出力する都度、最新のデータに書き換えられる。
【００８７】
前記バックアップＲＡＭ３５４は、内燃機関１の運転停止後もデータを記憶可能な不揮発性のメモリである。
【００８８】
前記ＣＰＵ３５１は、前記ＲＯＭ３５２に記憶されたアプリケーションプログラムに従って動作して、燃料噴射弁制御、吸気絞り制御、排気絞り制御、ＥＧＲ制御、ＮＯx浄化制御、被毒解消制御を実行する。
【００８９】
例えば、燃料噴射弁制御では、ＣＰＵ３５１は、先ず、燃料噴射弁３から噴射される燃料量を決定し、次いで燃料噴射弁３から燃料を噴射する時期を決定する。
【００９０】
燃料噴射量を決定する場合は、ＣＰＵ３５１は、ＲＡＭ３５３に記憶されている機関回転数とアクセル開度センサ３６の出力信号（アクセル開度）とを読み出す。ＣＰＵ３５１は、燃料噴射量制御マップへアクセスし、前記機関回転数及び前記アクセル開度に対応した基本燃料燃料噴射量（基本燃料噴射時間）を算出する。ＣＰＵ３５１は、エアフローメータ１１、吸気温度センサ１２、水温センサ３４等の出力信号値等に基づいて前記基本燃料噴射時間を補正し、最終的な燃料噴射時間を決定する。
【００９１】
燃料噴射時期を決定する場合は、ＣＰＵ３５１は、燃料噴射開始時期制御マップへアクセスし、前記機関回転数及び前記アクセル開度に対応した基本燃料噴射時期を算出する。ＣＰＵ３５１は、エアフローメータ１１、吸気温度センサ１２、水温センサ３４等の出力信号値をパラメータとして前記基本燃料噴射時期を補正し、最終的な燃料噴射時期を決定する。
【００９２】
燃料噴射時間と燃料噴射時期とが決定されると、ＣＰＵ３５１は、前記燃料噴射時期とクランクポジションセンサ３３の出力信号とを比較し、前記クランクポジションセンサ３３の出力信号が前記燃料噴射開始時期と一致した時点で燃料噴射弁３に対する駆動電力の印加を開始する。ＣＰＵ３５１は、燃料噴射弁３に対する駆動電力の印加を開始した時点からの経過時間が前記燃料噴射時間に達した時点で燃料噴射弁３に対する駆動電力の印加を停止する。
【００９３】
尚、燃料噴射制御において内燃機関１の運転状態がアイドル運転状態にある場合は、ＣＰＵ３５１は、水温センサ３４の出力信号値や、車室内用空調装置のコンプレッサのようにクランクシャフトの回転力を利用して作動する補機類の作動状態等をパラメータとして内燃機関１の目標アイドル回転数を算出する。そして、ＣＰＵ３５１は、実際のアイドル回転数が目標アイドル回転数と一致するよう燃料噴射量をフィードバック制御する。
【００９４】
また、吸気絞り制御では、ＣＰＵ３５１は、例えば、ＲＡＭ３５３に記憶されている機関回転数とアクセル開度とを読み出す。ＣＰＵ３５１は、吸気絞り弁開度制御マップへアクセスし、機関回転数及びアクセル開度に対応した目標吸気絞り弁開度を算出する。ＣＰＵ３５１は、前記目標吸気絞り弁開度に対応した駆動電力を吸気絞り用アクチュエータ１４に印加する。その際、ＣＰＵ３５１は、吸気絞り弁１３の実際の開度を検出して、実際の吸気絞り弁１３の開度と目標吸気絞り弁開度との差分に基づいて前記吸気絞り用アクチュエータ１４をフィードバック制御するようにしてもよい。
【００９５】
また、排気絞り制御では、ＣＰＵ３５１は、例えば、内燃機関１が冷間始動後の暖機運転状態にある場合や、車室内用ヒータが作動状態にある場合などに排気絞り弁２１を閉弁方向へ駆動すべく排気絞り用アクチュエータ２２を制御する。
【００９６】
この場合、内燃機関１の負荷が増大し、それに対応して燃料噴射量が増量されることなる。その結果、内燃機関１の発熱量が増加し、内燃機関１の暖機が促進されるとともに、車室内用ヒータの熱源が確保される。
【００９７】
また、ＥＧＲ制御では、ＣＰＵ３５１は、ＲＡＭ３５３に記憶されている機関回転数、水温センサ３４の出力信号（冷却水温度）、アクセル開度センサ３６の出力信号（アクセル開度）等を読み出し、ＥＧＲ制御の実行条件が成立しているか否かを判別する。
【００９８】
上記したＥＧＲ制御実行条件としては、冷却水温度が所定温度以上にある、内燃機関１が始動時から所定時間以上連続して運転されている、アクセル開度の変化量が正値である等の条件を例示することができる。
【００９９】
上記したようなＥＧＲ制御実行条件が成立していると判定した場合は、ＣＰＵ３５１は、機関回転数とアクセル開度とをパラメータとしてＥＧＲ弁開度制御マップへアクセスし、前記機関回転数及び前記アクセル開度に対応した目標ＥＧＲ弁開度を算出する。ＣＰＵ３５１は、前記目標ＥＧＲ弁開度に対応した駆動電力をＥＧＲ弁２６に印加する。一方、上記したようなＥＧＲ制御実行条件が成立していないと判定した場合は、ＣＰＵ３５１は、ＥＧＲ弁２６を全閉状態に保持すべく制御する。
【０１００】
更に、ＥＧＲ制御では、ＣＰＵ３５１は、内燃機関１の吸入空気量をパラメータとしてＥＧＲ弁２６の開度をフィードバック制御する、いわゆるＥＧＲ弁フィードバック制御を行うようにしてもよい。
【０１０１】
ＥＧＲ弁フィードバック制御では、例えば、ＣＰＵ３５１は、アクセル開度や機関回転数等をパラメータとして内燃機関１の目標吸入空気量を決定する。その際、アクセル開度と機関回転数と目標吸入空気量との関係を予めマップ化しておき、そのマップとアクセル開度と機関回転数とから目標吸入空気量が算出されるようにしてもよい。
【０１０２】
上記した手順により目標吸入空気量が決定されると、ＣＰＵ３５１は、ＲＡＭ３５３に記憶されたエアフローメータ１１の出力信号値（実際の吸入空気量）を読み出し、実際の吸入空気量と目標吸入空気量とを比較する。
【０１０３】
前記した実際の吸入空気量が前記目標吸入空気量より少ない場合には、ＣＰＵ３５１は、ＥＧＲ弁２６を所定量閉弁させる。この場合、ＥＧＲ通路２５から吸気枝管８へ流入するＥＧＲガス量が減少し、それに応じて内燃機関１の気筒２内に吸入されるＥＧＲガス量が減少することになる。その結果、内燃機関１の気筒２内に吸入される新気の量は、ＥＧＲガスが減少した分だけ増加する。
【０１０４】
一方、実際の吸入空気量が目標吸入空気量より多い場合には、ＣＰＵ３５１は、ＥＧＲ弁２６を所定量開弁させる。この場合、ＥＧＲ通路２５から吸気枝管８へ流入するＥＧＲガス量が増加し、それに応じて内燃機関１の気筒２内に吸入されるＥＧＲガス量が増加する。この結果、内燃機関１の気筒２内に吸入される新気の量は、ＥＧＲガスが増加した分だけ減少することになる。
【０１０５】
次に、ＮＯx浄化制御では、ＣＰＵ３５１は、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比を比較的に短い周期でスパイク的（短時間）にリッチ空燃比とする、所謂リッチスパイク制御を実行する。
【０１０６】
リッチスパイク制御では、ＣＰＵ３５１は、所定の周期毎にリッチスパイク制御実行条件が成立しているか否かを判別する。このリッチスパイク制御実行条件としては、例えば、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０が活性状態にある、出ガス温度センサ２４の出力信号値（排気温度）が所定の上限値以下である、被毒解消制御が実行されていない、等の条件を例示することができる。
【０１０７】
上記したようなリッチスパイク制御実行条件が成立していると判定された場合は、ＣＰＵ３５１は、還元剤噴射弁２８からスパイク的に還元剤たる燃料を噴射させるべく流量調整弁３０を制御することにより、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比を一時的に所定の目標リッチ空燃比とする。
【０１０８】
具体的には、ＣＰＵ３５１は、ＲＡＭ３５３に記憶されている機関回転数、アクセル開度センサ３６の出力信号（アクセル開度）、エアフローメータ１１の出力信号値（吸入空気量）、空燃比センサ２３の出力信号、燃料噴射量等を読み出す。ＣＰＵ３５１は、前記した機関回転数とアクセル開度と吸入空気量と燃料噴射量とをパラメータとしてＲＯＭ３５２の還元剤添加量制御マップへアクセスし、排気の空燃比を予め設定された目標リッチ空燃比とする上で必要となる還元剤の添加量（目標添加量）を算出する。
【０１０９】
続いて、ＣＰＵ３５１は、前記目標添加量をパラメータとしてＲＯＭ３５２の流量調整弁制御マップへアクセスし、還元剤噴射弁２８から目標添加量の還元剤を噴射させる上で必要となる流量調整弁３０の開弁時間（目標開弁時間）を算出する。
【０１１０】
流量調整弁３０の目標開弁時間が算出されると、ＣＰＵ３５１は、流量調整弁３０を開弁させる。この場合、燃料ポンプ６から吐出された高圧の燃料が還元剤供給路２９を介して還元剤噴射弁２８へ供給されるため、還元剤噴射弁２８に印加される燃料の圧力が開弁圧以上に達し、還元剤噴射弁２８が開弁する。
【０１１１】
ＣＰＵ３５１は、流量調整弁３０を開弁させた時点から前記目標開弁時間が経過すると、流量調整弁３０を閉弁させる。この場合、燃料ポンプ６から還元剤噴射弁２８への還元剤の供給が遮断されるため、還元剤噴射弁２８に印加される燃料の圧力が開弁圧未満となり、還元剤噴射弁２８が閉弁する。
【０１１２】
このように流量調整弁３０が目標開弁時間だけ開弁されると、目標添加量の燃料が還元剤噴射弁２８から排気枝管１８内へ噴射されることになる。そして、還元剤噴射弁２８から噴射された還元剤は、排気枝管１８の上流から流れてきた排気と混ざり合って目標リッチ空燃比の混合気を形成して吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する。
【０１１３】
この結果、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比は、比較的に短い周期で「リーン」と「スパイク的な目標リッチ空燃比」とを交互に繰り返すことになり、以て、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０が窒素酸化物（ＮＯx）の吸収と放出・還元とを交互に短周期的に繰り返すことになる。
【０１１４】
次に、被毒解消制御では、ＣＰＵ３５１は、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０の酸化物による被毒を解消すべく被毒解消処理を行うことになる。
【０１１５】
ここで、内燃機関１の燃料には硫黄（Ｓ）が含まれている場合があり、そのような燃料が内燃機関１で燃焼されると、二酸化硫黄（ＳＯ2）や三酸化硫黄（ＳＯ3）などの硫黄酸化物（ＳＯx）が生成される。
【０１１６】
硫黄酸化物（ＳＯx）は、排気とともに吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入し、窒素酸化物（ＮＯx）と同様のメカニズムによって吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収される。
【０１１７】
具体的には、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときには、前述したＮＯx吸収メカニズムの説明で述べたように、酸素（Ｏ2）がＯ2 -又はＯ2-の形で白金（Ｐｔ）の表面に付着しているため、流入排気中の二酸化硫黄（ＳＯ2）や三酸化硫黄（ＳＯ3）等の硫黄酸化物（ＳＯx）が白金（Ｐｔ）の表面上でＯ2 -又はＯ2-と反応してＳＯ3-やＳＯ4-となる。
【０１１８】
ＳＯ3-やＳＯ4-は、白金（Ｐｔ）の表面上で更に酸化され、硫酸イオン（ＳＯ4 2-）の形で吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収される。尚、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収された硫酸イオン（ＳＯ4 2-）は、酸化バリウム（ＢａＯ）と結合して硫酸塩（ＢａＳＯ4）を形成する。
【０１１９】
このように吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときは、排気中の硫黄酸化物（ＳＯx）が硫酸イオン（ＳＯ4 2-）として吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収される。
【０１２０】
ところで、硫酸塩（ＢａＳＯ4）は、硝酸バリウム（Ｂａ（ＮＯ3）2）に比して安定していて分解し難く、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比が理論空燃比又はリッチ空燃比となっても分解されずに吸蔵還元型ＮＯx触媒２０内に残留してしまう。
【０１２１】
吸蔵還元型ＮＯx触媒２０における硫酸塩（ＢａＳＯ4）の量が増加すると、それに応じて窒素酸化物（ＮＯx）の吸収に関与することができる酸化バリウム（ＢａＯ）の量が減少するため、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０のＮＯx吸収能力が低下する、いわゆるＳＯx被毒が発生する。
【０１２２】
吸蔵還元型ＮＯx触媒２０のＳＯx被毒を解消する方法としては、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０の雰囲気温度をおよそ５００℃〜７００℃の高温域まで昇温させるとともに、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比とすることにより、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収されている硫酸バリウム（ＢａＳＯ4）をＳＯ3-やＳＯ4-に熱分解し、次いでＳＯ3-やＳＯ4-を排気中の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）と反応させて気体状のＳＯ2-に還元する方法を例示することができる。
【０１２３】
そこで、本実施の形態に係る被毒解消処理では、ＣＰＵ３５１は、先ず吸蔵還元型ＮＯx触媒２０の床温を高める触媒昇温処理を実行した上で、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比とするようにした。
【０１２４】
触媒昇温処理では、ＣＰＵ３５１は、例えば、各気筒２の膨張行程時に燃料噴射弁３から副次的に燃料をポスト噴射させるとともに還元剤噴射弁２８から排気中へ燃料を添加させることにより、それらの未燃燃料成分を吸蔵還元型ＮＯx触媒２０において酸化させ、酸化の際に発生する熱によって吸蔵還元型ＮＯx触媒２０の床温を高めるようにしてもよい。
【０１２５】
但し、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０が過剰に昇温すると、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０の熱劣化が誘発される可能性があるため、出ガス温度センサ２４の出力信号値に基づいてポスト噴射燃料量及び添加燃料量がフィードバック制御されるようにすることが好ましい。
【０１２６】
上記したような触媒昇温処理により吸蔵還元型ＮＯx触媒２０の床温が５００℃〜７００℃程度の高温域まで上昇すると、ＣＰＵ３５１は、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比とすべく還元剤噴射弁２８から燃料を噴射させる。
【０１２７】
尚、還元剤噴射弁２８から過剰な燃料が噴射されると、それらの燃料が吸蔵還元型ＮＯx触媒２０で急激に燃焼して吸蔵還元型ＮＯx触媒２０が過熱し、或いは還元剤噴射弁２８から噴射された過剰な燃料によって吸蔵還元型ＮＯx触媒２０が不要に冷却される虞があるため、ＣＰＵ３５１は、空燃比センサ２３の出力信号に基づいて還元剤噴射弁２８からの燃料噴射量をフィードバック制御するようにしても良い。
【０１２８】
このように被毒解消処理が実行されると、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０の床温が高い状況下で、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比となるため、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収されている硫酸バリウム（ＢａＳＯ4）がＳＯ3-やＳＯ4-に熱分解され、それらＳＯ3-やＳＯ4-が排気中の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）と反応して気体状のＳＯ2-に還元され、以て吸蔵還元型ＮＯx触媒２０のＳＯx被毒が解消されることになる。
【０１２９】
また、前述したＮＯx浄化制御では、ＣＰＵ３５１が所定の周期でリッチスパイク制御を実行することにより、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比をスパイク的に目標リッチ空燃比とし、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収された窒素酸化物（ＮＯx）を放出及び還元している。
【０１３０】
上記ＮＯx浄化及び被毒解消を効率的に行うためには、ＮＯx触媒２０の床温を正確に把握し、床温に応じたリッチスパイク制御を行う必要がある。
【０１３１】
ところが、ＮＯx触媒２０の床温はリッチスパイクによって昇温するため、リッチスパイク制御中は入ガス温度センサ３７により計測された排気の温度よりもＮＯx触媒２０の床温のほうが高くなる虞れがある。
【０１３２】
また、出ガス温度センサ２４により計測された排気の温度はＮＯx触媒２０の下流に設置されているためＮＯx触媒２０の床温よりも低い数値を示すことになる。
【０１３３】
単純に排気枝管１８に添加された燃料の量からＮＯx触媒２０の床温を推定しようとしても、排気枝管１８内に添加された燃料は直ちに蒸発若しくは微粒化して排気と共にＮＯx触媒２０へ到達するものもあれば、排気枝管１８の壁面に液体のまま付着しＮＯx触媒２０へ到達するのに時間がかかるものもある。このように、添加された燃料の全量が直ちにＮＯx触媒２０に到達するわけではないので、ＮＯx触媒２０の床温を精度良く得ることは困難である。
【０１３４】
そこで、本実施の形態では還元剤として添加された燃料の排気枝管２０の付着、蒸発を考慮してＮＯx触媒２０の床温を推定することにした。
【０１３５】
次に、この実施の形態における内燃機関の排気浄化装置のＮＯx触媒２０の床温の推定方法について図４のフローチャートに基づいて説明する。
【０１３６】
ステップ１０１では、内燃機関１の運転状態に基づいて、ＮＯx触媒２０の床温推定に必要な吸入新気量Ｇa、排気温度Ｔex、排出ＨＣ量ＭHC、排出ＣＯ量ＭCO、排気燃料噴射パルス（又は燃料の噴射量）がＲＡＭ３５３に入力される。
【０１３７】
吸入新気量Ｇaは、ＲＡＭ３５３に記憶されているエアフローメータ１１の出力信号値に基づいて算出される。
【０１３８】
内燃機関１から排出される排気の温度Ｔex、該排気に含まれるＨＣ量ＭHC、該排気に含まれるＣＯ量ＭCOは、夫々、排気温度マップ、ＨＣマップ、ＣＯマップを参照して算出される。
【０１３９】
ここで、内燃機関１の運転状態とは、機関回転数、吸入空気量、気筒２に噴射される燃料量等であり、この運転状態と排気温度、排気中のＨＣ量、排気中のＣＯ量、との関係を夫々予め求めてマップ化しＲＯＭ３５２に記憶しておく。
【０１４０】
ＣＰＵ３５１は、機関回転数とアクセル開度と吸入空気量と燃料噴射量とをパラメータとしてＲＯＭ３５２の還元剤添加量制御マップへアクセスし、排気の空燃比を予め設定された目標リッチ空燃比とする上で必要となる燃料の添加量Ｆinjを算出する。
【０１４１】
ステップ１０２では、排気枝管１８内に添加された燃料の排気枝管１８の壁面への付着量ＭWSUM及び蒸発量ＭYを算出する。この値は、例えば次式により算出される。
【０１４２】
ＭWSUM＝ΣＭf(n)
ＭY＝Ｙ・Ｍf(n)
Ｍf(n)＝Ｘ・Ｍinj−Ｙ・Ｍf(n-1)
ここで、Ｍf：一回の燃料噴射で壁面に付着する燃料量
Ｘ ：燃料の壁面付着率
Ｙ ：壁面付着燃料の蒸発率
Ｍinj：一回の燃料（還元剤）の噴射量
である。
【０１４３】
燃料の壁面付着率Ｘ及び壁面付着燃料の蒸発率Ｙは、排気枝管１８の壁面温度、排気の流量、排気の温度に応じて変化することが確認されている。排気の流量は吸入空気量と気筒２内への燃料噴射量との関数として表されるので、壁面温度Ｔexm、吸入空気量Ｇa、燃料噴射量、壁面付着率Ｘ、蒸発率Ｙの関係を予め実験等により求めておき、それらの関係をマップ化してＲＯＭ３５２に記憶しておく。
【０１４４】
燃料添加前の壁面温度Ｔexmは、例えば排気の温度Ｔexの一時遅れや熱伝達に要する応答遅れとして求められることが知られている。燃料添加が始まった後は前回のルーチンのステップ１０４で求められた排気枝管１８の温度Ｔexaを使用する。
【０１４５】
ステップ１０３では、排気枝管１８内でのエネルギー計算を行う。これには、排気が有する熱量Ｑex、排気枝管１８が有する熱量Ｑexm、壁面に付着した燃料が有する熱量ＱexmX、燃料が蒸発するのに必要な熱量ＱexmYが必要となる。
【０１４６】
排気が有する熱量Ｑexは、例えば次式で表すことができる。
【０１４７】
Ｑex＝Ｍex・Ｃex・Ｔex
ここで、Ｍexは排気の質量、Ｃexは排気の比熱、Ｔexは排気の温度であり、排気の質量Ｍexはエアフローメータ１１の出力信号及び気筒２内への燃料主噴射量に基づいて算出し、排気の温度Ｔexはステップ１０１で算出した排気の温度Ｔexを用いる。尚、排気の比熱Ｃexは一定とする。
【０１４８】
排気枝管１８が有する熱量Ｑexmは、例えば次式で表すことができる。
【０１４９】
Ｑexm＝Ｍexm・Ｃexm・Ｔexm
Ｍexmは排気枝管１８の質量、Ｃexmは排気枝管１８の比熱、Ｔexmは排気枝管１８の温度である。排気枝管１８の質量は予め計測してＲＯＭ３５２に記憶させておく。排気枝管１８の温度Ｔexmはステップ１０２で求められた値を使用する。
【０１５０】
壁面に付着した燃料が有する熱量ＱexmXは、例えば次式で表すことができる。
【０１５１】
ＱexmX＝ＭWSUM・ＣexmX・ＴexmX
ＭWSUMはステップ１０２で算出した排気枝管１８に付着した燃料の質量、ＣexmXは排気枝管１８に付着した燃料の比熱、ＴexmXは排気枝管１８に付着した燃料の温度である。尚、排気枝管１８に付着した燃料の比熱ＣexmXは一定とする。
【０１５２】
燃料の温度ＴexmXは吸気温度センサ１２で得られた吸入空気の温度に基づいて推定するか還元剤供給路２９に燃料温度センサ（図示しない）を設置して算出することができる。
【０１５３】
燃料が蒸発するのに必要な熱量ＱexmYは、例えば次式で表すことができる。
【０１５４】
ＱexmY＝ＭY・ＲexmY
ＭYはステップ１０２で算出した排気枝管１８に付着した燃料の蒸発量、ＲexmYは単位質量当たりの燃料を蒸発させるのに要する蒸発熱である。蒸発熱ＲexmYは予め求めておきＲＯＭ３５２に記憶させておく。
【０１５５】
ステップ１０４では、ステップ１０３の算出結果に基づいてＭYの燃料が蒸発した後の排気枝管１８の壁面温度Ｔexaを算出する。ここで、排気と排気枝管１８との温度が同一温度Ｔexaになり、且つ、燃料の蒸発により奪われた熱量は総て排気と排気枝管１８との温度降下に消費されたものと仮定すると、次式が成立する。
【０１５６】
Ｑex＋Ｑexm＋ＱexmX−ＱexmY＝Ｍex・Ｃex・Ｔexa＋Ｍexm・Ｃexm・Ｔexa＋（ＭWSUM−ＭY）・ＣexmX・ＴexmX
ここで、この式の左辺は燃料蒸発前の熱量の総和を表し、右辺は燃料蒸発後のの熱量の総和を表す。
【０１５７】
従って、燃料蒸発後の排気枝管１８の壁面温度Ｔexaは次式により算出することができる。
【０１５８】
Ｔexa＝｛Ｑex＋Ｑexm＋ＱexmX−ＱexmY−（ＭWSUM−ＭY）・ＣexmX・ＴexmX｝／（Ｍex・Ｃex＋Ｍexm・Ｃexm）
ステップ１０５では、排気中に含まれるＨＣがＮＯx触媒２０で燃焼したときに発生される熱量ＱHCを算出する。
【０１５９】
ＱHC＝ＲHC・ＭHC
ここで、ＲHCは排気中の単位質量当たりの未燃ＨＣが酸化反応したときに生じる反応熱で、一定の値である。ＭHCはステップ１０１で算出した排出ＨＣ量である。また、ＣＯがＮＯx触媒２０で燃焼したときに発生される熱量ＱCOも同様に算出する。
【０１６０】
ＱCO＝ＲCO・ＭCO
ここで、ＲCOは排気中の単位質量当たりの未燃ＣＯが酸化反応したときに生じる反応熱で、一定の値である。ＭCOはステップ１０１で算出した排出ＣＯ量である。
【０１６１】
ステップ１０６では、ＮＯx触媒２０に液体のまま到達した燃料の付着量ＭCSUM及びＮＯx触媒２０での燃料の蒸発量ＭCYを算出する。この値は、例えば次式により算出される。
【０１６２】
ＭCSUM＝ΣＭCf(n)
ＭCY＝Ｙ・ＭCf(n)
ＭCf(n)＝ＸC・（Ｍinj−Ｍf(n)）−ＹC・ＭCf(n-1)
Ｍf(n)＝Ｘ・Ｍinj−Ｙ・Ｍf(n-1)
ここで、ＭCf：一回の燃料噴射でＮＯx触媒１８に付着する燃料量
ＸC ：燃料のＮＯx触媒付着率
ＹC ：ＮＯx触媒付着燃料の蒸発率
であり、
Ｍf：一回の燃料噴射で壁面に付着する燃料量
Ｘ ：燃料の壁面付着率
Ｙ ：壁面付着燃料の蒸発率
Ｍinj：一回の燃料（還元剤）の噴射量
はステップ１０２で算出された値である。
【０１６３】
還元剤噴射弁２８から排気枝管１８へ噴射された燃料は、排気枝管１８の壁面に付着するか又は排気と共にＮＯx触媒２０へ流される。排気枝管１８に付着せず且つＮＯx触媒２０へ到達する間に蒸発しなかった燃料がＮＯx触媒２０に付着することになる。
【０１６４】
燃料のＮＯx触媒付着率ＸC及びＮＯx触媒付着燃料の蒸発率ＹCは、ＮＯx触媒２０の床温ＴC、排気の流量、排気の温度に応じて変化することが確認されている。排気の流量は吸入空気量と気筒２内への燃料噴射量との関数として表されるので、触媒床温、吸入空気量Ｇa、燃料噴射量、排気の温度Ｔexn、触媒付着率ＸC、蒸発率ＹCの関係を予め実験等により求めておき、それらの関係をマップ化してＲＯＭ３５２に記憶しておく。
【０１６５】
燃料添加前の触媒床温ＴCは、例えば入ガス温度センサ３７の出力信号に基づいて算出する。燃料の添加が始まった後は、前回のルーチンのステップ１０９で求められた触媒床温ＴCaを使用する。
【０１６６】
ステップ１０７では、ステップ１０２及びステップ１０６で算出された蒸発燃料がＮＯx触媒２０で燃焼したときに発生される熱量ＱYを算出する。この熱量ＱYは例えば次式で示すことができる。
【０１６７】
ＱY＝ＲY・（ＭY＋ＭCY）
ここで、ＲYは単位質量の蒸発燃料が燃焼したときに生じる反応熱で一定の値である。
【０１６８】
ステップ１０８では、ＮＯx触媒２０でのエネルギー計算を行う。これには、ステップ１０５で算出された排気中に含まれるＨＣ、ＣＯがＮＯx触媒２０で燃焼したときに発生される熱量ＱHC、ＱCO及び蒸発した燃料がＮＯx触媒２０で燃焼したときに発生される熱量ＱYの他に、排気が有する熱量ＱexC、ＮＯx触媒２０が有する熱量ＱC、ＮＯx触媒２０に付着した燃料が有する熱量ＱCX、燃料が蒸発するのに必要な熱量ＱCYが必要となる。
【０１６９】
排気が有する熱量ＱexCは、例えば次式で表すことができる。
【０１７０】
ＱexC＝ＭexC・ＣexC・ＴexC
ここで、ＭexCはＮＯx触媒２０に流入する排気の質量、ＣexCはＮＯx触媒２０に流入する排気の比熱である。排気の質量ＭexCはエアフローメータ１１の出力信号及び気筒２内への燃料主噴射量に基づいて算出され、排気の比熱ＣexCは一定とする。また、ＴexCは入ガス温度センサ３７により得られる排気の温度である。
【０１７１】
ＮＯx触媒２０が有する熱量ＱCは、例えば次式で表すことができる。
【０１７２】
ＱC＝ＭC・ＣC・ＴC
ここで、ＭCはＮＯx触媒２０の質量、ＣCはＮＯx触媒２０の比熱でありこれら質量ＭC及び比熱ＣCは一定である。ＴCは触媒反応が起こる前のＮＯx触媒２０の触媒床温であり、ステップ１０６で求められた値を使用する。
【０１７３】
ＮＯx触媒２０に付着した燃料が有する熱量ＱCXは、例えば次式で表すことができる。
【０１７４】
ＱCX＝ＭCSUM・ＣCX・ＴexmX
ＭCSUMはステップ１０６で算出したＮＯx触媒２０に付着した燃料の質量、ＣCXはＮＯx触媒２０に付着した燃料の比熱、ＴexmXはステップ１０３で算出された燃料の温度である。
【０１７５】
燃料が蒸発するのに必要な熱量ＱCYは、例えば次式で表すことができる。
【０１７６】
ＱCY＝ＭCY・ＲexmY
ＭCYはステップ１０６で算出したＮＯx触媒２０に付着した燃料の蒸発量、ＲexmYはステップ１０３で求めた単位質量当たりの燃料を蒸発させるのに要する熱量である。
【０１７７】
ステップ１０９では、ステップ１０８の算出結果に基づいてＮＯx触媒２０の床温を算出する。ここで、ＮＯx触媒２０で触媒反応により発生した熱が総て排気及びＮＯx触媒の加熱に消費され、燃料の蒸発により奪われた熱量は総て排気と排気枝管１８との温度降下に消費され、排気とＮＯx触媒２０との温度が同一温度ＴCaになったものと仮定すると、次式が成立する。
【０１７８】
ＱexC＋ＱC＋ＱHC＋ＱCO＋ＱY＋ＱCX−ＱCY＝ＭC・ＣC・ＴCa＋ＭexC・ＣexC・ＴCa＋（ＭCSUM−ＭCY）・ＣCX・ＴCX
ここで、この式の左辺は触媒反応前の熱量の総和を表し、右辺は触媒反応後の熱量の総和を表す。
【０１７９】
従って、触媒反応後のＮＯx触媒２０の触媒床温ＴCaは次式により算出することができる。
【０１８０】
ＴCa＝｛ＱexC＋ＱC＋ＱHC＋ＱCO＋ＱY＋ＱCX−ＱCY−（ＭCSUM−ＭCY）・ＣCX・ＴCX｝／（ＭC・ＣC＋ＭexC・ＣexC）
ステップ１０９の実行完了により、本ルーチンの第１回目の処理サイクルが完了し、ＥＣＵ３５は、第２回目の処理サイクルを実行すべくステップ１０１に戻る。そして、第２回目以後の処理サイクルにおけるステップ１０８では、前サイクルのステップ１０７で算出した触媒床温ＴCを用いて、触媒反応前のＮＯx触媒が有する熱量ＱCを算出する。
【０１８１】
ＥＣＵ３５は、ステップ１０１からステップ１０９の処理を繰り返し実行して、刻々と変化するＮＯx触媒の触媒床温を推定し、更新していく。そして、更新された最新の触媒床温がＮＯx触媒２０の触媒床温として、この排気浄化装置の種々の制御に利用されることになる。
【０１８２】
したがって、この実施の形態における排気浄化装置では、ＮＯx触媒２０の触媒床温を直接計測することなく、ＮＯx触媒の触媒床温を知ることができる。
【０１８３】
推定されたＮＯx触媒２０の床温は触媒２０に流入する排気の温度で推定されているため実際の触媒床温に対する応答遅れ等問題はない。よって、触媒床温に応じた機関運転制御や還元剤添加制御を実際の触媒床温に対して遅れなく実行でき、以て触媒の性能を最大限に引き出すことができる。
【０１８４】
このように、この排気浄化装置ではＮＯx触媒２０の触媒床温を推定することができるので、触媒床温を直接計測する温度検出手段は不要なのであるが、この実施の形態では、排気浄化装置に対するフェールセーフを実現するために、ＮＯx触媒２０の下流に出ガス温度センサ２４を設けている。この実施の形態のフェールセーフシステムでは、出ガス温度センサ２４で実測された出ガス温度を触媒床温の実測値（以下、実測触媒床温という）ＴC2として代用する。
【０１８５】
前記実測触媒床温ＴC2が、前述した触媒床温推定処理の実行により推定されたＮＯx触媒２０の触媒床温（以下、推定触媒床温という）ＴCaよりも大幅に低い場合には、還元剤噴射弁２８から排気中に供給された燃料（ＨＣ）がＮＯx触媒２０で反応せずにＮＯx触媒２０に付着していると考えられる。このようにＮＯx触媒２０に付着したＨＣは、所定の温度条件を満足したときに燃焼し始めてＮＯx触媒２０の触媒床温を異常上昇させ、ＮＯx触媒２０の熱劣化を促進する虞れがある。
【０１８６】
一方、前記実測触媒床温ＴC2が推定触媒床温ＴCaよりも大幅に高い場合には、還元剤噴射弁２８から排気中に供給された燃料（ＨＣ）量が指令供給量よりも多いと考えられ、原因として流量調整弁３０の作動不良などが考えられる。
【０１８７】
また、入ガス温度センサ３７の経時変化により排気の温度が正確に得られなくなると、ＮＯx触媒２０の床温を精度良く制御することは困難となる。
【０１８８】
そこで、この実施の形態の排気浄化装置では、推定触媒床温ＴCaと実測触媒床温ＴC2の誤差△ｔが所定の許容誤差範囲から外れている場合には、排気浄化装置が異常であると判定して、還元剤噴射弁２８からの燃料添加の実行を禁止することにした。
【０１８９】
この実施の形態では、ＥＣＵ３５が異常判定処理ルーチンを実行することにより、本発明における異常判断手段が実現される。
【０１９０】
出ガス温度センサ２４はＮＯx触媒２０下流の排気の温度を計測しており、実際の触媒床温に対して遅れがあるものの、それに近い値を検出している。この値を用いることにより、入ガス温度センサ３７では計測不可能な、装置の故障等に起因した触媒の過加熱を検出し、フェールセーフを確実に実現することができる。
【０１９１】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、触媒の床温を正確に且つ遅れなく知ることができ、内燃機関の運転制御や還元剤の供給制御を精度良く行うことができる。また、触媒の過加熱を検出することにより触媒の熱劣化を防止することができる。
【０１９２】
この結果、排気エミッションの悪化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図
【図２】 （Ａ）吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸収メカニズムを説明する図（Ｂ）吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx放出メカニズムを説明する図
【図３】 ＥＣＵの内部構成を示すブロック図
【図４】 本発明に係る触媒床温推定方法を示すフローチャート図
【符号の説明】
１・・・・内燃機関
２・・・・気筒
３・・・・燃料噴射弁
４・・・・コモンレール
５・・・・燃料供給管
６・・・・燃料ポンプ
１８・・・排気枝管
１９・・・排気管
２０・・・吸蔵還元型ＮＯx触媒
２１・・・排気絞り弁
２３・・・空燃比センサ
２４・・・出ガス温度センサ
２５・・・ＥＧＲ通路
２６・・・ＥＧＲ弁
２７・・・ＥＧＲクーラ
２８・・・還元剤噴射弁
２９・・・還元剤供給路
３０・・・流量調整弁
３１・・・遮断弁
３２・・・還元剤圧力センサ
３３・・・クランクポジションセンサ
３４・・・水温センサ
３５・・・ＥＣＵ
３７・・・入ガス温度センサ
３５１・・ＣＰＵ
３５２・・ＲＯＭ
３５３・・ＲＡＭ
３５４・・バックアップＲＡＭ
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気を浄化する排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車等に搭載される内燃機関、特に酸素過剰状態の混合気（所謂、リーン空燃比の混合気）を燃焼可能とするディーゼル機関やリーンバーン・ガソリン機関では、該内燃機関の排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯx）を浄化する技術が望まれている。
【０００３】
このような要求に対し、内燃機関の排気系にリーンＮＯx触媒を配置する技術が提案されている。排気中の有害成分を浄化する排気浄化装置として、選択還元型ＮＯx触媒や吸蔵還元型ＮＯx触媒などのリーンＮＯx触媒が知られている。
【０００４】
選択還元型ＮＯx触媒は、酸素過剰の雰囲気で炭化水素（ＨＣ）の存在下でＮＯxを還元または分解する触媒であり、この選択還元型ＮＯx触媒でＮＯxを浄化するためには適量のＨＣ成分（還元剤）が必要とされる。この選択還元型ＮＯx触媒を前記内燃機関の排気浄化に用いる場合、該内燃機関の通常運転時の排気中のＨＣ成分の量は極めて少ないので、通常運転時にＮＯxを浄化するためには、選択還元型ＮＯx触媒にＨＣ成分を供給する必要がある。
【０００５】
一方、吸蔵還元型ＮＯx触媒は、流入排気の空燃比がリーン空燃比のときはＮＯxを吸収し、流入排気の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯxを放出し、Ｎ2に還元する触媒である。
【０００６】
吸蔵還元型ＮＯx触媒が内燃機関の排気系に配置されると、内燃機関が希薄燃焼運転されて排気の空燃比が高くなるときは排気中の窒素酸化物（ＮＯx）が吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸収され、吸蔵還元型ＮＯx触媒に流入する排気の空燃比が低くなったときは吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸収されていた窒素酸化物（ＮＯx）が放出されつつ窒素（Ｎ2）に還元される。
【０００７】
ところで、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸収能力には限りがあるため、内燃機関が長期にわたって希薄燃焼運転されると、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸収能力が飽和し、排気中の窒素酸化物（ＮＯx）が吸蔵還元型ＮＯx触媒によって除去されることなく大気中に放出されることになる。
【０００８】
従って、吸蔵還元型ＮＯx触媒を希薄燃焼式内燃機関に適用する場合は、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸収能力が飽和する前に該吸蔵還元型ＮＯx触媒に流入する排気の空燃比を低下させる、所謂リッチスパイク制御を実行することにより、吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸収されている窒素酸化物（ＮＯx）を放出及び還元させる必要がある。
【０００９】
リッチスパイク制御の具体的な方法としては、吸蔵還元型ＮＯx触媒より上流を流れる排気中に還元剤たる燃料を添加する方法を例示することができる。
【００１０】
一方、吸蔵還元型ＮＯx触媒には燃料に含まれる硫黄分が燃焼して生成される硫黄酸化物（ＳＯx）もＮＯxと同じメカニズムで吸収される。この吸収されたＳＯxは時間経過とともに安定な硫酸塩を形成するためＮＯxよりも放出されにくく、ＮＯx触媒内に蓄積される。これをＳＯx被毒といい、ＳＯx被毒が進行してＮＯｘ触媒内のＳＯx蓄積量が増大すると、ＮＯx触媒のＮＯx吸収量が減少するため、ＮＯx浄化率が低下する。このため、適宜の時期にＳＯx被毒から回復させる被毒解消処理を施す必要がある。この被毒解消処理は、ＮＯx触媒を高温（例えば６００ないし７００℃程度）にしつつ理論空燃比あるいはリッチ空燃比の排気をＮＯx触媒に流して行わなくてはならない。
【００１１】
これらリーンＮＯx触媒を用いた排気浄化システムにおいては、リーンＮＯx触媒の触媒床温の管理が非常に重要である。
【００１２】
例えば、リーンＮＯx触媒には活性温度があり、触媒床温がこの活性温度範囲から外れると、浄化能力が極度に低下する。また、前述のようにＳＯx被毒を解消するためには所定温度を維持する必要がある。さらには、ＳＯx被毒解消時にＮＯx触媒の温度が過剰に上昇すると、ＮＯx触媒の熱劣化を誘発する虞れがある。
【００１３】
ここで、吸蔵還元型ＮＯx触媒の熱劣化について説明すると、ＮＯx 触媒におけるＮＯxの吸収は白金Ｐｔ（触媒物質）とカリウムＫ（ＮＯx吸収剤）との界面において行われるが、Ｐｔは熱によってシンタリングを起こし、成長して粒径が大きくなることが知られている。車両用内燃機関から排出される排気の浄化においては、ＮＯx 触媒に加わる熱負荷が大きく、白金Ｐｔのシンタリングを避けることはできない。このように白金Ｐｔがシンタリングを起こすと、白金ＰｔとカリウムＫの接触面積が少なくなり、即ち、白金ＰｔとカリウムＫの界面が少なくなる。この結果、ＮＯx 触媒のＮＯx吸収能力が低下し、ＮＯx浄化能力が低下する。
【００１４】
このような問題に対し、特許第２８４５０５６号公報に記載されたような内燃機関の排気浄化装置が提案されている。この公報に記載された内燃機関の排気浄化装置は、吸蔵還元型ＮＯx触媒において排気中の酸素と反応して消費される還元剤の量と吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸収されている窒素酸化物（ＮＯx）を還元するために必要となる還元剤の量とを考慮して、還元剤の添加量を決定することにより、還元剤の過剰供給や供給不足を防止、以てＮＯx吸蔵材の温度の低下の問題を解決しようとするものである。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、必要となる還元剤の添加量を正確に求めることができたとしても、添加された還元剤が排気通路へ付着すると、蒸発してＮＯx触媒に到達するまでに時間がかかり、ＮＯx触媒の温度維持に必要な空燃比を精度良く得ることが困難になる。
【００１６】
さらに、排気通路に付着した還元剤が車両の加速時等に一気にＮＯx触媒に流れ込み、触媒床温が過剰に上昇してしまう懸念も生じる。
【００１７】
このように、触媒の温度は還元剤が排気通路へ付着することにより不安定となるので、触媒の温度に応じた適切な量の還元剤をＮＯx触媒へ供給する必要がある。また、触媒の熱劣化を防止するために触媒床温の過剰な上昇を監視する必要もある。
【００１８】
このような問題に対して、触媒担体中に温度センサを設置して直接触媒床温を得ることが考えられるが担体の信頼性が低下するため実際には困難である。また、内燃機関の排気通路に温度センサを設置して、排気の温度に一時遅れ処理等を行い触媒床温を推定する技術が知られているが、上述の排気通路への還元剤の付着等の外乱があり必要な推定精度を得ることは困難である。
【００１９】
本発明はこのような従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、精度良くＮＯx触媒の床温を推定し、適切な還元剤の添加を実施して触媒の劣化や排気エミッションの悪化を防止することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した課題を解決するために以下のような手段を採用した。
【００２１】
すなわち、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、
酸素過剰状態の混合気を燃焼可能とする希薄燃焼式の内燃機関の排気通路に設けられたＮＯx触媒と、
前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記ＮＯx触媒に流入する排気の温度を計測する入ガス温度計測手段と、
前記ＮＯx触媒から流出する排気の温度を計測する出ガス温度計測手段と、
前記入ガス温度計測手段により計測された排気の温度及び前記運転状態検出手段により検出された運転状態に基づいて前記ＮＯx触媒の床温を推定する入ガス触媒床温推定手段と、
前記入ガス触媒床温推定手段が推定した前記ＮＯx触媒の床温に基づいて前記ＮＯx触媒に還元剤を供給する還元剤供給手段と、
前記出ガス温度計測手段で計測された排気の温度に基づいて前記ＮＯx触媒の床温を検出する出ガス触媒床温検出手段と、
前記出ガス触媒床温推定手段が推定した前記ＮＯx触媒の床温に基づいて前記ＮＯx触媒が異常であるか否かの判断を行う異常判断手段と、
を具備した。
【００２２】
前記入ガス触媒床温推定手段は、前記内燃機関に吸入される空気の量と、前記内燃機関から排出されるＨＣの量と、前記還元剤供給手段により供給される還元剤の量と、前記入ガス温度計測手段により計測された排気の温度と、から、前記排気通路及び前記ＮＯx触媒での前記還元剤の付着量及び蒸発量を算出し、この算出値に基づいて前記ＮＯx触媒の床温を推定することができる。
【００２３】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、入ガス温度計測手段によって計測された排気の温度及び内燃機関の運転状態に基づいて排気通路への還元剤の付着量とその付着した還元剤の蒸発量とを考慮してＮＯx触媒の床温を推定することができる。この推定された触媒床温は触媒に流入する排気の温度に基づいて推定されているので実際の触媒床温に対して遅れはない。よって前記還元剤供給手段は、この推定されたＮＯx触媒の床温に基づいて遅れなく還元剤の供給を行うことができる。
【００２４】
前記入ガス温度計測手段が故障や劣化等して正確な温度を出力しなくなるとＮＯx触媒の床温を正しく推定できないため、過剰に還元剤を供給してしまいＮＯx触媒の温度が過剰に上昇する虞れがある。
【００２５】
そこで、前記出ガス温度計測手段によって計測された排気の温度を触媒の過加熱等の異常判断に用いると安全性を向上させることができる。ＮＯx触媒の過加熱等が検出されたときには前記還元剤供給手段は還元剤の供給を中止して触媒の熱劣化を防止することができる。このため、出ガス温度計測手段はＮＯx触媒にできるだけ近く設置することが望ましい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
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。ここでは、本発明に係る排気浄化装置を車両駆動用のディーゼル機関に適用した場合を例に挙げて説明する。
【００２７】
図１は、本発明に係る排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。
【００２８】
図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼル機関である。
【００２９】
内燃機関１は、各気筒２の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。各燃料噴射弁３は、燃料を所定圧まで蓄圧する蓄圧室（コモンレール）４と接続されている。このコモンレール４には、該コモンレール４内の燃料の圧力に対応した電気信号を出力するコモンレール圧センサ４ａが取り付けられている。
【００３０】
前記コモンレール４は、燃料供給管５を介して燃料ポンプ６と連通している。この燃料ポンプ６は、内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）の回転トルクを駆動源として作動するポンプであり、該燃料ポンプ６の入力軸に取り付けられたポンププーリ６が内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）に取り付けられたクランクプーリ１ａとベルト７を介して連結されている。
【００３１】
このように構成された燃料噴射系では、クランクシャフトの回転トルクが燃料ポンプ６の入力軸へ伝達されると、燃料ポンプ６は、クランクシャフトから該燃料ポンプ６の入力軸へ伝達された回転トルクに応じた圧力で燃料を吐出する。
【００３２】
前記燃料ポンプ６から吐出された燃料は、燃料供給管５を介してコモンレール４へ供給され、コモンレール４にて所定圧まで蓄圧されて各気筒２の燃料噴射弁３へ分配される。そして、燃料噴射弁３に駆動電流が印加されると、燃料噴射弁３が開弁し、その結果、燃料噴射弁３から気筒２内へ燃料が噴射される。
【００３３】
次に、内燃機関１には、吸気枝管８が接続されており、吸気枝管８の各枝管は、各気筒２の燃焼室と図示しない吸気ポートを介して連通している。
【００３４】
前記吸気枝管８は、吸気管９に接続され、この吸気管９は、エアクリーナボックス１０に接続されている。前記エアクリーナボックス１０より下流の吸気管９には、該吸気管９内を流れる吸気の質量に対応した電気信号を出力するエアフローメータ１１と、該吸気管９内を流れる吸気の温度に対応した電気信号を出力する吸気温度センサ１２とが取り付けられている。
【００３５】
前記吸気管９における吸気枝管８の直上流に位置する部位には、該吸気管９内を流れる吸気の流量を調節する吸気絞り弁１３が設けられている。この吸気絞り弁１３には、ステッパモータ等で構成されて該吸気絞り弁１３を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ１４が取り付けられている。
【００３６】
前記エアフローメータ１１と前記吸気絞り弁１３との間に位置する吸気管９には、排気の熱エネルギを駆動源として作動する遠心過給機（ターボチャージャ）１５のコンプレッサハウジング１５ａが設けられ、コンプレッサハウジング１５ａより下流の吸気管９には、前記コンプレッサハウジング１５ａ内で圧縮されて高温となった吸気を冷却するためのインタークーラ１６が設けられている。
【００３７】
このように構成された吸気系では、エアクリーナボックス１０に流入した吸気は、該エアクリーナボックス１０内の図示しないエアクリーナによって吸気中の塵や埃等が除去された後、吸気管９を介してコンプレッサハウジング１５ａに流入する。
【００３８】
コンプレッサハウジング１５ａに流入した吸気は、該コンプレッサハウジング１５ａに内装されたコンプレッサホイールの回転によって圧縮される。前記コンプレッサハウジング１５ａ内で圧縮されて高温となった吸気は、インタークーラ１６にて冷却された後、必要に応じて吸気絞り弁１３によって流量を調節されて吸気枝管８に流入する。吸気枝管８に流入した吸気は、各枝管を介して各気筒２の燃焼室へ分配され、各気筒２の燃料噴射弁３から噴射された燃料を着火源として燃焼される。
【００３９】
一方、内燃機関１には、排気枝管１８が接続され、排気枝管１８の各枝管が図示しない排気ポートを介して各気筒２の燃焼室と連通している。
【００４０】
前記排気枝管１８は、前記遠心過給機１５のタービンハウジング１５ｂと接続されている。前記タービンハウジング１５ｂは、排気管１９と接続され、この排気管１９は、下流にて図示しないマフラーに接続されている。
【００４１】
前記排気管１９の途中には、排気中の有害ガス成分を浄化するための排気浄化触媒２０が配置されている。排気浄化触媒２０より下流の排気管１９には、該排気管１９内を流れる排気の空燃比に対応した電気信号を出力する空燃比センサ２３と、該排気管１９内を流れ触媒２０に流入する排気の温度に対応した電気信号を出力する出ガス温度センサ２４と、該排気管１９内を流れ触媒２０から流出する排気の温度に対応した電気信号を出力する入ガス温度センサ３７と、が取り付けられている。
【００４２】
前記した空燃比センサ２３及び出ガス温度センサ２４より下流の排気管１９には、該排気管１９内を流れる排気の流量を調節する排気絞り弁２１が設けられている。この排気絞り弁２１には、ステッパモータ等で構成されて該排気絞り弁２１を開閉駆動する排気絞り用アクチュエータ２２が取り付けられている。
【００４３】
このように構成された排気系では、内燃機関１の各気筒２で燃焼された混合気（既燃ガス）が排気ポートを介して排気枝管１８へ排出され、次いで排気枝管１８から遠心過給機１５のタービンハウジング１５ｂへ流入する。タービンハウジング１５ｂに流入した排気は、該排気が持つ熱エネルギを利用してタービンハウジング１５ｂ内に回転自在に支持されたタービンホイールを回転させる。その際、タービンホイールの回転トルクは、前述したコンプレッサハウジング１５ａのコンプレッサホイールへ伝達される。
【００４４】
前記タービンハウジング１５ｂから排出された排気は、排気管１９を介して排気浄化触媒２０へ流入し、排気中の有害ガス成分が除去又は浄化される。排気浄化触媒２０にて有害ガス成分を除去又は浄化された排気は、必要に応じて排気絞り弁２１によって流量を調節された後にマフラーを介して大気中に放出される。
【００４５】
また、排気枝管１８と吸気枝管８とは、排気枝管１８内を流れる排気の一部を吸気枝管８へ再循環させる排気再循環通路（ＥＧＲ通路）２５を介して連通されている。このＥＧＲ通路２５の途中には、電磁弁などで構成され、印加電力の大きさに応じて前記ＥＧＲ通路２５内を流れる排気（以下、ＥＧＲガスと称する）の流量を変更する流量調整弁（ＥＧＲ弁）２６が設けられている。
【００４６】
前記ＥＧＲ通路２５においてＥＧＲ弁２６より上流の部位には、該ＥＧＲ通路２５内を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ２７が設けられている。
【００４７】
このように構成された排気再循環機構では、ＥＧＲ弁２６が開弁されると、ＥＧＲ通路２５が導通状態となり、排気枝管１８内を流れる排気の一部が前記ＥＧＲ通路２５へ流入し、ＥＧＲクーラ２７を経て吸気枝管８へ導かれる。
【００４８】
その際、ＥＧＲクーラ２７では、ＥＧＲ通路２５内を流れるＥＧＲガスと所定の冷媒との間で熱交換が行われ、ＥＧＲガスが冷却されることになる。
【００４９】
ＥＧＲ通路２５を介して排気枝管１８から吸気枝管８へ還流されたＥＧＲガスは、吸気枝管８の上流から流れてきた新気と混ざり合いつつ各気筒２の燃焼室へ導かれ、燃料噴射弁３から噴射される燃料を着火源として燃焼される。
【００５０】
ここで、ＥＧＲガスには、水（Ｈ2Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ2）などのように、自らが燃焼することがなく、且つ、吸熱性を有する不活性ガス成分が含まれているため、ＥＧＲガスが混合気中に含有されると、混合気の燃焼温度が低められ、以て窒素酸化物（ＮＯx）の発生量が抑制される。
【００５１】
更に、ＥＧＲクーラ２７においてＥＧＲガスが冷却されると、ＥＧＲガス自体の温度が低下するとともにＥＧＲガスの体積が縮小されるため、ＥＧＲガスが燃焼室内に供給されたときに該燃焼室内の雰囲気温度が不要に上昇することがなくなるとともに、燃焼室内に供給される新気の量（新気の体積）が不要に減少することもない。
【００５２】
次に、本実施の形態に係る排気浄化触媒２０について具体的に説明する。
【００５３】
排気浄化触媒２０は、還元剤の存在下で排気中の窒素酸化物（ＮＯx）を浄化するＮＯx触媒である。このようなＮＯx触媒としては、選択還元型ＮＯx触媒や吸蔵還元型ＮＯx触媒等を例示することができるが、ここでは吸蔵還元型ＮＯx触媒を例に挙げて説明する。以下、排気浄化触媒２０を吸蔵還元型ＮＯx触媒２０と称するものとする。
【００５４】
吸蔵還元型ＮＯx触媒２０は、例えば、アルミナを担体とし、その担体上に、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、もしくはセシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属と、バリウム（Ｂａ）もしくはカルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類と、ランタン（Ｌａ）もしくはイットリウム（Ｙ）等の希土類とから選択された少なくとも１つと、白金（Ｐｔ）等の貴金属とを担持して構成されている。尚、本実施の形態では、アルミナからなる担体上にバリウム（Ｂａ）と白金（Ｐｔ）とを担持して構成される吸蔵還元型ＮＯx触媒を例に挙げて説明する。
【００５５】
このように構成された吸蔵還元型ＮＯx触媒２０は、該吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中の窒素酸化物（ＮＯx）を吸収する。
【００５６】
一方、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０は、該吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の酸素濃度が低下したときは吸収していた窒素酸化物（ＮＯx）を放出する。その際、排気中に炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の還元成分が存在していれば、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０は、該吸蔵還元型ＮＯx触媒２０から放出された窒素酸化物（ＮＯx）を窒素（Ｎ2）に還元せしめることができる。
【００５７】
尚、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０のＮＯx吸放出作用については明らかにされていない部分もあるが、おおよそ以下のようなメカニズムによって行われていると考えられる。
【００５８】
先ず、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０では、該吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比がリーン空燃比となって排気中の酸素濃度が高まると、図２（Ａ）に示されるように、排気中の酸素（Ｏ2）がＯ2 -またはＯ2-の形で白金（Ｐｔ）の表面上に付着する。排気中の一酸化窒素（ＮＯ）は、白金（Ｐｔ）の表面上でＯ2 -またはＯ2-と反応して二酸化窒素（ＮＯ2）を形成する（２ＮＯ＋Ｏ2→２ＮＯ2）。二酸化窒素（ＮＯ2）は、白金（Ｐｔ）の表面上で更に酸化され、硝酸イオン（ＮＯ3-）の形で吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収される。尚、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収された硝酸イオン（ＮＯ3-）は、酸化バリウム（ＢａＯ）と結合して硝酸バリウム（Ｂａ（ＮＯ3）2）を形成する。
【００５９】
このように吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときは、排気中の窒素酸化物（ＮＯx）が硝酸イオン（ＮＯ3-）として吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収される。
【００６０】
上記したようなＮＯx吸収作用は、流入排気の空燃比がリーン空燃比であり、且つ吸蔵還元型ＮＯx触媒２０のＮＯx吸収能力が飽和しない限り継続される。従って、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときは、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０のＮＯx吸収能力が飽和しない限り、排気中の窒素酸化物（ＮＯx）が吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収され、排気中から窒素酸化物（ＮＯx）が除去されることになる。
【００６１】
これに対して、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０では、該吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の酸素濃度が低下すると、白金（Ｐｔ）の表面上において二酸化窒素（ＮＯ2）の生成量が減少するため、酸化バリウム（ＢａＯ）と結合していた硝酸イオン（ＮＯ3-）が逆に二酸化窒素（ＮＯ2）や一酸化窒素（ＮＯ）となって吸蔵還元型ＮＯx触媒２０から離脱する。
【００６２】
その際、排気中に炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の還元成分が存在していれば、それらの還元成分が白金（Ｐｔ）上の酸素（Ｏ2-またはＯ2-）と部分的に反応して活性種を形成する。この活性種は、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０から放出された二酸化窒素（ＮＯ2）や一酸化窒素（ＮＯ）を窒素（Ｎ2）に還元せしめることになる。
【００６３】
従って、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比が理論空燃比又はリッチ空燃比となって排気中の酸素濃度が低下するとともに還元剤の濃度が高まると、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収されていた窒素酸化物（ＮＯx）が放出及び還元され、以て吸蔵還元型ＮＯx触媒２０のＮＯx吸収能力が再生されることになる。
【００６４】
ところで、内燃機関１が希薄燃焼運転されている場合は、内燃機関１から排出される排気の空燃比がリーン雰囲気となり排気の酸素濃度が高くなるため、排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯx）が吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収されることになるが、内燃機関１の希薄燃焼運転が長期間継続されると、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０のＮＯx吸収能力が飽和し、排気中の窒素酸化物（ＮＯx）が吸蔵還元型ＮＯx触媒２０にて除去されずに大気中へ放出されてしまう。
【００６５】
特に、内燃機関１のようなディーゼル機関では、大部分の運転領域においてリーン空燃比の混合気が燃焼され、それに応じて大部分の運転領域において排気の空燃比がリーン空燃比となるため、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０のＮＯx吸収能力が飽和し易い。
【００６６】
従って、内燃機関１が希薄燃焼運転されている場合は、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０のＮＯx吸収能力が飽和する前に吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気中の酸素濃度を低下させるとともに還元剤の濃度を高め、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収された窒素酸化物（ＮＯx）を放出及び還元させる必要がある。
【００６７】
これに対し、本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置は、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０より上流の排気通路を流れる排気中に還元剤たる燃料（軽油）を添加する還元剤供給機構を備え、この還元剤供給機構から排気中へ燃料を添加することにより、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の酸素濃度を低下させるとともに還元剤の濃度を高めるようにした。
【００６８】
還元剤供給機構は、図１に示されるように、その噴孔が排気枝管１８内に臨むよう内燃機関１のシリンダヘッドに取り付けられ、所定の開弁圧以上の燃料が印加されたときに開弁して燃料を噴射する還元剤噴射弁２８と、前述した燃料ポンプ６から吐出された燃料を前記還元剤噴射弁２８へ導く還元剤供給路２９と、この還元剤供給路２９の途中に設けられ該還元剤供給通路２９内を流れる燃料の流量を調整する流量調整弁３０と、この流量調整弁３０より上流の還元剤供給路２９に設けられて該還元剤供給路２９内の燃料の流れを遮断する遮断弁３１と、前記流量調整弁３０より上流の還元剤供給路２９に取り付けられ該還元剤供給路２９内の圧力に対応した電気信号を出力する還元剤圧力センサ３２と、を備えている。
【００６９】
尚、還元剤噴射弁２８は、該還元剤噴射弁２８の噴孔が排気枝管１８におけるＥＧＲ通路２５との接続部位より下流であって、排気枝管１８における４つの枝管の集合部に最も近い気筒２の排気ポートに突出するとともに、排気枝管１８の集合部へ向くようシリンダヘッドに取り付けられることが好ましい。
【００７０】
これは、還元剤噴射弁２８から噴射された還元剤（未燃の燃料成分）がＥＧＲ通路２５へ流入するのを防止するとともに、還元剤が排気枝管１８内に滞ることを抑制するためである。
【００７１】
尚、図１に示す例では、内燃機関１の４つの気筒２のうち１番（＃１）気筒２が排気枝管１８の集合部と最も近い位置にあるため、１番（＃１）気筒２の排気ポートに還元剤噴射弁２８が取り付けられているが、１番（＃１）気筒２以外の気筒２が排気枝管１８の集合部と最も近い位置にあるときは、その気筒２の排気ポートに還元剤噴射弁２８が取り付けられるようにする。
【００７２】
また、前記還元剤噴射弁２８は、シリンダヘッドに形成された図示しないウォータージャケットを貫通、あるいはウォータージャケットに近接して取り付けられるようにし、前記ウォータージャケットを流れる冷却水を利用して還元剤噴射弁２８を冷却するようにしてもよい。
【００７３】
このような還元剤供給機構では、流量調整弁３０が開弁されると、燃料ポンプ６から吐出された高圧の燃料が還元剤供給路２９を介して還元剤噴射弁２８へ印加される。そして、還元剤噴射弁２８に印加される燃料の圧力が開弁圧以上に達すると、該還元剤噴射弁２８が開弁して排気枝管１８内へ還元剤としての燃料が噴射される。
【００７４】
還元剤噴射弁２８から排気枝管１８内へ噴射された還元剤は、排気枝管１８の上流から流れてきた排気とともにタービンハウジング１５ｂへ流入する。タービンハウジング１５ｂ内に流入した排気と還元剤とは、タービンホイールの回転によって撹拌されて均質に混合され、リッチ空燃比の排気を形成する。
【００７５】
このようにして形成されたリッチ空燃比の排気は、タービンハウジング１５ｂから排気管１９を介して吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入し、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収されていた窒素酸化物（ＮＯx）を放出させつつ窒素（Ｎ2）に還元することになる。
【００７６】
その後、流量調整弁３０が閉弁されて燃料ポンプ６から還元剤噴射弁２８への還元剤の供給が遮断されると、還元剤噴射弁２８に印加される燃料の圧力が前記開弁圧未満となり、その結果、還元剤噴射弁２８が閉弁し、排気枝管１８内への還元剤の添加が停止されることになる。
【００７７】
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（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）３５が併設されている。このＥＣＵ３５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の運転状態を制御するユニットである。
【００７８】
ＥＣＵ３５には、コモンレール圧センサ４ａ、エアフローメータ１１、吸気温度センサ１２、吸気管圧力センサ１７、空燃比センサ２３、出ガス温度センサ２４、入ガス温度センサ３７、還元剤圧力センサ３２、クランクポジションセンサ３３、水温センサ３４、アクセル開度センサ３６等の各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号がＥＣＵ３５に入力されるようになっている。
【００７９】
一方、ＥＣＵ３５には、燃料噴射弁３、吸気絞り用アクチュエータ１４、排気絞り用アクチュエータ２２、ＥＧＲ弁２６、流量調整弁３０、遮断弁３１等が電気配線を介して接続され、上記した各部をＥＣＵ３５が制御することが可能になっている。
【００８０】
ここで、ＥＣＵ３５は、図３に示すように、双方向性バス３５０によって相互に接続された、ＣＰＵ３５１と、ＲＯＭ３５２と、ＲＡＭ３５３と、バックアップＲＡＭ３５４と、入力ポート３５６と、出力ポート３５７とを備えるとともに、前記入力ポート３５６に接続されたＡ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄ）３５５を備えている。
【００８１】
前記入力ポート３５６は、クランクポジションセンサ３３のようにデジタル信号形式の信号を出力するセンサの出力信号を入力し、それらの出力信号をＣＰＵ３５１やＲＡＭ３５３へ送信する。
【００８２】
前記入力ポート３５６は、コモンレール圧センサ４ａ、エアフローメータ１１、吸気温度センサ１２、吸気管圧力センサ１７、空燃比センサ２３、出ガス温度センサ２４、入ガス温度センサ３７、還元剤圧力センサ３２、水温センサ３４、アクセル開度センサ３６、等のように、アナログ信号形式の信号を出力するセンサのＡ／Ｄ３５５を介して入力し、それらの出力信号をＣＰＵ３５１やＲＡＭ３５３へ送信する。
【００８３】
前記出力ポート３５７は、燃料噴射弁３、吸気絞り用アクチュエータ１４、排気絞り用アクチュエータ２２、ＥＧＲ弁２６、流量調整弁３０、遮断弁３１等と電気配線を介して接続され、ＣＰＵ３５１から出力される制御信号を、前記した燃料噴射弁３、吸気絞り用アクチュエータ１４、排気絞り用アクチュエータ２２、ＥＧＲ弁２６、流量調整弁３０、あるいは遮断弁３１へ送信する。
【００８４】
前記ＲＯＭ３５２は、燃料噴射弁３を制御するための燃料噴射制御ルーチン、吸気絞り弁１３を制御するための吸気絞り制御ルーチン、排気絞り弁２１を制御するための排気絞り制御ルーチン、ＥＧＲ弁２６を制御するためのＥＧＲ制御ルーチン、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収された窒素酸化物（ＮＯx）を浄化するためのＮＯx浄化制御ルーチン、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０の酸化物による被毒を解消するための被毒解消制御ルーチン等のアプリケーションプログラムを記憶している。
【００８５】
前記ＲＯＭ３５２は、上記したアプリケーションプログラムに加え、各種の制御マップを記憶している。前記制御マップは、例えば、内燃機関１の運転状態と基本燃料噴射量（基本燃料噴射時間）との関係を示す燃料噴射量制御マップ、内燃機関１の運転状態と基本燃料噴射時期との関係を示す燃料噴射時期制御マップ、内燃機関１の運転状態と吸気絞り弁１３の目標開度との関係を示す吸気絞り弁開度制御マップ、内燃機関１の運転状態と排気絞り弁２１の目標開度との関係を示す排気絞り弁開度制御マップ、内燃機関１の運転状態とＥＧＲ弁２６の目標開度との関係を示すＥＧＲ弁開度制御マップ、内燃機関１の運転状態と還元剤の目標添加量（もしくは、排気の目標空燃比）との関係を示す還元剤添加量制御マップ、還元剤の目標添加量と流量調整弁３０の開弁時間との関係を示す流量調整弁制御マップ等である。
【００８６】
前記ＲＡＭ３５３は、各センサからの出力信号やＣＰＵ３５１の演算結果等を格納する。前記演算結果は、例えば、クランクポジションセンサ３３がパルス信号を出力する時間的な間隔に基づいて算出される機関回転数である。これらのデータは、クランクポジションセンサ３３がパルス信号を出力する都度、最新のデータに書き換えられる。
【００８７】
前記バックアップＲＡＭ３５４は、内燃機関１の運転停止後もデータを記憶可能な不揮発性のメモリである。
【００８８】
前記ＣＰＵ３５１は、前記ＲＯＭ３５２に記憶されたアプリケーションプログラムに従って動作して、燃料噴射弁制御、吸気絞り制御、排気絞り制御、ＥＧＲ制御、ＮＯx浄化制御、被毒解消制御を実行する。
【００８９】
例えば、燃料噴射弁制御では、ＣＰＵ３５１は、先ず、燃料噴射弁３から噴射される燃料量を決定し、次いで燃料噴射弁３から燃料を噴射する時期を決定する。
【００９０】
燃料噴射量を決定する場合は、ＣＰＵ３５１は、ＲＡＭ３５３に記憶されている機関回転数とアクセル開度センサ３６の出力信号（アクセル開度）とを読み出す。ＣＰＵ３５１は、燃料噴射量制御マップへアクセスし、前記機関回転数及び前記アクセル開度に対応した基本燃料燃料噴射量（基本燃料噴射時間）を算出する。ＣＰＵ３５１は、エアフローメータ１１、吸気温度センサ１２、水温センサ３４等の出力信号値等に基づいて前記基本燃料噴射時間を補正し、最終的な燃料噴射時間を決定する。
【００９１】
燃料噴射時期を決定する場合は、ＣＰＵ３５１は、燃料噴射開始時期制御マップへアクセスし、前記機関回転数及び前記アクセル開度に対応した基本燃料噴射時期を算出する。ＣＰＵ３５１は、エアフローメータ１１、吸気温度センサ１２、水温センサ３４等の出力信号値をパラメータとして前記基本燃料噴射時期を補正し、最終的な燃料噴射時期を決定する。
【００９２】
燃料噴射時間と燃料噴射時期とが決定されると、ＣＰＵ３５１は、前記燃料噴射時期とクランクポジションセンサ３３の出力信号とを比較し、前記クランクポジションセンサ３３の出力信号が前記燃料噴射開始時期と一致した時点で燃料噴射弁３に対する駆動電力の印加を開始する。ＣＰＵ３５１は、燃料噴射弁３に対する駆動電力の印加を開始した時点からの経過時間が前記燃料噴射時間に達した時点で燃料噴射弁３に対する駆動電力の印加を停止する。
【００９３】
尚、燃料噴射制御において内燃機関１の運転状態がアイドル運転状態にある場合は、ＣＰＵ３５１は、水温センサ３４の出力信号値や、車室内用空調装置のコンプレッサのようにクランクシャフトの回転力を利用して作動する補機類の作動状態等をパラメータとして内燃機関１の目標アイドル回転数を算出する。そして、ＣＰＵ３５１は、実際のアイドル回転数が目標アイドル回転数と一致するよう燃料噴射量をフィードバック制御する。
【００９４】
また、吸気絞り制御では、ＣＰＵ３５１は、例えば、ＲＡＭ３５３に記憶されている機関回転数とアクセル開度とを読み出す。ＣＰＵ３５１は、吸気絞り弁開度制御マップへアクセスし、機関回転数及びアクセル開度に対応した目標吸気絞り弁開度を算出する。ＣＰＵ３５１は、前記目標吸気絞り弁開度に対応した駆動電力を吸気絞り用アクチュエータ１４に印加する。その際、ＣＰＵ３５１は、吸気絞り弁１３の実際の開度を検出して、実際の吸気絞り弁１３の開度と目標吸気絞り弁開度との差分に基づいて前記吸気絞り用アクチュエータ１４をフィードバック制御するようにしてもよい。
【００９５】
また、排気絞り制御では、ＣＰＵ３５１は、例えば、内燃機関１が冷間始動後の暖機運転状態にある場合や、車室内用ヒータが作動状態にある場合などに排気絞り弁２１を閉弁方向へ駆動すべく排気絞り用アクチュエータ２２を制御する。
【００９６】
この場合、内燃機関１の負荷が増大し、それに対応して燃料噴射量が増量されることなる。その結果、内燃機関１の発熱量が増加し、内燃機関１の暖機が促進されるとともに、車室内用ヒータの熱源が確保される。
【００９７】
また、ＥＧＲ制御では、ＣＰＵ３５１は、ＲＡＭ３５３に記憶されている機関回転数、水温センサ３４の出力信号（冷却水温度）、アクセル開度センサ３６の出力信号（アクセル開度）等を読み出し、ＥＧＲ制御の実行条件が成立しているか否かを判別する。
【００９８】
上記したＥＧＲ制御実行条件としては、冷却水温度が所定温度以上にある、内燃機関１が始動時から所定時間以上連続して運転されている、アクセル開度の変化量が正値である等の条件を例示することができる。
【００９９】
上記したようなＥＧＲ制御実行条件が成立していると判定した場合は、ＣＰＵ３５１は、機関回転数とアクセル開度とをパラメータとしてＥＧＲ弁開度制御マップへアクセスし、前記機関回転数及び前記アクセル開度に対応した目標ＥＧＲ弁開度を算出する。ＣＰＵ３５１は、前記目標ＥＧＲ弁開度に対応した駆動電力をＥＧＲ弁２６に印加する。一方、上記したようなＥＧＲ制御実行条件が成立していないと判定した場合は、ＣＰＵ３５１は、ＥＧＲ弁２６を全閉状態に保持すべく制御する。
【０１００】
更に、ＥＧＲ制御では、ＣＰＵ３５１は、内燃機関１の吸入空気量をパラメータとしてＥＧＲ弁２６の開度をフィードバック制御する、いわゆるＥＧＲ弁フィードバック制御を行うようにしてもよい。
【０１０１】
ＥＧＲ弁フィードバック制御では、例えば、ＣＰＵ３５１は、アクセル開度や機関回転数等をパラメータとして内燃機関１の目標吸入空気量を決定する。その際、アクセル開度と機関回転数と目標吸入空気量との関係を予めマップ化しておき、そのマップとアクセル開度と機関回転数とから目標吸入空気量が算出されるようにしてもよい。
【０１０２】
上記した手順により目標吸入空気量が決定されると、ＣＰＵ３５１は、ＲＡＭ３５３に記憶されたエアフローメータ１１の出力信号値（実際の吸入空気量）を読み出し、実際の吸入空気量と目標吸入空気量とを比較する。
【０１０３】
前記した実際の吸入空気量が前記目標吸入空気量より少ない場合には、ＣＰＵ３５１は、ＥＧＲ弁２６を所定量閉弁させる。この場合、ＥＧＲ通路２５から吸気枝管８へ流入するＥＧＲガス量が減少し、それに応じて内燃機関１の気筒２内に吸入されるＥＧＲガス量が減少することになる。その結果、内燃機関１の気筒２内に吸入される新気の量は、ＥＧＲガスが減少した分だけ増加する。
【０１０４】
一方、実際の吸入空気量が目標吸入空気量より多い場合には、ＣＰＵ３５１は、ＥＧＲ弁２６を所定量開弁させる。この場合、ＥＧＲ通路２５から吸気枝管８へ流入するＥＧＲガス量が増加し、それに応じて内燃機関１の気筒２内に吸入されるＥＧＲガス量が増加する。この結果、内燃機関１の気筒２内に吸入される新気の量は、ＥＧＲガスが増加した分だけ減少することになる。
【０１０５】
次に、ＮＯx浄化制御では、ＣＰＵ３５１は、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比を比較的に短い周期でスパイク的（短時間）にリッチ空燃比とする、所謂リッチスパイク制御を実行する。
【０１０６】
リッチスパイク制御では、ＣＰＵ３５１は、所定の周期毎にリッチスパイク制御実行条件が成立しているか否かを判別する。このリッチスパイク制御実行条件としては、例えば、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０が活性状態にある、出ガス温度センサ２４の出力信号値（排気温度）が所定の上限値以下である、被毒解消制御が実行されていない、等の条件を例示することができる。
【０１０７】
上記したようなリッチスパイク制御実行条件が成立していると判定された場合は、ＣＰＵ３５１は、還元剤噴射弁２８からスパイク的に還元剤たる燃料を噴射させるべく流量調整弁３０を制御することにより、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比を一時的に所定の目標リッチ空燃比とする。
【０１０８】
具体的には、ＣＰＵ３５１は、ＲＡＭ３５３に記憶されている機関回転数、アクセル開度センサ３６の出力信号（アクセル開度）、エアフローメータ１１の出力信号値（吸入空気量）、空燃比センサ２３の出力信号、燃料噴射量等を読み出す。ＣＰＵ３５１は、前記した機関回転数とアクセル開度と吸入空気量と燃料噴射量とをパラメータとしてＲＯＭ３５２の還元剤添加量制御マップへアクセスし、排気の空燃比を予め設定された目標リッチ空燃比とする上で必要となる還元剤の添加量（目標添加量）を算出する。
【０１０９】
続いて、ＣＰＵ３５１は、前記目標添加量をパラメータとしてＲＯＭ３５２の流量調整弁制御マップへアクセスし、還元剤噴射弁２８から目標添加量の還元剤を噴射させる上で必要となる流量調整弁３０の開弁時間（目標開弁時間）を算出する。
【０１１０】
流量調整弁３０の目標開弁時間が算出されると、ＣＰＵ３５１は、流量調整弁３０を開弁させる。この場合、燃料ポンプ６から吐出された高圧の燃料が還元剤供給路２９を介して還元剤噴射弁２８へ供給されるため、還元剤噴射弁２８に印加される燃料の圧力が開弁圧以上に達し、還元剤噴射弁２８が開弁する。
【０１１１】
ＣＰＵ３５１は、流量調整弁３０を開弁させた時点から前記目標開弁時間が経過すると、流量調整弁３０を閉弁させる。この場合、燃料ポンプ６から還元剤噴射弁２８への還元剤の供給が遮断されるため、還元剤噴射弁２８に印加される燃料の圧力が開弁圧未満となり、還元剤噴射弁２８が閉弁する。
【０１１２】
このように流量調整弁３０が目標開弁時間だけ開弁されると、目標添加量の燃料が還元剤噴射弁２８から排気枝管１８内へ噴射されることになる。そして、還元剤噴射弁２８から噴射された還元剤は、排気枝管１８の上流から流れてきた排気と混ざり合って目標リッチ空燃比の混合気を形成して吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する。
【０１１３】
この結果、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比は、比較的に短い周期で「リーン」と「スパイク的な目標リッチ空燃比」とを交互に繰り返すことになり、以て、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０が窒素酸化物（ＮＯx）の吸収と放出・還元とを交互に短周期的に繰り返すことになる。
【０１１４】
次に、被毒解消制御では、ＣＰＵ３５１は、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０の酸化物による被毒を解消すべく被毒解消処理を行うことになる。
【０１１５】
ここで、内燃機関１の燃料には硫黄（Ｓ）が含まれている場合があり、そのような燃料が内燃機関１で燃焼されると、二酸化硫黄（ＳＯ2）や三酸化硫黄（ＳＯ3）などの硫黄酸化物（ＳＯx）が生成される。
【０１１６】
硫黄酸化物（ＳＯx）は、排気とともに吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入し、窒素酸化物（ＮＯx）と同様のメカニズムによって吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収される。
【０１１７】
具体的には、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときには、前述したＮＯx吸収メカニズムの説明で述べたように、酸素（Ｏ2）がＯ2 -又はＯ2-の形で白金（Ｐｔ）の表面に付着しているため、流入排気中の二酸化硫黄（ＳＯ2）や三酸化硫黄（ＳＯ3）等の硫黄酸化物（ＳＯx）が白金（Ｐｔ）の表面上でＯ2 -又はＯ2-と反応してＳＯ3-やＳＯ4-となる。
【０１１８】
ＳＯ3-やＳＯ4-は、白金（Ｐｔ）の表面上で更に酸化され、硫酸イオン（ＳＯ4 2-）の形で吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収される。尚、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収された硫酸イオン（ＳＯ4 2-）は、酸化バリウム（ＢａＯ）と結合して硫酸塩（ＢａＳＯ4）を形成する。
【０１１９】
このように吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときは、排気中の硫黄酸化物（ＳＯx）が硫酸イオン（ＳＯ4 2-）として吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収される。
【０１２０】
ところで、硫酸塩（ＢａＳＯ4）は、硝酸バリウム（Ｂａ（ＮＯ3）2）に比して安定していて分解し難く、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比が理論空燃比又はリッチ空燃比となっても分解されずに吸蔵還元型ＮＯx触媒２０内に残留してしまう。
【０１２１】
吸蔵還元型ＮＯx触媒２０における硫酸塩（ＢａＳＯ4）の量が増加すると、それに応じて窒素酸化物（ＮＯx）の吸収に関与することができる酸化バリウム（ＢａＯ）の量が減少するため、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０のＮＯx吸収能力が低下する、いわゆるＳＯx被毒が発生する。
【０１２２】
吸蔵還元型ＮＯx触媒２０のＳＯx被毒を解消する方法としては、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０の雰囲気温度をおよそ５００℃〜７００℃の高温域まで昇温させるとともに、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比とすることにより、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収されている硫酸バリウム（ＢａＳＯ4）をＳＯ3-やＳＯ4-に熱分解し、次いでＳＯ3-やＳＯ4-を排気中の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）と反応させて気体状のＳＯ2-に還元する方法を例示することができる。
【０１２３】
そこで、本実施の形態に係る被毒解消処理では、ＣＰＵ３５１は、先ず吸蔵還元型ＮＯx触媒２０の床温を高める触媒昇温処理を実行した上で、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比とするようにした。
【０１２４】
触媒昇温処理では、ＣＰＵ３５１は、例えば、各気筒２の膨張行程時に燃料噴射弁３から副次的に燃料をポスト噴射させるとともに還元剤噴射弁２８から排気中へ燃料を添加させることにより、それらの未燃燃料成分を吸蔵還元型ＮＯx触媒２０において酸化させ、酸化の際に発生する熱によって吸蔵還元型ＮＯx触媒２０の床温を高めるようにしてもよい。
【０１２５】
但し、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０が過剰に昇温すると、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０の熱劣化が誘発される可能性があるため、出ガス温度センサ２４の出力信号値に基づいてポスト噴射燃料量及び添加燃料量がフィードバック制御されるようにすることが好ましい。
【０１２６】
上記したような触媒昇温処理により吸蔵還元型ＮＯx触媒２０の床温が５００℃〜７００℃程度の高温域まで上昇すると、ＣＰＵ３５１は、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比とすべく還元剤噴射弁２８から燃料を噴射させる。
【０１２７】
尚、還元剤噴射弁２８から過剰な燃料が噴射されると、それらの燃料が吸蔵還元型ＮＯx触媒２０で急激に燃焼して吸蔵還元型ＮＯx触媒２０が過熱し、或いは還元剤噴射弁２８から噴射された過剰な燃料によって吸蔵還元型ＮＯx触媒２０が不要に冷却される虞があるため、ＣＰＵ３５１は、空燃比センサ２３の出力信号に基づいて還元剤噴射弁２８からの燃料噴射量をフィードバック制御するようにしても良い。
【０１２８】
このように被毒解消処理が実行されると、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０の床温が高い状況下で、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比となるため、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収されている硫酸バリウム（ＢａＳＯ4）がＳＯ3-やＳＯ4-に熱分解され、それらＳＯ3-やＳＯ4-が排気中の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）と反応して気体状のＳＯ2-に還元され、以て吸蔵還元型ＮＯx触媒２０のＳＯx被毒が解消されることになる。
【０１２９】
また、前述したＮＯx浄化制御では、ＣＰＵ３５１が所定の周期でリッチスパイク制御を実行することにより、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比をスパイク的に目標リッチ空燃比とし、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収された窒素酸化物（ＮＯx）を放出及び還元している。
【０１３０】
上記ＮＯx浄化及び被毒解消を効率的に行うためには、ＮＯx触媒２０の床温を正確に把握し、床温に応じたリッチスパイク制御を行う必要がある。
【０１３１】
ところが、ＮＯx触媒２０の床温はリッチスパイクによって昇温するため、リッチスパイク制御中は入ガス温度センサ３７により計測された排気の温度よりもＮＯx触媒２０の床温のほうが高くなる虞れがある。
【０１３２】
また、出ガス温度センサ２４により計測された排気の温度はＮＯx触媒２０の下流に設置されているためＮＯx触媒２０の床温よりも低い数値を示すことになる。
【０１３３】
単純に排気枝管１８に添加された燃料の量からＮＯx触媒２０の床温を推定しようとしても、排気枝管１８内に添加された燃料は直ちに蒸発若しくは微粒化して排気と共にＮＯx触媒２０へ到達するものもあれば、排気枝管１８の壁面に液体のまま付着しＮＯx触媒２０へ到達するのに時間がかかるものもある。このように、添加された燃料の全量が直ちにＮＯx触媒２０に到達するわけではないので、ＮＯx触媒２０の床温を精度良く得ることは困難である。
【０１３４】
そこで、本実施の形態では還元剤として添加された燃料の排気枝管２０の付着、蒸発を考慮してＮＯx触媒２０の床温を推定することにした。
【０１３５】
次に、この実施の形態における内燃機関の排気浄化装置のＮＯx触媒２０の床温の推定方法について図４のフローチャートに基づいて説明する。
【０１３６】
ステップ１０１では、内燃機関１の運転状態に基づいて、ＮＯx触媒２０の床温推定に必要な吸入新気量Ｇa、排気温度Ｔex、排出ＨＣ量ＭHC、排出ＣＯ量ＭCO、排気燃料噴射パルス（又は燃料の噴射量）がＲＡＭ３５３に入力される。
【０１３７】
吸入新気量Ｇaは、ＲＡＭ３５３に記憶されているエアフローメータ１１の出力信号値に基づいて算出される。
【０１３８】
内燃機関１から排出される排気の温度Ｔex、該排気に含まれるＨＣ量ＭHC、該排気に含まれるＣＯ量ＭCOは、夫々、排気温度マップ、ＨＣマップ、ＣＯマップを参照して算出される。
【０１３９】
ここで、内燃機関１の運転状態とは、機関回転数、吸入空気量、気筒２に噴射される燃料量等であり、この運転状態と排気温度、排気中のＨＣ量、排気中のＣＯ量、との関係を夫々予め求めてマップ化しＲＯＭ３５２に記憶しておく。
【０１４０】
ＣＰＵ３５１は、機関回転数とアクセル開度と吸入空気量と燃料噴射量とをパラメータとしてＲＯＭ３５２の還元剤添加量制御マップへアクセスし、排気の空燃比を予め設定された目標リッチ空燃比とする上で必要となる燃料の添加量Ｆinjを算出する。
【０１４１】
ステップ１０２では、排気枝管１８内に添加された燃料の排気枝管１８の壁面への付着量ＭWSUM及び蒸発量ＭYを算出する。この値は、例えば次式により算出される。
【０１４２】
ＭWSUM＝ΣＭf(n)
ＭY＝Ｙ・Ｍf(n)
Ｍf(n)＝Ｘ・Ｍinj−Ｙ・Ｍf(n-1)
ここで、Ｍf：一回の燃料噴射で壁面に付着する燃料量
Ｘ ：燃料の壁面付着率
Ｙ ：壁面付着燃料の蒸発率
Ｍinj：一回の燃料（還元剤）の噴射量
である。
【０１４３】
燃料の壁面付着率Ｘ及び壁面付着燃料の蒸発率Ｙは、排気枝管１８の壁面温度、排気の流量、排気の温度に応じて変化することが確認されている。排気の流量は吸入空気量と気筒２内への燃料噴射量との関数として表されるので、壁面温度Ｔexm、吸入空気量Ｇa、燃料噴射量、壁面付着率Ｘ、蒸発率Ｙの関係を予め実験等により求めておき、それらの関係をマップ化してＲＯＭ３５２に記憶しておく。
【０１４４】
燃料添加前の壁面温度Ｔexmは、例えば排気の温度Ｔexの一時遅れや熱伝達に要する応答遅れとして求められることが知られている。燃料添加が始まった後は前回のルーチンのステップ１０４で求められた排気枝管１８の温度Ｔexaを使用する。
【０１４５】
ステップ１０３では、排気枝管１８内でのエネルギー計算を行う。これには、排気が有する熱量Ｑex、排気枝管１８が有する熱量Ｑexm、壁面に付着した燃料が有する熱量ＱexmX、燃料が蒸発するのに必要な熱量ＱexmYが必要となる。
【０１４６】
排気が有する熱量Ｑexは、例えば次式で表すことができる。
【０１４７】
Ｑex＝Ｍex・Ｃex・Ｔex
ここで、Ｍexは排気の質量、Ｃexは排気の比熱、Ｔexは排気の温度であり、排気の質量Ｍexはエアフローメータ１１の出力信号及び気筒２内への燃料主噴射量に基づいて算出し、排気の温度Ｔexはステップ１０１で算出した排気の温度Ｔexを用いる。尚、排気の比熱Ｃexは一定とする。
【０１４８】
排気枝管１８が有する熱量Ｑexmは、例えば次式で表すことができる。
【０１４９】
Ｑexm＝Ｍexm・Ｃexm・Ｔexm
Ｍexmは排気枝管１８の質量、Ｃexmは排気枝管１８の比熱、Ｔexmは排気枝管１８の温度である。排気枝管１８の質量は予め計測してＲＯＭ３５２に記憶させておく。排気枝管１８の温度Ｔexmはステップ１０２で求められた値を使用する。
【０１５０】
壁面に付着した燃料が有する熱量ＱexmXは、例えば次式で表すことができる。
【０１５１】
ＱexmX＝ＭWSUM・ＣexmX・ＴexmX
ＭWSUMはステップ１０２で算出した排気枝管１８に付着した燃料の質量、ＣexmXは排気枝管１８に付着した燃料の比熱、ＴexmXは排気枝管１８に付着した燃料の温度である。尚、排気枝管１８に付着した燃料の比熱ＣexmXは一定とする。
【０１５２】
燃料の温度ＴexmXは吸気温度センサ１２で得られた吸入空気の温度に基づいて推定するか還元剤供給路２９に燃料温度センサ（図示しない）を設置して算出することができる。
【０１５３】
燃料が蒸発するのに必要な熱量ＱexmYは、例えば次式で表すことができる。
【０１５４】
ＱexmY＝ＭY・ＲexmY
ＭYはステップ１０２で算出した排気枝管１８に付着した燃料の蒸発量、ＲexmYは単位質量当たりの燃料を蒸発させるのに要する蒸発熱である。蒸発熱ＲexmYは予め求めておきＲＯＭ３５２に記憶させておく。
【０１５５】
ステップ１０４では、ステップ１０３の算出結果に基づいてＭYの燃料が蒸発した後の排気枝管１８の壁面温度Ｔexaを算出する。ここで、排気と排気枝管１８との温度が同一温度Ｔexaになり、且つ、燃料の蒸発により奪われた熱量は総て排気と排気枝管１８との温度降下に消費されたものと仮定すると、次式が成立する。
【０１５６】
Ｑex＋Ｑexm＋ＱexmX−ＱexmY＝Ｍex・Ｃex・Ｔexa＋Ｍexm・Ｃexm・Ｔexa＋（ＭWSUM−ＭY）・ＣexmX・ＴexmX
ここで、この式の左辺は燃料蒸発前の熱量の総和を表し、右辺は燃料蒸発後のの熱量の総和を表す。
【０１５７】
従って、燃料蒸発後の排気枝管１８の壁面温度Ｔexaは次式により算出することができる。
【０１５８】
Ｔexa＝｛Ｑex＋Ｑexm＋ＱexmX−ＱexmY−（ＭWSUM−ＭY）・ＣexmX・ＴexmX｝／（Ｍex・Ｃex＋Ｍexm・Ｃexm）
ステップ１０５では、排気中に含まれるＨＣがＮＯx触媒２０で燃焼したときに発生される熱量ＱHCを算出する。
【０１５９】
ＱHC＝ＲHC・ＭHC
ここで、ＲHCは排気中の単位質量当たりの未燃ＨＣが酸化反応したときに生じる反応熱で、一定の値である。ＭHCはステップ１０１で算出した排出ＨＣ量である。また、ＣＯがＮＯx触媒２０で燃焼したときに発生される熱量ＱCOも同様に算出する。
【０１６０】
ＱCO＝ＲCO・ＭCO
ここで、ＲCOは排気中の単位質量当たりの未燃ＣＯが酸化反応したときに生じる反応熱で、一定の値である。ＭCOはステップ１０１で算出した排出ＣＯ量である。
【０１６１】
ステップ１０６では、ＮＯx触媒２０に液体のまま到達した燃料の付着量ＭCSUM及びＮＯx触媒２０での燃料の蒸発量ＭCYを算出する。この値は、例えば次式により算出される。
【０１６２】
ＭCSUM＝ΣＭCf(n)
ＭCY＝Ｙ・ＭCf(n)
ＭCf(n)＝ＸC・（Ｍinj−Ｍf(n)）−ＹC・ＭCf(n-1)
Ｍf(n)＝Ｘ・Ｍinj−Ｙ・Ｍf(n-1)
ここで、ＭCf：一回の燃料噴射でＮＯx触媒１８に付着する燃料量
ＸC ：燃料のＮＯx触媒付着率
ＹC ：ＮＯx触媒付着燃料の蒸発率
であり、
Ｍf：一回の燃料噴射で壁面に付着する燃料量
Ｘ ：燃料の壁面付着率
Ｙ ：壁面付着燃料の蒸発率
Ｍinj：一回の燃料（還元剤）の噴射量
はステップ１０２で算出された値である。
【０１６３】
還元剤噴射弁２８から排気枝管１８へ噴射された燃料は、排気枝管１８の壁面に付着するか又は排気と共にＮＯx触媒２０へ流される。排気枝管１８に付着せず且つＮＯx触媒２０へ到達する間に蒸発しなかった燃料がＮＯx触媒２０に付着することになる。
【０１６４】
燃料のＮＯx触媒付着率ＸC及びＮＯx触媒付着燃料の蒸発率ＹCは、ＮＯx触媒２０の床温ＴC、排気の流量、排気の温度に応じて変化することが確認されている。排気の流量は吸入空気量と気筒２内への燃料噴射量との関数として表されるので、触媒床温、吸入空気量Ｇa、燃料噴射量、排気の温度Ｔexn、触媒付着率ＸC、蒸発率ＹCの関係を予め実験等により求めておき、それらの関係をマップ化してＲＯＭ３５２に記憶しておく。
【０１６５】
燃料添加前の触媒床温ＴCは、例えば入ガス温度センサ３７の出力信号に基づいて算出する。燃料の添加が始まった後は、前回のルーチンのステップ１０９で求められた触媒床温ＴCaを使用する。
【０１６６】
ステップ１０７では、ステップ１０２及びステップ１０６で算出された蒸発燃料がＮＯx触媒２０で燃焼したときに発生される熱量ＱYを算出する。この熱量ＱYは例えば次式で示すことができる。
【０１６７】
ＱY＝ＲY・（ＭY＋ＭCY）
ここで、ＲYは単位質量の蒸発燃料が燃焼したときに生じる反応熱で一定の値である。
【０１６８】
ステップ１０８では、ＮＯx触媒２０でのエネルギー計算を行う。これには、ステップ１０５で算出された排気中に含まれるＨＣ、ＣＯがＮＯx触媒２０で燃焼したときに発生される熱量ＱHC、ＱCO及び蒸発した燃料がＮＯx触媒２０で燃焼したときに発生される熱量ＱYの他に、排気が有する熱量ＱexC、ＮＯx触媒２０が有する熱量ＱC、ＮＯx触媒２０に付着した燃料が有する熱量ＱCX、燃料が蒸発するのに必要な熱量ＱCYが必要となる。
【０１６９】
排気が有する熱量ＱexCは、例えば次式で表すことができる。
【０１７０】
ＱexC＝ＭexC・ＣexC・ＴexC
ここで、ＭexCはＮＯx触媒２０に流入する排気の質量、ＣexCはＮＯx触媒２０に流入する排気の比熱である。排気の質量ＭexCはエアフローメータ１１の出力信号及び気筒２内への燃料主噴射量に基づいて算出され、排気の比熱ＣexCは一定とする。また、ＴexCは入ガス温度センサ３７により得られる排気の温度である。
【０１７１】
ＮＯx触媒２０が有する熱量ＱCは、例えば次式で表すことができる。
【０１７２】
ＱC＝ＭC・ＣC・ＴC
ここで、ＭCはＮＯx触媒２０の質量、ＣCはＮＯx触媒２０の比熱でありこれら質量ＭC及び比熱ＣCは一定である。ＴCは触媒反応が起こる前のＮＯx触媒２０の触媒床温であり、ステップ１０６で求められた値を使用する。
【０１７３】
ＮＯx触媒２０に付着した燃料が有する熱量ＱCXは、例えば次式で表すことができる。
【０１７４】
ＱCX＝ＭCSUM・ＣCX・ＴexmX
ＭCSUMはステップ１０６で算出したＮＯx触媒２０に付着した燃料の質量、ＣCXはＮＯx触媒２０に付着した燃料の比熱、ＴexmXはステップ１０３で算出された燃料の温度である。
【０１７５】
燃料が蒸発するのに必要な熱量ＱCYは、例えば次式で表すことができる。
【０１７６】
ＱCY＝ＭCY・ＲexmY
ＭCYはステップ１０６で算出したＮＯx触媒２０に付着した燃料の蒸発量、ＲexmYはステップ１０３で求めた単位質量当たりの燃料を蒸発させるのに要する熱量である。
【０１７７】
ステップ１０９では、ステップ１０８の算出結果に基づいてＮＯx触媒２０の床温を算出する。ここで、ＮＯx触媒２０で触媒反応により発生した熱が総て排気及びＮＯx触媒の加熱に消費され、燃料の蒸発により奪われた熱量は総て排気と排気枝管１８との温度降下に消費され、排気とＮＯx触媒２０との温度が同一温度ＴCaになったものと仮定すると、次式が成立する。
【０１７８】
ＱexC＋ＱC＋ＱHC＋ＱCO＋ＱY＋ＱCX−ＱCY＝ＭC・ＣC・ＴCa＋ＭexC・ＣexC・ＴCa＋（ＭCSUM−ＭCY）・ＣCX・ＴCX
ここで、この式の左辺は触媒反応前の熱量の総和を表し、右辺は触媒反応後の熱量の総和を表す。
【０１７９】
従って、触媒反応後のＮＯx触媒２０の触媒床温ＴCaは次式により算出することができる。
【０１８０】
ＴCa＝｛ＱexC＋ＱC＋ＱHC＋ＱCO＋ＱY＋ＱCX−ＱCY−（ＭCSUM−ＭCY）・ＣCX・ＴCX｝／（ＭC・ＣC＋ＭexC・ＣexC）
ステップ１０９の実行完了により、本ルーチンの第１回目の処理サイクルが完了し、ＥＣＵ３５は、第２回目の処理サイクルを実行すべくステップ１０１に戻る。そして、第２回目以後の処理サイクルにおけるステップ１０８では、前サイクルのステップ１０７で算出した触媒床温ＴCを用いて、触媒反応前のＮＯx触媒が有する熱量ＱCを算出する。
【０１８１】
ＥＣＵ３５は、ステップ１０１からステップ１０９の処理を繰り返し実行して、刻々と変化するＮＯx触媒の触媒床温を推定し、更新していく。そして、更新された最新の触媒床温がＮＯx触媒２０の触媒床温として、この排気浄化装置の種々の制御に利用されることになる。
【０１８２】
したがって、この実施の形態における排気浄化装置では、ＮＯx触媒２０の触媒床温を直接計測することなく、ＮＯx触媒の触媒床温を知ることができる。
【０１８３】
推定されたＮＯx触媒２０の床温は触媒２０に流入する排気の温度で推定されているため実際の触媒床温に対する応答遅れ等問題はない。よって、触媒床温に応じた機関運転制御や還元剤添加制御を実際の触媒床温に対して遅れなく実行でき、以て触媒の性能を最大限に引き出すことができる。
【０１８４】
このように、この排気浄化装置ではＮＯx触媒２０の触媒床温を推定することができるので、触媒床温を直接計測する温度検出手段は不要なのであるが、この実施の形態では、排気浄化装置に対するフェールセーフを実現するために、ＮＯx触媒２０の下流に出ガス温度センサ２４を設けている。この実施の形態のフェールセーフシステムでは、出ガス温度センサ２４で実測された出ガス温度を触媒床温の実測値（以下、実測触媒床温という）ＴC2として代用する。
【０１８５】
前記実測触媒床温ＴC2が、前述した触媒床温推定処理の実行により推定されたＮＯx触媒２０の触媒床温（以下、推定触媒床温という）ＴCaよりも大幅に低い場合には、還元剤噴射弁２８から排気中に供給された燃料（ＨＣ）がＮＯx触媒２０で反応せずにＮＯx触媒２０に付着していると考えられる。このようにＮＯx触媒２０に付着したＨＣは、所定の温度条件を満足したときに燃焼し始めてＮＯx触媒２０の触媒床温を異常上昇させ、ＮＯx触媒２０の熱劣化を促進する虞れがある。
【０１８６】
一方、前記実測触媒床温ＴC2が推定触媒床温ＴCaよりも大幅に高い場合には、還元剤噴射弁２８から排気中に供給された燃料（ＨＣ）量が指令供給量よりも多いと考えられ、原因として流量調整弁３０の作動不良などが考えられる。
【０１８７】
また、入ガス温度センサ３７の経時変化により排気の温度が正確に得られなくなると、ＮＯx触媒２０の床温を精度良く制御することは困難となる。
【０１８８】
そこで、この実施の形態の排気浄化装置では、推定触媒床温ＴCaと実測触媒床温ＴC2の誤差△ｔが所定の許容誤差範囲から外れている場合には、排気浄化装置が異常であると判定して、還元剤噴射弁２８からの燃料添加の実行を禁止することにした。
【０１８９】
この実施の形態では、ＥＣＵ３５が異常判定処理ルーチンを実行することにより、本発明における異常判断手段が実現される。
【０１９０】
出ガス温度センサ２４はＮＯx触媒２０下流の排気の温度を計測しており、実際の触媒床温に対して遅れがあるものの、それに近い値を検出している。この値を用いることにより、入ガス温度センサ３７では計測不可能な、装置の故障等に起因した触媒の過加熱を検出し、フェールセーフを確実に実現することができる。
【０１９１】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、触媒の床温を正確に且つ遅れなく知ることができ、内燃機関の運転制御や還元剤の供給制御を精度良く行うことができる。また、触媒の過加熱を検出することにより触媒の熱劣化を防止することができる。
【０１９２】
この結果、排気エミッションの悪化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図
【図２】 （Ａ）吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸収メカニズムを説明する図（Ｂ）吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx放出メカニズムを説明する図
【図３】 ＥＣＵの内部構成を示すブロック図
【図４】 本発明に係る触媒床温推定方法を示すフローチャート図
【符号の説明】
１・・・・内燃機関
２・・・・気筒
３・・・・燃料噴射弁
４・・・・コモンレール
５・・・・燃料供給管
６・・・・燃料ポンプ
１８・・・排気枝管
１９・・・排気管
２０・・・吸蔵還元型ＮＯx触媒
２１・・・排気絞り弁
２３・・・空燃比センサ
２４・・・出ガス温度センサ
２５・・・ＥＧＲ通路
２６・・・ＥＧＲ弁
２７・・・ＥＧＲクーラ
２８・・・還元剤噴射弁
２９・・・還元剤供給路
３０・・・流量調整弁
３１・・・遮断弁
３２・・・還元剤圧力センサ
３３・・・クランクポジションセンサ
３４・・・水温センサ
３５・・・ＥＣＵ
３７・・・入ガス温度センサ
３５１・・ＣＰＵ
３５２・・ＲＯＭ
３５３・・ＲＡＭ
３５４・・バックアップＲＡＭ
Claims (2)
- 酸素過剰状態の混合気を燃焼可能とする希薄燃焼式の内燃機関の排気通路に設けられたＮＯｘ触媒と、
前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度を計測する入ガス温度計測手段と、
前記ＮＯｘ触媒から流出する排気の温度を計測する出ガス温度計測手段と、
前記入ガス温度計測手段により計測された排気の温度及び前記運転状態検出手段により検出された運転状態に基づいて前記ＮＯｘ触媒の床温を推定する入ガス触媒床温推定手段と、
前記入ガス触媒床温推定手段が推定した前記ＮＯｘ触媒の床温に基づいて前記ＮＯｘ触媒に還元剤を供給する還元剤供給手段と、
前記出ガス温度計測手段で計測された排気の温度に基づいて前記ＮＯｘ触媒の床温を検出する出ガス触媒床温検出手段と、
前記出ガス触媒床温推定手段が推定した前記ＮＯｘ触媒の床温に基づいて前記ＮＯｘ触媒が異常であるか否かの判断を行う異常判断手段と、
を具備する内燃機関の排気浄化装置において、
前記入ガス触媒床温推定手段は、前記内燃機関に吸入される空気の量と、前記内燃機関から排出されるＨＣの量と、前記還元剤供給手段により供給される還元剤の量と、前記入ガス温度計測手段により計測された排気の温度と、から、前記排気通路及び前記ＮＯｘ触媒での前記還元剤の付着量及び蒸発量を算出し、この算出値に基づいて前記ＮＯｘ触媒の床温を推定することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 酸素過剰状態の混合気を燃焼可能とする希薄燃焼式の内燃機関の排気通路に設けられたＮＯｘ触媒と、
前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度を計測する入ガス温度計測手段と、
前記入ガス温度計測手段により計測された排気の温度及び前記運転状態検出手段により検出された運転状態に基づいて前記ＮＯｘ触媒の床温を推定する入ガス触媒床温推定手段と、
前記入ガス触媒床温推定手段が推定した前記ＮＯｘ触媒の床温に基づいて前記ＮＯｘ触媒に還元剤を供給する還元剤供給手段と、
を具備する内燃機関の排気浄化装置において、
前記入ガス触媒床温推定手段は、前記内燃機関に吸入される空気の量と、前記内燃機関から排出されるＨＣの量と、前記還元剤供給手段により供給される還元剤の量と、前記入ガス温度計測手段により計測された排気の温度と、から、前記排気通路及び前記ＮＯｘ触媒での前記還元剤の付着量及び蒸発量を算出し、この算出値に基づいて前記ＮＯｘ触媒の床温を推定することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
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