JPWO2013118252A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

選択還元型ＮＯｘ触媒よりも上流にＮＨ３を生成する触媒を備えている場合において、一方の触媒の浄化能力が低下したとしても、全体としての浄化能力を維持する。このため、ＮＯｘからＮＨ３を生成する触媒であるＮＨ３生成触媒と、ＮＨ３生成触媒よりも下流の排気通路に設けられてＮＨ３を還元剤としてＮＯｘを還元する選択還元型ＮＯｘ触媒と、ＮＨ３生成触媒に流入する排気の空燃比を、ＮＨ３生成触媒が吸蔵しているＮＯｘ量に基づいて、リッチとリーンとに切り替える制御装置と、を備え、制御装置は、選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が、ＮＯｘを浄化可能な温度よりも高いとき又は低いときには、ＮＯｘを浄化可能な温度のときよりも、ＮＨ３生成触媒が吸蔵しているＮＯｘ量が少ないときに排気の空燃比をリーンからリッチに切り替える。

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気通路に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＮＳＲ触媒ともいう。）を配置する技術が知られている。このＮＳＲ触媒は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯｘを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していたＮＯｘを還元する。

ここで、ＮＳＲ触媒に吸蔵されているＮＯｘを還元させるときに、内燃機関の運転条件やＮＳＲ触媒の温度、ＮＳＲ触媒の酸素吸蔵能力に基づいて、排気の空燃比をリッチとリーンとに交互に変化させる周期及びその時の空燃比を調整する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この技術によれば、ＮＯｘの還元時に酸素吸蔵能力を利用して、ＮＳＲ触媒から流出する排気の空燃比を理論空燃比に維持することができる。これにより、排気中の有害物質を低減することができる。

ところで、三元触媒またはＮＳＲ触媒よりも下流側に、選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＳＣＲ触媒ともいう。）を設けることができる。このＳＣＲ触媒は、還元剤によりＮＯｘを選択還元する触媒である。そして、三元触媒またはＮＳＲ触媒において排気中のＨＣやＨ_２がＮＯｘと反応することでＮＨ_３が生成される。このＮＨ_３は、ＳＣＲ触媒において還元剤となる。しかし、従来技術では、ＮＳＲ触媒よりも下流側にＳＣＲ触媒を備えている場合については言及されていない。このため、ＳＣＲ触媒へ還元剤を供給するために適した制御が行われるとは限らない。

例えば、ＮＳＲ触媒及びＳＣＲ触媒には、夫々、ＮＯｘを浄化可能な温度領域（以下、温度ウィンドウとも称する。）が存在する。そして、一方の触媒の温度が温度ウィンドウ内であっても、他方の触媒の温度が温度ウィンドウ外となる場合がある。このような場合に、適切な制御を行わなければ、システム全体としてのＮＯｘ浄化率が低下する虞がある。

特開２００５−１３９９２１号公報

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、選択還元型ＮＯｘ触媒よりも上流にＮＨ_３を生成する触媒を備えている場合において、一方の触媒の浄化能力が低下したとしても、全体としての浄化能力を維持することにある。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化装置は、
内燃機関の排気通路に設けられてＮＯｘからＮＨ_３を生成する触媒であるＮＨ_３生成触媒と、
前記ＮＨ_３生成触媒よりも下流の排気通路に設けられてＮＨ_３を還元剤としてＮＯｘを還元する選択還元型ＮＯｘ触媒と、
前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度を検出する検出部と、
前記ＮＨ_３生成触媒に流入する排気の空燃比を、前記ＮＨ_３生成触媒が吸蔵しているＮＯｘ量に基づいて、リッチとリーンとに切り替える制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が、ＮＯｘを浄化可能な温度よりも高いとき又は低いときには、ＮＯｘを浄化可能な温度のときよりも、前記ＮＨ_３生成触媒が吸蔵しているＮＯｘ量が少ないときに排気の空燃比をリーンからリッチに切り替える。

ＮＨ_３生成触媒は、例えば、Ｈ_２やＨＣとＮＯとを反応させてＮＨ_３を生成する触媒である。このＮＨ_３は、排気の空燃比がリッチ空燃比のときに生成される。ＮＨ_３生成触媒は、ＮＯｘをためておくことが可能な触媒であり、例えば、三元触媒または吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＮＳＲ触媒）とすることができる。ＮＨ_３生成触媒にはＮＯｘをためておく機能があればよく、吸蔵、吸着、付着など、どのような状態でためておいてもよい。なお、以下では、ＮＨ_３生成触媒がＮＯｘを吸蔵するものとして説明する。そして、ＮＨ_３生成触媒では、吸蔵していたＮＯｘがリッチ空燃比のときに放出され、該放出されたＮＯｘからＮＨ_３が生成される。そして、選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）は、ＮＨ_３生成触媒において生成されたＮＨ_３を吸着し、該ＮＨ_３によりＮＯｘを還元する。

したがって、ＮＨ_３生成触媒にＮＯｘが吸蔵されているときに、排気の空燃比をリッチ空燃比とすることで、該ＮＨ_３生成触媒においてＮＯｘからＮＨ_３が生成される。これにより、ＮＨ_３生成触媒からＮＯｘを除去することができる。また、排気の空燃比をリッチ空燃比とすることにより、ＮＨ_３生成触媒に還元剤であるＨＣ等を供給することができる。この還元剤により、ＮＨ_３生成触媒に吸蔵されていたＮＯｘが還元される。すなわち、リッチ空燃比とすることにより、ＮＨ_３生成触媒においてＮＯｘが浄化されるともいえる。

ところで、ＮＨ_３生成触媒よりも下流側にＳＣＲ触媒を設けた場合には、ＮＨ_３生成触媒から流出した排気の温度が、ＳＣＲ触媒に到達するまでの間に低下する。したがって、ＮＨ_３生成触媒の温度よりもＳＣＲ触媒の温度のほうが低くなり易い。また、一般に、ＮＨ_３生成触媒の温度ウィンドウよりも、ＳＣＲ触媒の温度ウィンドウのほうが低い。ここで、ＮＨ_３生成触媒の温度及びＳＣＲ触媒の温度は、内燃機関からの距離が長くなるほど低くなる。そして、夫々の触媒の温度ウィンドウに合わせて夫々の触媒を設置する位置を調整することができる。

しかし、夫々の触媒の温度ウィンドウに合わせて、夫々の触媒を設置しても、例えば内燃機関の運転状態によっては、ＳＣＲ触媒の温度が、温度ウィンドウ外となる場合もある。このような場合には、ＳＣＲ触媒においてＮＯｘを浄化することは望めない。それどころか、高温のＳＣＲ触媒にＮＨ_３を供給すると、酸素とＮＨ_３とが反応してＮＯｘが発生する虞もある。

このため、ＳＣＲ触媒の温度が温度ウィンドウよりも高い場合又は温度ウィンドウよりも低い場合に、制御装置は、ＮＨ_３生成触媒におけるＮＨ_３の生成を抑制する。ここで、ＮＨ_３生成触媒に吸蔵されているＮＯｘが多いほど、リッチ空燃比としたときにＮＨ_３を生成する反応が起こり易くなるので、生成されるＮＨ_３量が多くなる。したがって、ＮＯｘの吸蔵量がより少ない状態で、排気の空燃比がリーンからリッチに切り替わるようにすれば、ＮＨ_３の生成量を少なくすることができる。なお、ＮＯｘの吸蔵量と、リーン空燃比とする時間と、には相関関係がある。すなわち、リーン空燃比とする時間を短くすることにより、ＮＨ_３の生成量が少なくなる。これは、リッチ空燃比とする間隔を短くすることにより、ＮＨ_３の生成量が少なくなるともいえる。

一方、ＮＨ_３生成触媒に吸蔵されているＮＯｘ量が少ない状態で、排気の空燃比がリーンからリッチに切り替わるようにすると、ＮＨ_３生成触媒では、ＮＯｘ浄化率が高くなる。ここで、ＮＨ_３生成触媒においてＮＯｘ浄化率を高くするためには、ＮＨ_３生成触媒に吸蔵されているＮＯｘ量が少ない状態を維持したほうがよい。例えば、ＮＨ_３生成触媒に吸蔵されているＮＯｘ量が少ない状態で排気の空燃比をリーンからリッチへ切り替えればよい。このように、リッチ空燃比とする間隔を短くすることで頻繁にＮＯｘを還元して、ＮＯｘの吸蔵量が少ない状態を維持するほうが、ＮＯｘを吸蔵し易い状態を維持できるので、ＮＨ_３生成触媒におけるＮＯｘ浄化率が高くなる。一方、ＮＨ_３生成触媒におけるＮＯｘ吸蔵量が多くなると、ＮＯｘが吸蔵され難くなり、ＮＨ_３生成触媒におけるＮＯｘ浄化率が低下してしまう。

ＮＨ_３生成触媒におけるＮＯｘの吸蔵量が少ない状態でリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えると、ＮＨ_３の生成量は少なくなる。したがって、ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率に対しては不利になる。しかし、ＳＣＲ触媒の温度が温度ウィンドウよりも高い場合又は温度ウィンドウよりも低い場合には、該ＳＣＲ触媒にＮＨ_３を供給する必要はないので問題はない。

このように、ＮＨ_３生成触媒においてＮＯｘ浄化率を高くするために必要となる条件と、ＳＣＲ触媒においてＮＯｘ浄化率を高くするために必要となる条件と、は異なる。そして、ＳＣＲ触媒の温度が温度ウィンドウ外となるためにＮＯｘを浄化することができなくても、ＮＨ_３生成触媒におけるＮＯｘ浄化率をより高くすることで、システム全体としてのＮＯｘ浄化率を高いまま維持することができる。

なお、制御装置は、ＳＣＲ触媒の温度が、ＮＯｘを浄化可能な温度のときには、ＮＨ_３生成触媒に吸蔵されているＮＯｘ量が比較的多いときに排気の空燃比をリーンからリッチに切り替えてもよい。すなわち、リッチ空燃比とする間隔を長くしてもよい。これは、リーン空燃比となっている時間を長くするとしてもよい。ここで、ＮＨ_３生成触媒に吸蔵されているＮＯｘ量が多いときにリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えることにより、ＮＨ_３の生成量を増加させることができる。これにより、ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘの浄化率を高めることができる。

ところで、リーン空燃比とリッチ空燃比とを切り替える回数が多くなるほど、ＮＨ_３生成触媒の劣化が進行する。したがって、リーン空燃比とリッチ空燃比とを切り替える間隔を長くすることにより、ＮＨ_３生成触媒の劣化を抑制できる。すなわち、ＳＣＲ触媒にてＮＯｘを浄化可能な場合には、ＳＣＲ触媒において積極的にＮＯｘを浄化するように、ＮＨ_３生成触媒におけるＮＨ_３生成量を増加させることにより、ＮＨ_３生成触媒の劣化を抑制することもできる。

なお、検出部は、選択還元型ＮＯｘ触媒よりも下流側または上流側の排気の温度に基づいて、選択還元型ＮＯｘ触媒の温度を推定してもよい。また、選択還元型ＮＯｘ触媒よりも上流側または下流側の排気の温度を、選択還元型ＮＯｘ触媒の温度としてもよい。

また、制御装置は、ＮＨ_３触媒が吸蔵しているＮＯｘ量に代えて、該ＮＯｘ量と相関関係のある他の物理量等を用いて空燃比を切り替える時期を決定することもできる。例えば、吸入空気量の積算値、リーン空燃比の継続時間、またはリーン空燃比のときに設定される目標空燃比は、ＮＨ_３触媒が吸蔵しているＮＯｘ量と相関関係にある。例えば、ＳＣＲ触媒の温度が、ＮＯｘを浄化可能な温度よりも高いとき又は低いときには、ＮＯｘを浄化可能な温度のときよりも、内燃機関の吸入空気量の積算値が少ないときにリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えてもよい。また、リーン空燃比となっている時間が短い状態でリッチ空燃比に切り替えるとしてもよい。さらに、リーン空燃比となっているときの目標空燃比を高くしてもよい。目標空燃比を高くすることにより、燃焼温度が低下して、内燃機関からのＮＯｘ排出量が減少するため、ＮＯｘ吸蔵量が減少する。このため、リーン空燃比となっている時間が変わらなくても、ＮＯｘ吸蔵量が少ない状態でリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えることができる。

また、前記制御装置は、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度がＮＯｘを浄化可能な温度の場合であって、前記ＮＨ_３生成触媒の温度がＮＯｘを浄化可能な温度よりも高いとき又は低いときには、前記ＮＨ_３生成触媒の温度がＮＯｘを浄化可能な温度のときと比べて、前記ＮＨ_３生成触媒が吸蔵しているＮＯｘ量が多いときに排気の空燃比をリーンからリッチに切り替えてもよい。

ここで、ＮＨ_３生成触媒の温度が温度ウィンドウ外の場合であっても、ＳＣＲ触媒の温度が温度ウィンドウ内の場合もある。このような場合には、ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率を高くすれば、システム全体としてのＮＯｘ浄化率を高いまま維持することができる。そして、ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率を高くするためには、ＮＨ_３生成触媒に吸蔵されているＮＯｘ量が比較的多い状態でリーン空燃比からリッチ空燃比に切り替えればよい。

このような条件では、ＮＨ_３生成触媒におけるＮＯｘ浄化率に対しては不利ではあるが、該ＮＨ_３生成触媒では温度ウィンドウ外であることによりＮＯｘを浄化できないので問題はない。そして、ＮＨ_３生成触媒にて生成されるＮＨ_３量を増加させることにより、ＳＣＲ触媒により多くの還元剤を供給することができるため、該ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率を高くすることができる。例えば、ＮＨ_３生成触媒におけるＮＯｘの吸蔵量が多いために、ＮＯｘを吸蔵し切れずに下流へＮＯｘが流出したとしても、ＮＨ_３の生成量が多くなることによりＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率が高くなるので、システム全体としてのＮＯｘ浄化率は高いまま維持される。

このように、ＮＨ_３生成触媒においてＮＯｘを浄化することができなくても、ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率をより高くすることで、システム全体としてのＮＯｘ浄化率を高いまま維持することができる。

また、本発明においては、前記制御装置は、前記ＮＨ_３生成触媒におけるＮＯｘ吸蔵量に基づいて、リッチ空燃比が継続する時間またはリッチ空燃比とするときの目標空燃比の少なくとも一方を設定することができる。

なお、ＳＣＲ触媒の温度が温度ウィンドウ内の場合には、ＮＨ_３の生成量が最も多くなるように、リッチ空燃比が継続する時間またはリッチ空燃比とするときの目標空燃比の少なくとも一方を設定してもよい。ここで、ＮＨ_３生成触媒に吸蔵されるＮＯｘ量が多くなるほど、吸蔵されているＮＯｘを全て還元するまでに、より多くの還元剤を供給する必要がある。また、ＮＨ_３をより多く生成するために、より多くのＨ_２またはＨＣを供給する必要がある。そして、リッチ空燃比となる時間を長くするか、または、目標空燃比をより低くすることにより、ＮＨ_３生成触媒により多くのＨＣ等を供給することができる。

ところで、ＮＨ_３生成触媒に供給するＨＣ量が多すぎると、反応しきれなかったＨＣが下流に流出する虞がある。ここで、ＮＨ_３の生成量を増加させることだけを考えると、リッチ空燃比とする時間は比較的長いほうが良い。しかし、燃費の悪化を抑制しようとしたり、ＨＣ，ＣＯの流出量を低減しようとしたりすると、リッチ空燃比とする時間は比較的短いほうがよい。したがって、ＮＨ_３の生成と、ＨＣ，ＣＯの排出量の低減または燃費の悪化の抑制と、のどちらを優先するかによって、リッチ空燃比が継続する時間またはリッチ空燃比とするときの目標空燃比の少なくとも一方を設定してもよい。

また、本発明においては、前記制御装置は、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の劣化の度合いに基づいて、前記ＮＯｘを浄化可能な温度を補正することができる。

ここで、ＮＨ_３生成触媒及びＳＣＲ触媒は、夫々、劣化の度合いが大きくなるにしたがって、温度ウィンドウが狭くなる。したがって、劣化の度合いに基づいて、ＮＯｘを浄化可能な温度を補正すれば、より適切な時期に空燃比を切り替えることができる。

また、本発明においては、前記制御装置は、排気の空燃比をリーンとしている場合において、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が、ＮＯｘを浄化可能な温度のときには、ＮＯｘを浄化可能な温度よりも高いときに比べて、前記ＮＨ_３生成触媒に流入するＮＯｘ量又はＮＯｘ濃度を増加させることができる。

例えば、ＥＧＲガスの供給量を減少させることにより、内燃機関における燃焼温度が高くなるので、内燃機関からのＮＯｘの排出量を増加させることができる。また、空燃比を理論空燃比に近付けることにより、燃焼温度が高くなるので、内燃機関からのＮＯｘの排出量を増加させることができる。このようにして内燃機関からのＮＯｘの排出量を増加させることにより、ＮＨ_３生成触媒において、より多くのＮＨ_３を生成することができる。したがって、ＮＨ_３生成触媒におけるＮＯｘ浄化率が低くなっても、ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率を高くすることができるので、システム全体としてのＮＯｘ浄化率を高いまま維持することができる。

本発明によれば、選択還元型ＮＯｘ触媒よりも上流にＮＨ_３を生成する触媒を備えている場合において、一方の触媒の浄化能力が低下したとしても、全体としての浄化能力を維持することができる。

実施例に係る内燃機関と、その吸気系及び排気系との概略構成を示す図である。 ＮＳＲ触媒及びＳＣＲ触媒の温度ウィンドウを示した図である。 リッチスパイクの間隔及び時間と、生成されるＮＨ_３量と、の関係を示した図である。 リッチスパイクの間隔及び時間と、ＮＯｘ浄化率と、の関係を示した図である。 実施例に係るリッチスパイクの制御フローを示したフローチャートである。 リッチスパイクの間隔が比較的短い場合の、ＮＳＲ触媒から流出する排気の空燃比、ＮＨ_３濃度、ＮＯｘ濃度、ＣＯ濃度、ＨＣ濃度の推移を示したタイムチャートである。 図６に示したリッチスパイクを行ったときのＮＳＲ触媒から流出する排気のＮＯｘ濃度と、ＳＣＲ触媒５から流出する排気のＮＯｘ濃度と、の推移を示したタイムチャートである。 リッチスパイクの間隔が比較的長い場合の、ＮＳＲ触媒から流出する排気の空燃比、ＮＨ_３濃度、ＮＯｘ濃度、ＣＯ濃度、ＨＣ濃度の推移を示したタイムチャートである。 図８に示したリッチスパイクを行ったときのＮＳＲ触媒から流出する排気のＮＯｘ濃度と、ＳＣＲ触媒から流出する排気のＮＯｘ濃度と、の推移を示したタイムチャートである。 実施例に係るリッチスパイクの制御フローを示した他のフローチャートである。

以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関と、その吸気系及び排気系との概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、ガソリン機関であるが、ディーゼル機関であってもよい。内燃機関１は、たとえば車両に搭載される。

内燃機関１には、排気通路２が接続されている。この排気通路２の途中には、上流側から順に、三元触媒３、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４（以下、ＮＳＲ触媒４という。）、選択還元型ＮＯｘ触媒５（以下、ＳＣＲ触媒５という。）が備えられている。

三元触媒３は、触媒雰囲気が理論空燃比のときにＮＯｘ，ＨＣおよびＣＯを最大効率で浄化する。また、三元触媒３は、酸素ストレージ能を有している。すなわち、流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときに過剰分の酸素を吸蔵し、流入する排気の空燃比がリッチ空燃比であるときに不足分の酸素を放出することにより、排気を浄化する。このような酸素ストレージ能の作用により、三元触媒３がＨＣ，ＣＯおよびＮＯｘを理論空燃比以外であっても浄化することができる。

なお、三元触媒３には、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯｘを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していたＮＯｘを還元する機能を持たせることもできる。この場合、ＮＳＲ触媒４は無くてもよい。

また、ＮＳＲ触媒４は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯｘを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していたＮＯｘを還元する。ＮＳＲ触媒４に供給する還元剤には、内燃機関１から排出される未燃燃料であるＨＣまたはＣＯを利用することができる。

なお、三元触媒３またはＮＳＲ触媒４を排気が通過するときに、排気中のＮＯｘがＨＣまたはＨ_２と反応してアンモニア（ＮＨ_３）が生成されることがある。例えば、水性ガスシフト反応または水蒸気改質反応により排気中のＣＯやＨ_２ＯからＨ_２が発生すれば、該Ｈ_２が三元触媒３またはＮＳＲ触媒４においてＮＯと反応してＮＨ_３が生成される。すなわち、本実施例においては三元触媒３またはＮＳＲ触媒４が、本発明におけるＮＨ_３生成触媒に相当する。なお、本実施例では、ＮＳＲ触媒４をＮＨ_３生成触媒として説明するが、三元触媒３をＮＨ_３生成触媒としても同様に考えることができる。

ＳＣＲ触媒５は、還元剤を吸着しておき、ＮＯｘが通過するときに、吸着していた還元剤によりＮＯｘを選択還元する。ＳＣＲ触媒５へ供給する還元剤には、三元触媒３またはＮＳＲ触媒４にて生成されるＮＨ_３を利用することができる。

また、三元触媒３よりも下流で且つＮＳＲ触媒よりも上流の排気通路２には、排気の温度を検出する第一温度センサ１１と、排気の空燃比を検出する空燃比センサ１２と、が取り付けられている。なお、第一温度センサ１１により三元触媒３の温度、または、ＮＳＲ触媒４の温度を検出することができる。また、空燃比センサ１２により、内燃機関１の排気の空燃比、または、ＮＳＲ触媒４に流入する排気の空燃比を検出することができる。

また、ＮＳＲ触媒４よりも下流で且つＳＣＲ触媒５よりも上流の排気通路２には、排気の温度を検出する第二温度センサ１３が取り付けられている。なお、第二温度センサ１３によりＮＳＲ触媒４の温度、または、ＳＣＲ触媒５の温度を検出することができる。

また、ＳＣＲ触媒５よりも下流の排気通路２には、排気の温度を検出する第三温度センサ１４が取り付けられている。なお、第三温度センサ１４によりＳＣＲ触媒５の温度を検出することができる。すなわち、本実施例においては第二温度センサ１３または第三温度センサ１４が、本発明における検出部に相当する。なお、ＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒５の温度は、内燃機関１の運転状態（例えば、内燃機関１の負荷）に応じて変化するため、該内燃機関１の運転状態に応じてＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒５の温度を推定してもよい。また、ＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒５に温度センサを直接取り付けて、該ＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒５の温度を検出してもよい。

なお、上記センサは、全て取り付ける必要はなく、適宜選択して取り付けてもよい。

また、内燃機関１には、内燃機関１へ燃料を供給する噴射弁６が取り付けられている。

一方、内燃機関１には、吸気通路７が接続されている。吸気通路７の途中には、内燃機関１の吸入空気量を調整するスロットル８が設けられている。また、スロットル８よりも上流の吸気通路７には、内燃機関１の吸入空気量を検出するエアフローメータ１５が取り付けられている。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１を制御する。

また、ＥＣＵ１０には、上記センサの他、運転者がアクセルペダル１６を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検知するアクセル開度センサ１７、および機関回転数を検知するクランクポジションセンサ１８が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ１０に入力される。

一方、ＥＣＵ１０には、噴射弁６及びスロットル８が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１０により噴射弁６の開閉時期及びスロットル８の開度が制御される。

例えばＥＣＵ１０は、アクセル開度センサ１７により検出されるアクセル開度とクランクポジションセンサ１８により検出される機関回転数とから要求吸入空気量を決定する。そして、エアフローメータ１５により検出される吸入空気量が要求吸入空気量となるように、スロットル８の開度が制御される。このときに変化する吸入空気量に応じた燃料噴射量を供給するように噴射弁６を制御する。このときに設定される目標空燃比は、内燃機関１の運転状態に応じて設定される空燃比である。なお、本実施例に係る内燃機関１は、リーンバーン運転がなされている。ただし、高負荷運転時などにおいて、理論空燃比近傍で内燃機関１が運転されることもある。また、ＮＯｘを還元するためにリッチ空燃比で運転することもある。

そして、ＥＣＵ１０は、ＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯｘの還元処理を実施する。ＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯｘの還元時には、噴射弁６から噴射する燃料の量またはスロットル８の開度を調整することにより、ＮＳＲ触媒４に流入する排気の空燃比を所定のリッチ空燃比まで低下させる所謂リッチスパイクを実施する。

このリッチスパイクは、ＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯｘ量が所定量となった場合に実施される。ＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯｘ量は、たとえば、ＮＳＲ触媒４に流入するＮＯｘ量と、ＮＳＲ触媒４から流出するＮＯｘ量と、の差を積算することにより算出される。ＮＳＲ触媒４に流入するＮＯｘ量と、ＮＳＲ触媒４から流出するＮＯｘ量とは、センサを取り付けることにより検出できる。また、所定の時間または所定の走行距離ごとにリッチスパイクを実施してもよい。そして、本実施例では、リッチスパイクを実施する時期をＮＳＲ触媒４またはＳＣＲ触媒５の温度に基づいて変化させる。

ここで、三元触媒３、ＮＳＲ触媒４およびＳＣＲ触媒５には、夫々、排気を浄化可能な温度領域（以下、温度ウィンドウとも称する。）が存在する。また、夫々の触媒の温度は、夫々の触媒よりも上流側の排気通路２の長さに応じて変わる。すなわち、触媒よりも上流側の排気通路２が長いほど、触媒に流入する排気の温度が低くなるため、触媒の温度が低くなる。このため、夫々の触媒よりも上流の排気通路２の長さを予め調整しておくことにより、夫々の触媒の温度が変化する範囲を予め設定することができる。そして、夫々の触媒の温度が変化する範囲と、温度ウィンドウと、が重なるような位置に、夫々の触媒が設置される。

しかし、これらの触媒が車両に搭載されている場合には、走行条件により排気の温度や排気の流量が変化するため、全ての走行条件において、全ての触媒の温度を温度ウィンドウ内に維持することは困難である。したがって、ＮＳＲ触媒４またはＳＣＲ触媒５の一方の触媒の温度が温度ウィンドウ内であっても、他方の触媒の温度が温度ウィンドウ外の場合もある。

このように、何れかの触媒の温度が温度ウィンドウ外になると、システム全体としてのＮＯｘ浄化率が低下する虞がある。すなわち、ＳＣＲ触媒５よりも下流側に流出するＮＯｘ量が増加する虞がある。これに対して本実施例では、ＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒５の一方の触媒の温度が温度ウィンドウ外となっても、他方の触媒のＮＯｘ浄化率を高めることで、システム全体としてのＮＯｘ浄化率が低下することを抑制する。

なお、ＮＯｘ浄化率は、流入するＮＯｘ量に対する、浄化されるＮＯｘ量の比である。システム全体としてのＮＯｘ浄化率とは、ＮＳＲ触媒４に流入するＮＯｘ量に対する、ＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒５で浄化されるＮＯｘ量の比である。

ここで、リーン空燃比及びリッチ空燃比の継続時間やそのときの目標空燃比を調整することにより、システム全体としてのＮＯｘ浄化率をほとんど変化させずに、ＮＳＲ触媒４とＳＣＲ触媒５との夫々におけるＮＯｘ浄化率を変化させることができる。したがって、ＮＳＲ触媒４またはＳＣＲ触媒５の一方の触媒の温度が温度ウィンドウ外であっても、他方の触媒の温度が温度ウィンドウ内であれば、該他方の触媒におけるＮＯｘ浄化率を高めることができる。

ここで、図２は、ＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒５の温度ウィンドウを示した図である。「ＮＳＲ」は、ＮＳＲ触媒４の温度ウィンドウを示している。また、「ＳＣＲ」は、ＳＣＲ触媒５の温度ウィンドウを示している。矢印で示される範囲が温度ウィンドウである。

ＮＳＲ触媒４の温度ウィンドウは、例えば３４０℃から４７０℃であり、例えば４００℃のときにＮＯｘ浄化率が最も高くなる。一方、ＳＣＲ触媒５の温度ウィンドウは、例えば２３０℃から３４０℃であり、例えば２９０℃のときにＮＯｘ浄化率が最も高くなる。

そして、排気通路２内で排気の温度が低下することを考慮して、ＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒５が設置される。すなわち、内燃機関１の運転状態が変化したときに、夫々の触媒の温度が温度ウィンドウ内となるように内燃機関１からの距離が決定される。例えば、ＮＳＲ触媒４のほうが、ＳＣＲ触媒５よりも、高い温度でＮＯｘが浄化されるので、ＮＳＲ触媒４がＳＣＲ触媒５よりも上流側に備わる。また、ＮＳＲ触媒４とＳＣＲ触媒５とは例えば１０００ｍｍ離される。そうすると、ＮＳＲ触媒４から流出した排気の温度は、ＳＣＲ触媒５に到達するまでに、例えば１００℃程度低下する。このようにしてＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒５が設置された後では、夫々の触媒の位置を動かすことは困難である。

ここで、例えば、ＮＳＲ触媒４の温度が、温度ウィンドウの下限である３４０℃となる運転状態のときに、ＳＣＲ触媒５の温度が、温度ウィンドウの下限である２３０℃となるように、ＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒５を設置した場合を考える。この場合、ＮＳＲ触媒４の温度が、温度ウィンドウの上限である４７０℃となる運転状態では、ＳＣＲ触媒５の温度が例えば３７０℃となり、該ＳＣＲ触媒５の温度は温度ウィンドウ外となる。すなわち、ＳＣＲ触媒５においてＮＯｘを浄化することができなくなる。それどころか、ＳＣＲ触媒５が高温になると、該ＳＣＲ触媒５において、ＮＨ_３とＯ_２とが反応してＮＯｘが発生する虞もある。

一方、例えば、ＳＣＲ触媒５の温度が最も高くなったとしても、温度ウィンドウの上限である３４０℃となり、このときのＮＳＲ触媒４の温度が、温度ウィンドウ内の４４０℃となるように、ＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒５を設置した場合を考える。この場合、ＳＣＲ触媒５の温度が、温度ウィンドウの下限である２３０℃となる運転状態では、ＮＳＲ触媒４の温度が例えば３３０℃となり、該ＮＳＲ触媒４の温度は温度ウィンドウ外となる。

このように、一方の触媒の温度が温度ウィンドウ外であっても、他方の触媒の温度が温度ウィンドウ内となることもある。そこで、本実施例では、ＮＳＲ触媒４またはＳＣＲ触媒５の一方の触媒の温度が温度ウィンドウ外となっても、他方の触媒のＮＯｘ浄化率を高めることで、システム全体としてのＮＯｘ浄化率を高いまま維持する。

ここで、図３は、リッチスパイクの間隔及び時間と、生成されるＮＨ_３量と、の関係を示した図である。縦軸は、リッチスパイクを１回行ったときに生成されるＮＨ_３量を示している。図３では、リッチスパイクの間隔または時間が異なるＡからＥの条件の夫々で生成されるＮＨ_３量が示される。

図３において「間隔」は、リッチスパイクの間隔であり、これは、前回のリッチスパイクが完了してから、今回のリッチスパイクが開始されるまでの時間（ｓｅｃ）である。この「間隔」は、リーン空燃比が継続する時間、又はリーン空燃比とする時間としてもよい。このリッチスパイクの間隔は、ＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯｘ量と相関関係にある。すなわち、リッチスパイクの間隔が長いほど、ＮＳＲ触媒４に吸蔵されるＮＯｘ量が多くなる。

図３において「時間」は、リッチスパイクが行われている時間（ｓｅｃ）である。この「時間」は、リッチ空燃比が継続する時間、又はリッチ空燃比とする時間としてもよい。例えば、Ａの条件では、２０秒間リーン空燃比とし、その後、２．２秒間リッチ空燃比とすることを繰り返している。

そして、例えば、ＡとＢとでは、リッチスパイクの間隔がＡよりもＢのほうで長くなり、リッチスパイクの時間は同じである。ここで、リッチスパイクの間隔を長くすると、ＮＳＲ触媒４に吸蔵されるＮＯｘ量が多くなる。このため、リッチスパイクを行ったときに生成されるＮＨ_３量が多くなる。したがって、ＡよりもＢのほうが、生成されるＮＨ_３量が多くなる。

しかし、ＢとＣとを比較すると、ＢよりもＣのほうがリッチスパイクの間隔が長いにもかかわらず、ＮＨ_３生成量はあまり変わらない。このときには、ＮＯｘと反応するＨ_２またはＨＣが不足していると考えられる。すなわち、リッチスパイクの間隔が長いことにより、ＮＳＲ触媒４に多くのＮＯｘが吸蔵されているにもかかわらず、供給される還元剤量が不足しているために、生成されるＮＨ_３量があまり多くならないと考えられる。

次に、ＣとＤとを比較すると、リッチスパイクの間隔は同じであっても、リッチスパイクの時間が長いＤのほうのＮＨ_３生成量が多くなっている。したがって、リッチスパイクの間隔を長くするにしたがって、リッチスパイクの時間を長くすることにより、ＮＨ_３生成量が多くなることが分かる。このため、ＤよりもＥのほうがリッチスパイクの間隔が長いにもかかわらず、リッチスパイクの時間が同じために、ＮＨ_３生成量はあまり変わらない。

このように、リッチスパイクの時間が同じであっても、リッチスパイクの間隔が長いほうが、ＮＨ_３生成量が多くなる。また、リッチスパイクの間隔が同じであっても、リッチスパイクの時間が長いほうが、ＮＨ_３生成量が多くなる。このようなことから、ＮＨ_３生成量は、ＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ吸蔵量に影響されると考えられる。また、ＮＨ_３生成量をさらに増加させるためには、リッチスパイクの時間を長くして、より多くのＨ_２またはＨＣを供給するとよいことも分かる。

また、図４は、リッチスパイクの間隔及び時間と、ＮＯｘ浄化率と、の関係を示した図である。「全体」とは、ＮＳＲ触媒４とＳＣＲ触媒５とを合わせたＮＯｘ浄化率であり、システム全体としてのＮＯｘ浄化率である。また、「ＮＳＲ」とは、ＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ浄化率である。さらに、「ＳＣＲ」とは、ＳＣＲ触媒５におけるＮＯｘ浄化率である。また、図４のＡからＥの条件は、図３のＡからＥの条件に対応している。

図４を見れば分かるように、ＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ浄化率は、リッチスパイクの間隔を短くした方が高い。すなわち、ＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯｘ量が少ない状態でリッチスパイクを行うことにより、ＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ浄化率を高くすることができる。一方、ＳＣＲ触媒５におけるＮＯｘ浄化率は、リッチスパイクの間隔を長くした方が高い。すなわち、ＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯｘ量が多い状態でリッチスパイクを行うことにより、より多くのＮＨ_３を生成させたほうが、ＳＣＲ触媒５におけるＮＯｘ浄化率を高くすることができる。例えば、所定期間にＮＳＲ触媒４に流入するＮＯｘの総量が同じであっても、リッチスパイクの間隔を長くした場合のほうが、短くした場合よりも、該所定期間におけるＮＨ_３生成量が多くなる。

このように、ＮＳＲ触媒４においてＮＯｘ浄化率が高くなる条件と、ＳＣＲ触媒５においてＮＯｘ浄化率が高くなる条件とは異なる。そして、図４に示されるように、リッチスパイクの間隔を変化させても、システム全体としてのＮＯｘ浄化率はあまり変化しない。すなわち、一方の触媒のＮＯｘ浄化率が低くなっても、他方の触媒のＮＯｘ浄化率が高くなるため、システム全体としてのＮＯｘ浄化率は高いまま維持される。そうすると、リッチスパイクの間隔を変化させることで、システム全体としてのＮＯｘ浄化率を変化させずに、各触媒におけるＮＯｘ浄化率を変化させることができる。また、システム全体としてのＮＯｘ浄化率をほとんど変化させずに、夫々の触媒において浄化するＮＯｘ量の比率を変化させることができる。

そこで本実施例では、温度ウィンドウ外の一方の触媒のＮＯｘ浄化率が低くなり、且つ、温度ウィンドウ内の他方の触媒のＮＯｘ浄化率が高くなるように、リッチスパイクの間隔及びリッチスパイクの時間を制御する。例えば、ＮＳＲ触媒４の温度が温度ウィンドウ内で且つＳＣＲ触媒５の温度が温度ウィンドウ外の場合には、両触媒の温度が温度ウィンドウ内のときと比較して、リッチスパイクの間隔を短くする。すなわち、ＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯｘ量が少ないときに排気の空燃比をリーンからリッチに切り替える。これにより、ＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ浄化率を高める。そして、リッチスパイクの時間は、リッチスパイクの間隔に応じて決定する。

一方、例えば、ＮＳＲ触媒４の温度が温度ウィンドウ外で且つＳＣＲ触媒５の温度が温度ウィンドウ内の場合には、両触媒の温度が温度ウィンドウ内のときと比較して、リッチスパイクの間隔を長くする。すなわち、ＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯｘ量が多いときに排気の空燃比をリーンからリッチに切り替える。これにより、ＳＣＲ触媒５におけるＮＯｘ浄化率を高める。

なお、ＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒５の温度と、リッチスパイクの間隔及びリッチスパイクの時間と、の関係を、例えばＮＯｘ浄化率が最も高くなるように予め実験等により求めておいてもよい。また、リッチスパイクの時間は、リッチスパイクの間隔に応じて決定してもよい。

図５は、本実施例に係るリッチスパイクの制御フローを示したフローチャートである。本ルーチンは、ＥＣＵ１０により所定の時間毎に実行される。なお、本ルーチンは、ＮＳＲ触媒４の温度が温度ウィンドウの下限値となっているときに、ＳＣＲ触媒５の温度が温度ウィンドウの下限値となるように、両触媒を配置していることが前提となる。なお、本実施例においては図５に示したルーチンを実行するＥＣＵ１０が、本発明における制御装置に相当する。

ステップＳ１０１では、内燃機関１の負荷が検出される。例えば、アクセル開度センサ１７の検出値、または噴射弁６から噴射される燃料量に基づいて、内燃機関１の負荷が検出される。この負荷は、ＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒５の温度と相関関係にある物理量として検出される。なお、本ステップでは、ＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒５の温度を検出してもよい。

ステップＳ１０２では、内燃機関１の負荷が閾値よりも大きいか否か判定される。本ステップでは、ＳＣＲ触媒５の温度が温度ウィンドウの上限を超えるか否か判定される。すなわち、閾値は、ＳＣＲ触媒５の温度が温度ウィンドウの上限値となるときの内燃機関１の負荷とすることができる。

ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを終了させる。

ステップＳ１０３では、ステップＳ１０２で否定判定がなされたときと比較して、リッチスパイクの間隔が短くされる。すなわち、ＮＳＲ触媒４が吸蔵しているＮＯｘ量が少ないときに排気の空燃比をリーンからリッチに切り替える。これに合わせて、リッチスパイクの時間が設定される。このときのリッチスパイクの間隔及びリッチスパイクの時間は、ＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ浄化率が高くなるように、予め実験等により求めてＥＣＵ１０に記憶させておく。

また、ステップＳ１０２で否定判定がなされた場合のリッチスパイクの間隔及びリッチスパイクの時間は、ＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒５でＮＯｘが浄化可能なように、予め実験等により求めてＥＣＵ１０に記憶させておく。また、ＳＣＲ触媒５の温度が温度ウィンドウ内の場合には、温度ウィンドウ外のときよりも、内燃機関１から排出されるＮＯｘを増加させてもよい。例えば、ＥＧＲガスの供給量を減少させたり、または、空燃比を理論空燃比に近付けたりすることにより、燃焼温度が高くなるので、内燃機関１からのＮＯｘの排出量またはＮＯｘの濃度を増加させることができる。このようにして内燃機関１からのＮＯｘの排出量またはＮＯｘの濃度を増加させることにより、ＮＳＲ触媒４により多くのＮＯｘが吸蔵されるため、より多くのＮＨ_３を生成することができる。したがって、ＳＣＲ触媒５におけるＮＯｘ浄化率を高くすることができる。

このようにして、ＮＳＲ触媒４またはＳＣＲ触媒５の一方の触媒の温度が温度ウィンドウ外となっても、他方の触媒のＮＯｘ浄化率を上昇させるようにリッチスパイクを制御するため、システム全体としてのＮＯｘ浄化率を高く維持することができる。

ところで、リーンバーンを行う内燃機関１では、リッチスパイク時にＨＣやＣＯが大気中に放出される虞がある。しかし、ＮＳＲ触媒４でのＮＯｘ浄化率を高めるためには、リッチスパイク時に内燃機関１からＣＯやＨＣが排出されるほどの低い空燃比にする必要がある。また、ＳＣＲ触媒５にＮＨ_３を供給するためにも、内燃機関１からＣＯやＨＣが排出されるほどの低い空燃比にして、リッチスパイクを行う必要がある。したがって、ＮＯｘ浄化率を高めようとすると、ＣＯまたはＨＣが大気中に放出される虞がある。

ここで、リッチスパイク時に内燃機関１からＣＯやＨＣが排出されたとしても、その総量が少なければ問題はない。そして、リッチスパイクの間隔を長くすることで、ＣＯやＨＣの排出量を低減することができる。そして、前記したように、リッチスパイクの間隔を長くしても、ＮＯｘ浄化率はほとんど変化しない。

図６は、リッチスパイクの間隔が比較的短い場合の、ＮＳＲ触媒４から流出する排気の空燃比、ＮＨ_３濃度、ＮＯｘ濃度、ＣＯ濃度、ＨＣ濃度の推移を示したタイムチャートである。図６において、「ＮＨ_３」、「ＮＯｘ」、「ＣＯ」、「ＨＣ」は、夫々、ＮＨ_３濃度、ＮＯｘ濃度、ＣＯ濃度、ＨＣ濃度を示している。また、「Ａ／Ｆ」は排気の空燃比を示しており、「リッチスパイク」で示される時間は、リッチスパイクが行われている時間であり、排気の空燃比はリッチ空燃比とされている。また、「リーン」で示される時間では、リーン空燃比とされている。すなわち、「リーン」で示される時間が、リッチスパイクの間隔となる。

また、図７は、図６に示したリッチスパイクを行ったときのＮＳＲ触媒４から流出する排気のＮＯｘ濃度と、ＳＣＲ触媒５から流出する排気のＮＯｘ濃度と、の推移を示したタイムチャートである。

さらに、図８は、図６と同様にして、リッチスパイクの間隔が比較的長い場合の、ＮＳＲ触媒４から流出する排気の空燃比、ＮＨ_３濃度、ＮＯｘ濃度、ＣＯ濃度、ＨＣ濃度の推移を示したタイムチャートである。また、図９は、図８に示したリッチスパイクを行ったときのＮＳＲ触媒４から流出する排気のＮＯｘ濃度と、ＳＣＲ触媒５から流出する排気のＮＯｘ濃度と、の推移を示したタイムチャートである。

リッチスパイクの間隔が比較的短い場合には、リッチスパイク時にＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯｘ量が少ない。このため、リッチスパイク時に放出されるＮＯｘ量及び生成されるＮＨ_３量は比較的少なくなる。したがって、図６に示されるＮＨ_３濃度及びＮＯｘ濃度は、比較的低い。

また、ＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯｘ量が少ないために、リッチスパイクの時間も短くてよいため、１回のリッチスパイクで排出されるＣＯ量及びＨＣ量は少ない。したがって、図６に示されるＣＯ濃度及びＨＣ濃度は、比較的低い。

一方、リッチスパイクの間隔が比較的長い場合には、リッチスパイク時にＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯｘ量が多い。このため、リッチスパイク時に放出されるＮＯｘ量及び生成されるＮＨ_３量は比較的多くなる。したがって、図８に示されるＮＨ_３濃度及びＮＯｘ濃度は、比較的高い。

また、ＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯｘ量に応じてリッチスパイクの時間が長くなるため、１回のリッチスパイクで排出されるＣＯ量及びＨＣ量は多い。したがって、図８に示されるＣＯ濃度及びＨＣ濃度は、比較的高い。

しかし、図６に示した場合と、図８に示した場合と、で複数回のリッチスパイクが行われる比較的長い同じ期間に排出されるＣＯの総量及びＨＣの総量を比較すると、図８に示した場合のほうが図６に示した場合よりも少なくなる。すなわち、リッチスパイクの間隔を比較的長くしたほうが、ＣＯの総量及びＨＣの総量を減少させることができる。

また、図７と図９とを比較すればわかるように、リッチスパイクの間隔を変えたとしても、ＳＣＲ触媒５から流出する排気のＮＯｘ濃度はほとんど変わらない。すなわち、リッチスパイクの間隔を変えたとしても、システム全体としてのＮＯｘ浄化率は、ほとんど変わらない。

例えば、内燃機関１の冷間始動時や内燃機関１の温度が低いとき、又は、内燃機関１の負荷が低い場合等、三元触媒３の活性が低く、該三元触媒３においてＨＣやＣＯの浄化が望めない場合には、リッチスパイクの間隔を長くすることで、ＣＯやＨＣの排出量を低減することもできる。

なお、リッチスパイク時に内燃機関１から排出されるＨＣ量を少なくするためには、リッチスパイクの間隔を長くし且つリッチスパイクの時間を短くすることが有効である。すなわち、内燃機関１から排出されるＨＣ量を少なくするためには、リッチスパイクで発生したＨ_２を最大限に利用してＮＨ_３を多く生成できるように、図４に示したＣまたはＥの条件でリッチスパイクを行うことが望ましい。

図１０は、本実施例に係るリッチスパイクの制御フローを示した他のフローチャートである。本ルーチンは、ＥＣＵ１０により所定の時間毎に実行される。

ステップＳ２０１では、三元触媒３の温度が検出される。三元触媒３の温度は、第一温度センサ１１により検出してもよいが、内燃機関１の負荷に基づいて推定してもよい。

ステップＳ２０２では、三元触媒３の温度が温度ウィンドウの下限値である閾値よりも低いか否か判定される。本ステップでは、三元触媒３が活性化しているか否か判定している。すなわち、本ステップでは、三元触媒３でＨＣ及びＣＯが浄化されない状態であるか否か判定している。なお、例えば、排気のＳＶが閾値未満の場合に、三元触媒３の温度が温度ウィンドウの下限値よりも低いと判定してもよい。このときの閾値は、三元触媒３の温度が温度ウィンドウの下限値となるときの排気のＳＶとすることができる。

ステップＳ２０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２０３へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを終了させる。

ステップＳ２０３では、ステップＳ２０２で否定判定がなされた場合よりも、リッチスパイクの間隔が長くされる。このときには、内燃機関１の負荷に応じてリッチスパイクの間隔及び時間が設定される。内燃機関１の負荷と、リッチスパイクの間隔及び時間との関係は、ＨＣ量及びＣＯ量を最小にするべく決定される。リッチスパイクの間隔が長く且つリッチスパイクの時間が短くなるように、例えば、前記ＣまたはＥの条件でリッチスパイクを行ってもよい。

このように、システム全体としてのＮＯｘ浄化率の低下を抑制しつつ、ＨＣ，ＣＯを浄化することができる。

また、本実施例においては、ＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒５の劣化の度合いに応じて、温度ウィンドウを補正してもよい。夫々の触媒の温度ウィンドウは、劣化の度合いに応じて狭くなる。このように狭くなる温度ウィンドウに応じてリッチスパイクの間隔及びリッチスパイクの時間を設定しなければ、ＮＯｘ浄化率が低下する虞がある。例えば、過去の内燃機関１の負荷、過去のＮＳＲ触媒４またはＳＣＲ触媒５の温度、車両の走行距離、所定条件時におけるＮＳＲ触媒４またはＳＣＲ触媒５のＮＯｘ浄化率等から、夫々の触媒の劣化の度合いを求めることができる。そして、夫々の触媒の劣化の度合いと、温度ウィンドウとの関係を予め実験等により求めておけば、劣化の度合いに応じて温度ウィンドウを補正することができる。なお、ＮＳＲ触媒４のほうがＳＣＲ触媒５よりも上流側に備わるため、温度が上昇し易いので、劣化が進みやすい。このため、ＮＳＲ触媒４の劣化の度合いが高くなるほど、リッチスパイクの間隔を長くして、ＳＣＲ触媒５におけるＮＯｘ浄化率を高めてもよい。

また、本実施例においては、リッチスパイクの間隔を変更することに代えて、リーン空燃比のときの空燃比を変更してもよい。ここで、リーン空燃比のときの空燃比を低くすることにより、燃焼温度が高くなるので、内燃機関１からのＮＯｘの排出量が増加する。したがって、リッチスパイクの間隔を変えなくても、リーン空燃比からリッチ空燃比に切り替わるときの、ＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘの吸蔵量を変化させることができる。すなわち、リーン空燃比のときの空燃比を低くすることにより、ＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯｘ量を増加させることができ、リーン空燃比のときの空燃比を高くすることにより、ＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯｘ量を減少させることができる。

また、本実施例においては、ＮＳＲ触媒４が吸蔵しているＮＯｘ量と相関関係のある他の物理量等に基づいて空燃比を切り替えることもできる。例えば、内燃機関１の吸入空気量の積算値が少なければ、ＮＳＲ触媒４が吸蔵しているＮＯｘ量が少なくなるので、この関係にしたがってリッチスパイクを行ってもよい。

なお、ＮＳＲ触媒４の温度及びＳＣＲ触媒５の温度が何れも温度ウィンドウ内となる場合には、リッチスパイクの間隔は、長くても又は短くてもよい。また、内燃機関１の負荷、又は、ＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒５が設けられる位置、さらには、燃料中の硫黄成分の濃度に基づいて、以下の（１）から（１０）ようにしてリッチスパイクの間隔を決定してもよい。

（１）例えば、内燃機関１が中負荷で運転されている場合に、ＮＳＲ触媒４の温度及びＳＣＲ触媒５の温度が何れも温度ウィンドウ内となるように、両触媒が設けられている場合には、内燃機関１が中負荷で運転されているときにＮＳＲ触媒４またはＳＣＲ触媒５の何れであってもＮＯｘを浄化することが可能となる。したがって、リッチスパイクの間隔及び時間を何れの触媒に合わせて設定しても、ＮＯｘ浄化率は高くなる。このような場合には、リッチスパイクの間隔及び時間を任意に設定することができる。

（２）しかし、内燃機関１が中負荷で運転されている場合であっても、燃料中の硫黄成分の濃度が高い場合には、ＮＳＲ触媒４の硫黄被毒により、該ＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ浄化率が低下する。したがって、このような場合には、ＳＣＲ触媒５によるＮＯｘ浄化を優先させるべく、リッチスパイクの間隔を長くし且つリッチスパイクの時間を長くしてもよい。すなわち、リーン空燃比となる時間を長くしてもよい。また、ＮＳＲ触媒４の硫黄被毒の度合いが高くなるほど、リッチスパイクの間隔を長くしてもよい。

（３）また、内燃機関１からＮＳＲ触媒４までの距離が比較的短くなるように該ＮＳＲ触媒４が設けられている場合には、内燃機関１が高負荷で運転されているときに、ＮＳＲ触媒４の温度が温度ウィンドウよりも高くなる場合がある。このような場合には、ＳＣＲ触媒５によるＮＯｘ浄化を優先させるべく、リッチスパイクの間隔を長くし且つリッチスパイクの時間を長くしてもよい。すなわち、リーン空燃比となる時間を長くしてもよい。

（４）一方、内燃機関１からＮＳＲ触媒４までの距離が比較的長くなるように該ＮＳＲ触媒４が設けられている場合であって、内燃機関１からＳＣＲ触媒５までの距離が比較的短くなるように該ＳＣＲ触媒５が設けられている場合もある。このような場合には、内燃機関１が高負荷で運転されているときに、ＮＳＲ触媒４の温度が温度ウィンドウ内となり、ＳＣＲ触媒５の温度が温度ウィンドウよりも高くなる場合がある。このような場合には、ＮＳＲ触媒４によるＮＯｘ浄化を優先させるべく、リッチスパイクの間隔を短くし且つリッチスパイクの時間を短くしてもよい。すなわち、リーン空燃比となる時間を短くしてもよい。

（５）また、内燃機関１からＮＳＲ触媒４までの距離が比較的短くなるように該ＮＳＲ触媒４が設けられている場合であって、燃料中の硫黄成分の濃度が高い場合には、内燃機関１が高負荷で運転されるときに、ＮＳＲ触媒４の温度が温度ウィンドウよりも高くなる場合がある。また、ＮＳＲ触媒４の硫黄被毒も発生しやすい。このような場合には、ＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ吸蔵量を少なくするように、リッチスパイクの間隔を短くし且つリッチスパイクの時間を短くしてもよい。すなわち、リーン空燃比となる時間を短くしてもよい。

（６）また、内燃機関１からＮＳＲ触媒４までの距離が比較的長くなるように該ＮＳＲ触媒４が設けられている場合であって、内燃機関１からＳＣＲ触媒５までの距離が比較的短くなるように該ＳＣＲ触媒５が設けられている場合において、さらに、燃料中の硫黄成分の濃度が高い場合には、内燃機関１が高負荷で運転されても、ＮＳＲ触媒４の温度が温度ウィンドウ内になる場合もある。しかし、ＮＳＲ触媒４の硫黄被毒によりＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ浄化率が低下する。また、ＳＣＲ触媒５の温度が、温度ウィンドウよりも高くなると、該ＳＣＲ触媒５におけるＮＯｘ浄化率も低くなる。このような場合には、ＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒５によるＮＯｘ浄化を期待できないため、三元触媒３にてＮＯｘを浄化してもよい。

（７）また、内燃機関１からＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒５までの距離が比較的短くなるように該ＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒５が設けられている場合には、内燃機関１が高負荷で運転されているときに、ＮＳＲ触媒４の温度が温度ウィンドウよりも高くなる場合がある。このときに、ＳＣＲ触媒５の温度が、温度ウィンドウ内であれば、ＳＣＲ触媒５によるＮＯｘ浄化を優先させるべく、リッチスパイクの間隔を長くし且つリッチスパイクの時間を長くしてもよい。すなわち、リーン空燃比となる時間を長くしてもよい。

（８）また、内燃機関１からＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒５までの距離が比較的短くなるように該ＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒５が設けられている場合であっても、内燃機関１が低負荷で運転されているときには、ＮＳＲ触媒４の温度及びＳＣＲ触媒５の温度が温度ウィンドウ内となる場合がある。このような場合には、ＮＳＲ触媒４またはＳＣＲ触媒５の何れであってもＮＯｘを浄化することが可能となる。したがって、リッチスパイクの間隔及び時間を何れの触媒に合わせて設定しても、ＮＯｘ浄化率は高くなる。すなわち、リッチスパイクの間隔及び時間を任意に設定することができる。

（９）ただし、内燃機関１からＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒５までの距離が比較的短くなるように該ＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒５が設けられている場合であって、内燃機関１が低負荷で運転されている場合であっても、燃料中の硫黄成分の濃度が高い場合には、ＮＳＲ触媒４の硫黄被毒により、該ＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ浄化率が低下する。したがって、このような場合には、ＳＣＲ触媒５によるＮＯｘ浄化を優先させるべく、リッチスパイクの間隔を長くし且つリッチスパイクの時間を長くしてもよい。すなわち、リーン空燃比となる時間を長くしてもよい。ただし、内燃機関１からＮＳＲ触媒４までの距離が比較的短いことにより、ＮＳＲ触媒４の温度が比較的高くなる。このため、ＮＳＲ触媒４の硫黄被毒は発生し難くなる。したがって、ＮＳＲ触媒４によるＮＯｘ浄化も合わせて行えるように、リッチスパイクの間隔及びリッチスパイクの時間を決定してもよい。また、ＮＳＲ触媒４の硫黄被毒の度合いが高くなるほど、リッチスパイクの間隔を長くしてもよい。

（１０）また、内燃機関１からＮＳＲ触媒４までの距離が比較的短くなるように該ＮＳＲ触媒４が設けられ、且つ、内燃機関１が低負荷で運転されている場合にＳＣＲ触媒５の温度が温度ウィンドウ内となるように該ＳＣＲ触媒５が設けられている場合であって、さらに、燃料中の硫黄成分の濃度が高い場合には、ＮＳＲ触媒４の硫黄被毒により、該ＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ浄化率が低下する。一方、ＳＣＲ触媒５の温度は温度ウィンドウ内となる。したがって、このような場合には、ＳＣＲ触媒５によるＮＯｘ浄化を優先させるべく、リッチスパイクの間隔を長くし且つリッチスパイクの時間を長くしてもよい。すなわち、リーン空燃比となる時間を長くしてもよい。ただし、ＮＳＲ触媒４によるＮＯｘ浄化も合わせて行えるように、リッチスパイクの間隔及びリッチスパイクの時間を決定してもよい。また、ＮＳＲ触媒４の硫黄被毒の度合いが高くなるほど、リッチスパイクの間隔を長くしてもよい。

なお、ＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒５の温度が同時に温度ウィンドウ内とならないように、両触媒を配置し、温度ウィンドウ内の触媒を優先的に活用することで、より広い運転領域においてＮＯｘを浄化することも可能となる。すなわち、少なくとも一方の触媒の温度が温度ウィンドウ内となる運転領域を広げることで、ＮＯｘを浄化可能な運転領域を広げることができる。

１ 内燃機関
２ 排気通路
３ 三元触媒
４ 吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＮＳＲ触媒）
５ 選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）
６ 噴射弁
７ 吸気通路
８ スロットル
１０ ＥＣＵ
１１ 第一温度センサ
１２ 空燃比センサ
１３ 第二温度センサ
１４ 第三温度センサ
１５ エアフローメータ
１６ アクセルペダル
１７ アクセル開度センサ
１８ クランクポジションセンサ

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、三元触媒
、ＮＨ _３ を生成する触媒、選択還元型ＮＯｘ触媒を備えている場合において、全体としての浄化能力を維持することにある。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化装置は、
内燃機関の排気通路に設けられてＮＯｘからＮＨ _３ を生成する触媒であるＮＨ _３ 生成触媒と、
前記ＮＨ _３ 生成触媒よりも下流の排気通路に設けられてＮＨ _３ を還元剤としてＮＯｘを還元する選択還元型ＮＯｘ触媒と、
前記ＮＨ _３ 生成触媒よりも上流の排気通路に設けられる三元触媒と、
前記三元触媒の温度を検出する検出部と、
前記ＮＨ _３ 生成触媒に流入する排気の空燃比を、リーン空燃比から所定のリッチ空燃比まで低下させるリッチスパイクを実施する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記三元触媒の温度が、活性化している温度の下限値である閾値よりも低い場合には、閾値以上の場合よりも、リッチスパイクの間隔を長くする。
また、前記制御装置は、前記三元触媒の温度が前記閾値よりも低い場合には、閾値以上の場合よりも、リッチスパイクを実施するときのリッチ空燃比が継続する時間を短くすることができる。
また、前記制御装置は、前記内燃機関の負荷に応じて、リッチスパイクの間隔を決定することができる。
前記制御装置は、前記内燃機関の負荷に応じて、リッチスパイクの間隔及びリッチスパイクを実施するときのリッチ空燃比が継続する時間を決定することができる。
なお、内燃機関の排気通路に設けられてＮＯｘからＮＨ_３を生成する触媒であるＮＨ_３生成触媒と、
前記ＮＨ_３生成触媒よりも下流の排気通路に設けられてＮＨ_３を還元剤としてＮＯｘを還元する選択還元型ＮＯｘ触媒と、
前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度を検出する検出部と、
前記ＮＨ_３生成触媒に流入する排気の空燃比を、前記ＮＨ_３生成触媒が吸蔵しているＮＯｘ量に基づいて、リッチとリーンとに切り替える制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が、ＮＯｘを浄化可能な温度よりも高いとき又は低いときには、ＮＯｘを浄化可能な温度のときよりも、前記ＮＨ_３生成触媒が吸蔵しているＮＯｘ量が少ないときに排気の空燃比をリーンからリッチに切り替えることもできる。

本発明によれば、三元触媒、ＮＨ _３ を生成する触媒、選択還元型ＮＯｘ触媒を備えている場合において、全体としての浄化能力を維持することができる。

なお、三元触媒３には、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯｘを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していたＮＯｘを還元する機能を持たせることもできる。

なお、三元触媒３またはＮＳＲ触媒４を排気が通過するときに、排気中のＮＯｘがＨＣまたはＨ_２と反応してアンモニア（ＮＨ_３）が生成されることがある。例えば、水性ガスシフト反応または水蒸気改質反応により排気中のＣＯやＨ_２ＯからＨ_２が発生すれば、該Ｈ_２が三元触媒３またはＮＳＲ触媒４においてＮＯと反応してＮＨ_３が生成される。すなわち、本実施例においてはＮＳＲ触媒４が、本発明におけるＮＨ_３生成触媒に相当する。

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に設けられてＮＯｘからＮＨ_３を生成する触媒であるＮＨ_３生成触媒と、
   前記ＮＨ_３生成触媒よりも下流の排気通路に設けられてＮＨ_３を還元剤としてＮＯｘを還元する選択還元型ＮＯｘ触媒と、
   前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度を検出する検出部と、
   前記ＮＨ_３生成触媒に流入する排気の空燃比を、前記ＮＨ_３生成触媒が吸蔵しているＮＯｘ量に基づいて、リッチとリーンとに切り替える制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が、ＮＯｘを浄化可能な温度よりも高いとき又は低いときには、ＮＯｘを浄化可能な温度のときよりも、前記ＮＨ_３生成触媒が吸蔵しているＮＯｘ量が少ないときに排気の空燃比をリーンからリッチに切り替える内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記制御装置は、前記ＮＨ_３生成触媒におけるＮＯｘ吸蔵量に基づいて、リッチ空燃比が継続する時間またはリッチ空燃比とするときの目標空燃比の少なくとも一方を設定する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記制御装置は、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の劣化の度合いに基づいて、前記ＮＯｘを浄化可能な温度を補正する請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記制御装置は、排気の空燃比をリーンとしている場合において、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が、ＮＯｘを浄化可能な温度のときには、ＮＯｘを浄化可能な温度よりも高いときに比べて、前記ＮＨ_３生成触媒に流入するＮＯｘ量又はＮＯｘ濃度を増加させる請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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