(57)【要約】【課題】ＮＯｘ浄化触媒の硫黄除去とＤＰＦのＰＭ燃焼除去を、同時に効率良く実行できる排気浄化装置を提供すること。【解決手段】リーン側で酸素を吸蔵し、吸蔵した酸素をリッチ側で放出する酸素吸蔵放出材を有するＮＯｘ浄化触媒２と、ＮＯｘ浄化触媒２に流入する排気の排気空燃比を、リーン側からリッチ側にリッチ化制御することにより、ＮＯｘ浄化触媒２に捕捉された硫黄分を浄化するとともに、パティキュレートフィルタ３に捕集されたパティキュレートを浄化する再生処理を実行する再生手段５１を備えることを特徴とする排気浄化装置である。【選択図】図１
2010203320.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられ、リーンとリッチを繰り返すことによりＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒と、前記排気通路のうち前記ＮＯｘ浄化触媒の下流側に設けられ、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
前記ＮＯｘ浄化触媒は、リーン側で酸素を吸蔵し、吸蔵した酸素をリッチ側で放出する酸素吸蔵放出材を有し、
前記排気浄化装置は、前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の排気空燃比を、リーン側からリッチ側にリッチ化制御することにより、前記ＮＯｘ浄化触媒に捕捉された硫黄分を浄化するとともに、前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを浄化する再生処理を実行する再生手段を備えることを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
前記排気浄化装置は、前記リッチ化制御時における前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の目標空燃比として、第１目標空燃比を設定する第１目標空燃比設定手段をさらに備え、
前記再生手段は、前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の排気空燃比が、前記第１目標空燃比に一致するように前記排気空燃比を制御することにより、前記再生処理を実行することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記第１目標空燃比設定手段は、前記ＮＯｘ浄化触媒の温度、前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の温度、前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の流量、および前記ＮＯｘ浄化触媒の劣化度合のうち少なくともいずれか１つに基づいて、前記第１目標空燃比を設定することを特徴とする請求項２に記載の排気浄化装置。
【請求項４】
前記排気浄化装置は、前記ＮＯｘ浄化触媒の劣化度合を、前記内燃機関の燃料噴射量の積算値に基づいて推定する触媒劣化度合推定手段をさらに備え、
前記第１目標空燃比設定手段は、前記触媒劣化度合推定手段により推定された前記ＮＯｘ浄化触媒の劣化度合が大きいほど、前記第１目標空燃比を高く設定することを特徴とする請求項３に記載の排気浄化装置。
【請求項５】
前記排気浄化装置は、
前記リッチ化制御時における前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の目標空燃比として、前記第１目標空燃比より低い第２目標空燃比を設定する第２目標空燃比設定手段と、
前記パティキュレートフィルタに流入する排気の排気空燃比が所定の閾値を下回った場合には、前記目標空燃比を前記第１目標空燃比から前記第２目標空燃比に切り替える切替手段と、をさらに備え、
前記再生手段は、前記切替手段により前記目標空燃比が前記第２目標空燃比に切り替わったときには、前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の排気空燃比が、前記第２目標空燃比に一致するように前記排気空燃比を制御することにより、前記再生処理を実行することを特徴とする請求項２から４いずれかに記載の排気浄化装置。
【請求項６】
前記第２目標空燃比設定手段は、前記ＮＯｘ浄化触媒の温度、前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の温度、前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の流量、および前記ＮＯｘ浄化触媒の劣化度合のうち少なくともいずれか１つに基づいて、前記第２目標空燃比を設定することを特徴とする請求項５に記載の排気浄化装置。
【請求項７】
前記排気浄化装置は、前記ＮＯｘ浄化触媒の劣化度合を、前記内燃機関の燃料噴射量の積算値に基づいて推定する触媒劣化度合推定手段をさらに備え、
前記第２目標空燃比設定手段は、前記触媒劣化度合推定手段により推定された前記ＮＯｘ浄化触媒の劣化度合が大きいほど、前記第２目標空燃比を高く設定することを特徴とする請求項６に記載の排気浄化装置。
【請求項８】
前記第２目標空燃比設定手段は、前記ＮＯｘ浄化触媒の温度が高いほど、前記第２目標空燃比を低く設定することを特徴とする請求項６または７に記載の排気浄化装置。
【請求項９】
前記排気浄化装置は、前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の排気空燃比または前記パティキュレートフィルタに流入する排気の排気空燃比が低いほど、前記再生処理の時間を短く設定する再生処理時間設定手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から８いずれかに記載の排気浄化装置。
【請求項１０】
前記ＮＯｘ浄化触媒は、貴金属および酸化セリウム系材料を含む第１触媒層を備えることを特徴とする請求項１から９いずれかに記載の排気浄化装置。
【請求項１１】
前記ＮＯｘ浄化触媒は、ＮＨ３吸着材としてのゼオライトを含む第２触媒層をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の排気浄化装置。
【請求項１２】
前記ＮＯｘ浄化触媒は、前記第２触媒層が前記第１触媒層上に設けられていることを特徴とする請求項１１に記載の排気浄化装置。
【請求項１３】
前記パティキュレートフィルタには、捕集したパティキュレートを燃焼するための燃焼触媒が担持されていることを特徴とする請求項１から１２いずれかに記載の排気浄化装置。
【請求項１４】
前記燃焼触媒は、酸素吸蔵放出能を有する複合酸化物にＡｇを担持してなることを特徴とする請求項１３に記載の排気浄化装置。
【請求項１５】
前記パティキュレートフィルタには、排気中に含まれるＮＯをＮＯ２に変換するＮＯ２生成触媒が担持されていることを特徴とする請求項１から１４いずれかに記載の排気浄化装置。
【請求項１６】
前記ＮＯ２生成触媒は、Ｐｔ、Ｐｄ、およびＲｈのうち少なくともいずれか１つの元素が、アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、ジルコニア、およびセリアのうち少なくともいずれか１つの担体に担持されてなることを特徴とする請求項１５に記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関（以下、エンジンという）の排気浄化装置に関する。特に、ＮＯｘ浄化触媒およびパティキュレートフィルタを備えた排気浄化装置に関する。
【０００２】
なお、本発明において、「リッチ」という用語は、空気／燃料比率（以下、空燃比という）が化学量論的な空燃比よりも小さいことを意味し、「リーン」という用語は、空燃比が上述の化学量論的な空燃比よりも大きいことを意味する。
【背景技術】
【０００３】
従来より、希薄燃焼エンジンにおいては、排気中に含まれるＮＯｘと粒子状物質（以下、ＰＭという）の浄化が課題とされている。例えば、ＮＯｘとＰＭの浄化を目的として、リーン側でＮＯｘを吸蔵し、吸蔵したＮＯｘをリッチ側で浄化するＮＯｘ浄化触媒と、ＰＭを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）とを排気通路内に順次配置した排気浄化装置が開示されている（特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１によれば、低温時にＮＯｘ浄化触媒にＮＯｘを吸蔵し、吸蔵したＮＯｘを高温時にＮＯ２として放出することにより、下流側のＤＰＦにＮＯ２を供給できる結果、ＤＰＦに堆積したＰＭを低温燃焼させることができるとされている。
しかしながら、低温時にＮＯｘの吸蔵がない場合には、下流側のＤＰＦにＮＯ２を供給することができないため、ＰＭを低温燃焼させることができない。また、ＮＯｘ浄化触媒は硫黄の除去、ＤＰＦはＰＭの燃焼除去が必要不可欠であり、これらの再生処理を可能な限り効率的に行うことが望まれる。
【０００５】
そこで、ＮＯｘ浄化触媒およびＤＰＦの再生を同時に実行できるようにして、トータルの再生時間を短縮し、燃費の悪化を防止する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２７６３３７号公報
【特許文献２】特開２００３−２０１８２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２の排気浄化装置では、ＤＰＦの前に空気導入口を設ける必要があるうえ、空気導入時期の制御機構が必要になるなど、システムが複雑化して期待される効果が得られない。
従って、ＮＯｘ浄化触媒の硫黄除去とＤＰＦのＰＭ燃焼除去を、同時に効率良く行うことができる排気浄化装置が求められている。
【０００８】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＮＯｘ浄化触媒およびパティキュレートフィルタを備えた排気浄化装置であって、ＮＯｘ浄化触媒の硫黄除去とＤＰＦのＰＭ燃焼除去を、同時に効率良く実行できる排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため請求項１記載の発明は、内燃機関の排気通路に設けられ、リーンとリッチを繰り返すことによりＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒（２）と、前記排気通路のうち前記ＮＯｘ浄化触媒の下流側に設けられ、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタ（３）と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯｘ浄化触媒は、リーン側で酸素を吸蔵し、吸蔵した酸素をリッチ側で放出する酸素吸蔵放出材を有し、前記排気浄化装置は、前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の排気空燃比を、リーン側からリッチ側にリッチ化制御することにより、前記ＮＯｘ浄化触媒に捕捉された硫黄分を浄化するとともに、前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを浄化する再生処理を実行する再生手段（５１）を備えることを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の排気浄化装置において、前記リッチ化制御時における前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の目標空燃比として、第１目標空燃比を設定する第１目標空燃比設定手段（５２）をさらに備え、前記再生手段は、前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の排気空燃比が、前記第１目標空燃比に一致するように前記排気空燃比を制御することにより、前記再生処理を実行することを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項２に記載の排気浄化装置において、前記第１目標空燃比設定手段は、前記ＮＯｘ浄化触媒の温度、前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の温度、前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の流量、および前記ＮＯｘ浄化触媒の劣化度合のうち少なくともいずれか１つに基づいて、前記第１目標空燃比を設定することを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載の発明は、請求項３に記載の排気浄化装置において、前記ＮＯｘ浄化触媒の劣化度合を、前記内燃機関の燃料噴射量の積算値に基づいて推定する触媒劣化度合推定手段（５４）をさらに備え、前記第１目標空燃比設定手段は、前記触媒劣化度合推定手段により推定された前記ＮＯｘ浄化触媒の劣化度合が大きいほど、前記第１目標空燃比を高く設定することを特徴とする。
【００１３】
請求項５記載の発明は、請求項２から４いずれかに記載の排気浄化装置において、前記リッチ化制御時における前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の目標空燃比として、前記第１目標空燃比より低い第２目標空燃比を設定する第２目標空燃比設定手段（５２）と、前記パティキュレートフィルタに流入する排気の排気空燃比が所定の閾値を下回った場合には、前記目標空燃比を前記第１目標空燃比から前記第２目標空燃比に切り替える切替手段（５５）と、をさらに備え、前記再生手段は、前記切替手段により前記目標空燃比が前記第２目標空燃比に切り替わったときには、前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の排気空燃比が、前記第２目標空燃比に一致するように前記排気空燃比を制御することにより、前記再生処理を実行することを特徴とする。
【００１４】
請求項６記載の発明は、請求項５に記載の排気浄化装置において、前記第２目標空燃比設定手段は、前記ＮＯｘ浄化触媒の温度、前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の温度、前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の流量、および前記ＮＯｘ浄化触媒の劣化度合のうち少なくともいずれか１つに基づいて、前記第２目標空燃比を設定することを特徴とする。
【００１５】
請求項７記載の発明は、請求項６に記載の排気浄化装置において、前記ＮＯｘ浄化触媒の劣化度合を、前記内燃機関の燃料噴射量の積算値に基づいて推定する触媒劣化度合推定手段をさらに備え、前記第２目標空燃比設定手段は、前記触媒劣化度合推定手段により推定された前記ＮＯｘ浄化触媒の劣化度合が大きいほど、前記第２目標空燃比を高く設定することを特徴とする。
【００１６】
請求項８記載の発明は、請求項６または７に記載の排気浄化装置において、前記第２目標空燃比設定手段は、前記ＮＯｘ浄化触媒の温度が高いほど、前記第２目標空燃比を低く設定することを特徴とする。
【００１７】
請求項９記載の発明は、請求項１から８いずれかに記載の排気浄化装置において、前記排気浄化装置は、前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の排気空燃比または前記パティキュレートフィルタに流入する排気の排気空燃比が低いほど、前記再生処理の時間を短く設定する再生処理時間設定手段（５６）をさらに備えることを特徴とする。
【００１８】
請求項１０記載の発明は、請求項１から９いずれかに記載の排気浄化装置において、前記ＮＯｘ浄化触媒は、貴金属および酸化セリウム系材料を含む第１触媒層を備えることを特徴とする。
【００１９】
請求項１１記載の発明は、請求項１０に記載の排気浄化装置において、前記ＮＯｘ浄化触媒は、ＮＨ３吸着材としてのゼオライトを含む第２触媒層をさらに備えることを特徴とする。
【００２０】
請求項１２記載の発明は、請求項１１に記載の排気浄化装置において、前記ＮＯｘ浄化触媒は、前記第２触媒層が前記第１触媒層上に設けられていることを特徴とする。
【００２１】
請求項１３記載の発明は、請求項１から１２いずれかに記載の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタには、捕集したパティキュレートを燃焼するための燃焼触媒が担持されていることを特徴とする。
【００２２】
請求項１４記載の発明は、請求項１３に記載の排気浄化装置において、前記燃焼触媒は、酸素吸蔵放出能を有する複合酸化物にＡｇを担持してなることを特徴とする。
【００２３】
請求項１５記載の発明は、請求項１から１４いずれかに記載の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタには、排気中に含まれるＮＯをＮＯ２に変換するＮＯ２生成触媒が担持されていることを特徴とする。
【００２４】
請求項１６記載の発明は、請求項１５に記載の排気浄化装置において、前記ＮＯ２生成触媒は、Ｐｔ、Ｐｄ、およびＲｈのうち少なくともいずれか１つの元素が、アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、ジルコニア、およびセリアのうち少なくともいずれか１つの担体に担持されてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
請求項１記載の排気浄化装置は、酸素吸蔵放出材を有するＮＯｘ浄化触媒を備え、リッチ化制御により、ＮＯｘ浄化触媒に捕捉された硫黄分を浄化するとともに、パティキュレートフィルタに捕集されたＰＭを浄化する再生手段を含んで構成した。これにより、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気空燃比をリッチ化することで、ＮＯｘ浄化触媒上ではリッチを実現しつつ、パティキュレートフィルタに流入する排気の空燃比をリーンにすることができる。このため、ＮＯｘ浄化触媒の硫黄除去とパティキュレートフィルタに捕集されたＰＭの燃焼除去を同時に実行することができる。従って、硫黄除去およびＰＭ燃焼除去に要するエネルギーを削減でき、燃費の悪化を軽減できる。
【００２６】
請求項２記載の排気浄化装置は、リッチ化制御時の目標空燃比として第１目標空燃比を設定する第１目標空燃比設定手段を備えるとともに、設定された第１目標空燃比に一致するように再生処理を実行する再生手段を含んで構成した。これにより、排気空燃比を目標通りに制御できるため、請求項１の効果がより確実に奏される。
【００２７】
請求項３記載の排気浄化装置は、ＮＯｘ浄化触媒の温度、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の温度、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の流量、およびＮＯｘ浄化触媒の劣化度合のうち少なくともいずれか１つに基づいて第１目標空燃比を設定する第１目標空燃比設定手段を含んで構成した。これにより、ＮＯｘ浄化触媒の酸素吸蔵能（ＯＳＣ）に応じて、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気空燃比を設定できるため、硫黄の除去とＰＭの燃焼除去をより効率良く実行でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【００２８】
請求項４記載の排気浄化装置は、触媒劣化度合推定手段を備えるとともに、触媒劣化度合推定手段により推定されたＮＯｘ浄化触媒の劣化度合が大きいほど、第１目標空燃比を高く設定する第１目標空燃比設定手段を含んで構成した。これにより、ＮＯｘ浄化触媒の劣化度合を正確に推定することができ、硫黄除去とＰＭ燃焼除去中において酸素を過不足なく供給することができる。このため、酸素不足によるＰＭ燃焼効率の低下や、酸素過多による硫黄除去効率の低下を回避できる。また、ＮＯｘ浄化触媒の劣化が進行し、ＯＳＣが少なくなった場合に、リッチ化制御時の目標空燃比である第１目標空燃比を高く設定することにより、パティキュレートフィルタに流入する排気の空燃比がストイキ以下となってＰＭ燃焼効率が低下する不具合を回避できる。
【００２９】
請求項５記載の排気浄化装置は、目標空燃比として第１目標空燃比より低い第２目標空燃比を設定する第２目標空燃比設定手段と、パティキュレートフィルタに流入する排気の排気空燃比が所定の閾値を下回った場合には、目標空燃比を第１目標空燃比から第２目標空燃比に切り替える切替手段と、を含んで構成した。これにより、パティキュレートフィルタに流入する排気の排気空燃比が所定の閾値を下回った場合には、目標空燃比がより低く設定されるため、ＮＯｘ浄化触媒の硫黄除去を早期に完了させることができ、燃費の悪化をより軽減できる。
【００３０】
請求項６記載の排気浄化装置は、ＮＯｘ浄化触媒の温度、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の温度、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の流量、およびＮＯｘ浄化触媒の劣化度合のうち少なくともいずれか１つに基づいて第２目標空燃比を設定する第２目標空燃比設定手段を含んで構成した。これにより、ＮＯｘ浄化触媒の酸素吸蔵能（ＯＳＣ）に応じて、硫黄除去とＰＭ燃焼除去の最中で目標空燃比を切り替える際に、ＮＯｘ浄化触媒へ流入する酸素濃度を調節できる。このため、常に酸素不足によるＰＭ燃焼効率の低下や、酸素過多による硫黄除去効率の低下を回避できる。
【００３１】
請求項７記載の排気浄化装置は、触媒劣化度合推定手段を備えるとともに、触媒劣化度合推定手段により推定されたＮＯｘ浄化触媒の劣化度合が大きいほど、第２目標空燃比を高く設定する第２目標空燃比設定手段を含んで構成した。これにより、請求項４記載の発明と同様に、酸素不足によるＰＭ燃焼効率の低下や、酸素過多による硫黄除去効率の低下を回避できる。また、パティキュレートフィルタに流入する排気の空燃比がストイキ以下となってＰＭ燃焼効率が低下する不具合を回避できる。
【００３２】
請求項８記載の排気浄化装置は、ＮＯｘ浄化触媒の温度が高いほど、第２目標空燃比を低く設定する第２目標空燃比設定手段を含んで構成した。これにより、ＮＯｘ浄化触媒の温度が高くなった場合に、第２目標空燃比が低く設定されるため、単位時間あたりに放出される硫黄分の量を増加させることができる結果、硫黄除去をより早期に完了させることができ、燃費の悪化をより軽減できる。
【００３３】
請求項９記載の排気浄化装置は、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排気の排気空燃比またはパティキュレートフィルタに流入する排気の排気空燃比が低いほど、再生処理の時間を短く設定する再生処理時間設定手段を含んで構成した。これにより、硫黄除去中にＮＯｘ浄化触媒で単位時間あたり消費される還元剤が多いほど、硫黄除去時間が短縮されるため、燃費の悪化をより軽減できる。
【００３４】
請求項１０記載の排気浄化装置は、貴金属および酸化セリウム系材料を含む第１触媒層を備えるＮＯｘ浄化触媒を含んで構成した。これにより、酸化セリウム系材料の低温でのＮＯｘ吸着能力により、始動直後やアイドル時などの低温状態であっても、高いＮＯｘ浄化性能が発揮される。また、ＮＯｘ浄化触媒のＯＳＣが飛躍的に高まるため、硫黄除去とＰＭ燃焼除去を同時に実行できる時間が長くなる結果、再生処理に要するトータルの時間を短縮できる。
【００３５】
請求項１１記載の排気浄化装置は、ＮＨ３吸着材としてのゼオライトを含む第２触媒層を備えるＮＯｘ浄化触媒を含んで構成した。これにより、ＮＨ３吸着量を増加させることができるうえ、リーン時におけるＮＯｘとの反応性を向上させることができる。
【００３６】
請求項１２記載の排気浄化装置は、第２触媒層が第１触媒層上に設けられたＮＯｘ浄化触媒を含んで構成した。これにより、リッチ化制御時に生成したＮＨ３を効率的に捕捉し、次のリーン時にＮＯｘ浄化に効率的に用いることができるため、ＮＯｘ浄化性能がより向上する。
【００３７】
請求項１３記載の排気浄化装置は、捕集したパティキュレートを燃焼するための燃焼触媒が担持されたパティキュレートフィルタを含んで構成した。これにより、パティキュレートフィルタの温度が６００℃以下の場合であっても、ＰＭの燃焼除去が可能である。このため、低温で効率的にパティキュレートフィルタを再生でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【００３８】
請求項１４記載の排気浄化装置は、酸素吸蔵放出能を有する複合酸化物にＡｇを担持してなる燃焼触媒を含んで構成した。これにより、ＰＭの燃焼除去が、５００℃程度でも可能になるため、車両走行中にパティキュレートフィルタの温度が５００℃程度まで低下した場合であっても、ＰＭの燃焼除去が可能であるとともに、パティキュレートフィルタの再生速度を大幅に向上できる。従って、硫黄除去とＰＭ燃焼除去に要するトータルの処理時間が短縮でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【００３９】
請求項１５記載の排気浄化装置は、排気中に含まれるＮＯをＮＯ２に変換するＮＯ２生成触媒が担持されたパティキュレートフィルタを含んで構成した。これにより、ＰＭの燃焼をさらに促進させることができ、パティキュレートフィルタの再生速度を向上させることができる。従って、硫黄除去とＰＭ燃焼除去に要するトータルの処理時間が短縮でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【００４０】
請求項１６記載の排気浄化装置は、Ｐｔ、Ｐｄ、およびＲｈのうち少なくともいずれか１つの元素が、アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、ジルコニア、およびセリアのうち少なくともいずれか１つの担体に担持されてなるＮＯ２生成触媒を含んで構成した。これにより、高比表面積担体上に担持されている貴金属の作用によってＮＯ２生成能を高めることができ、より効率的にＮＯ２をＰＭ燃焼に用いることができる結果、パティキュレートフィルタの再生速度をより向上させることができる。従って、硫黄除去とＰＭ燃焼除去に要するトータルの処理時間が短縮でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を示す図である。
【図２】排気の流れ方向から視たときのＤＰＦ３の模式図である。
【図３】排気の流れ方向に直交する方向から視たときのＤＰＦ３の模式図である。
【図４】ＤＰＦ３の部分拡大図である。
【図５】目標空燃比とΣＱｆｕｅｌ＿ｔｏｔａｌとの関係を示す図である。
【図６】補正係数ＫｔｅｍｐとＮＯｘ浄化触媒温度との関係を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態における目標空燃比の切替えおよび再生処理時間の設定を説明するための図である。
【図８】カウンタ減算値とＲｅａｒ＿Ａ／Ｆとの関係を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態における再生時期の判定を説明するための図である。
【図１０】本発明の一実施形態における再生処理手順のフローチャートである。
【図１１】本発明の一実施形態における再生処理を説明するための図である。
【図１２】本発明の一実施形態における再生処理を説明するための図である。
【図１３】本実施例の排気浄化装置の構成を示す図である。
【図１４】本実施例と比較例のＳ脱離量を示す図である。
【図１５】本実施例と比較例のＰＭ燃焼に伴う発熱量を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００４３】
図１は、本発明の一実施形態に係るエンジン１およびその排気浄化装置の構成を示す図である。エンジン１は、各気筒（図示せず）の燃焼室内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒には燃料噴射弁（図示せず）が設けられている。これら燃料噴射弁は、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）５により電気的に接続されており、燃料噴射弁の開弁時間および閉弁時間は、ＥＣＵ５により制御される。
【００４４】
エンジン１には、吸気が流通する吸気管（図示せず）と、排気が流通する排気管４が設けられている。
エンジン１から排出された排気が流通する排気管４には、上流側から順に、ＮＯｘ浄化触媒２と、ディーゼルパティキュレートフィルタ３（以下、ＤＰＦという）とが設けられている。
【００４５】
ＮＯｘ浄化触媒２の構成について説明する。
ＮＯｘ浄化触媒２は、担体上に、第１触媒層、第２触媒層の順で積層された２層構造を有する。第１触媒層は、貴金属、およびＮＯｘ吸着材である酸化セリウム系材料を含んで構成される。第２触媒層は、ゼオライトなどのＮＨ３吸着材、およびＦｅ、Ｃｕのうち少なくとも１種を含んで構成される。
担体としては、コージェライト、アルミナ、チタン酸アルミニウム、ステンレス、ＳｉＣなどのハニカム構造体が用いられる。
貴金属としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈのいずれかを単独若しくは２種以上組み合わせて用いられる。Ｐｔ、Ｐｄは主に、リーン時にＮＯをＮＯ２に酸化する役割と、リッチ時に排気中のＨ２やＨＣと、吸着ＮＯｘとからＮＨ３を生成する役割を担う。Ｒｈは、リッチ時に吸着ＮＯｘを還元剤によりＮ２に還元する役割を担う。
Ｐｔのコート量は担体１Ｌあたり１．０〜１０ｇ／Ｌが好ましく、Ｐｄのコート量は担体１Ｌあたり０．１〜１０ｇ／Ｌが好ましく、Ｒｈのコート量は担体１Ｌあたり０．１〜４．０ｇ／Ｌが好ましい。
ＮＯｘ吸着材としての酸化セリウム系材料は、アルカリ土類金属のようにＮＯｘを内部に取り込む「吸蔵」ではなく、ＮＯｘを「吸着」する。このため、低温下においても貴金属の触媒活性が低下することがない。
酸化セリウム系材料としては、セリア、セリアジルコニア複合酸化物、またはこれらに少なくとも１種の希土類元素を含むものが用いられる。希土類元素としては、Ｌａ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｓｍが挙げられる。Ｚｒを含むことにより、構造安定性が向上して耐熱性が向上する。また、希土類元素は、吸着点の化学状態を変化させ、ＮＯｘ吸着温度域を広げる効果がある。
ＮＨ３吸着材としては、酸点を有する固体材料であればよく、特に限定されない。特に効果が高いものとして、ゼオライト、フェリエライト、シリカアルミナが挙げられる。ゼオライトの中でも、β型、ＭＦＩ型、Ｙ型、モルデナイト型が好ましい。また、ＮＯｘ還元性能の向上の観点から、これらの固体材料中に、ＦｅおよびＣｕを同時に含有させることが好ましい。この場合、ＦｅおよびＣｕは、混合、担持、イオン交換のいずれの状態でも効果を発揮する。
【００４６】
ＮＯｘ浄化触媒２の反応メカニズムについて説明する。
排気空燃比がリーンの時、排気中のＮＯが第１触媒層における白金などの貴金属によってＮＯ２に酸化され、酸化セリウム系材料に吸着される。次いで、排気空燃比をリッチにすると、リーン時に第１触媒層に吸着したＮＯｘは、ＣＯ、ＨＣ、あるいは水性ガスシフト反応により生成したＨ２によって、ＮＨ３やＮ２に変換される。生成したＮＨ３は、第２触媒層に移動してＮＨ３吸着材に吸着される。この吸着は、第１触媒層と第２触媒層が隣接して積層されていることで容易に行われる。次いで、排気空燃比をリーンに戻すと、第２触媒層に再貯蔵されたＮＨ３と排気中に含まれるＮＯｘとが、ＮＨ３選択接触還元反応によりＮ２とＨ２Ｏに変換されて放出される。このとき、第２触媒層は最上層であるので、生成したＮ２は効率良く放出される。
このようにして、排気中のＮＯｘは、ＮＯｘ浄化触媒２により浄化される。
【００４７】
上記のような構成を備えるＮＯｘ浄化触媒２は、以下のような特性を有する。
本実施形態のＮＯｘ浄化触媒２は、上記のような反応メカニズムにより、１５０〜４００℃で高いＮＯｘ浄化性能を有する。また、リッチ時には、リーン時に吸着したＮＯｘが、還元剤のＣＯ、ＨＣ、Ｈ２などによりＮ２に直接還元される反応が同時に進行し、条件によってはこの反応が選択的に進行することでＮＯｘ浄化効率が飛躍的に高まる。
また、ＮＯｘ浄化触媒は、ＳＯｘなどの硫黄分が捕捉されて蓄積すると、ＮＯｘ吸着性能が低下するため、硫黄分が脱離する温度以上に定期的に昇温して硫黄分を除去する必要がある。従来のアルカリ、アルカリ土類系のＮＯｘ吸収材では、硫黄分の除去に７００℃程度が必要であったところ、本実施形態のＮＯｘ浄化触媒２では、６００℃程度で硫黄分を除去できる。このため、本実施形態のＮＯｘ浄化触媒２によれば、硫黄分の除去に必要な昇温エネルギーを抑制でき、燃費の悪化を抑制できる。
【００４８】
次に、本実施形態のＤＰＦ３について説明する。
本実施形態のＤＰＦ３は、多孔質セラミックスからなる３次元構造体である。材質はコージェライト、ＳｉＣ、アルミナ、チタニアなどの多孔質材料であり、ウォールフロータイプ、フォームタイプなどの構造が好ましく採用される。中心細孔径は１０〜３０μｍ、気孔率は４０〜６０％の範囲が好ましい。
また、本実施形態のＤＰＦ３は、後述するＰＭ燃焼触媒およびＮＯ２生成触媒を備える。
【００４９】
排気の流れ方向から視たＤＰＦ３の模式図を図２に、排気の流れ方向に直交する方向から視たＤＰＦ３の模式図を図３に示す。これら図２および図３に示すように、ＤＰＦ３はハニカム構造をなしており、互いに平行に延びる多数の排気流路を備える。より詳しくは、ＤＰＦ３の下流端が栓３４により閉塞された排気流入路３２と、上流端が栓３４により閉塞された排気流出路３３が前後左右に交互に設けられ、排気流入路３２と排気流出路３３は、薄肉の隔壁３５を介して隔てられている。
ＤＰＦ３は、そのフィルタ本体が上記の多孔質材料から形成されているため、排気流入路３２内に流入した排気は、図３の矢印で示されるように周囲の隔壁３５を通過し、隣接する排気流出路３３内に流出する。即ち、図４に示すように、隔壁３５は、排気流入路３２と排気流出路３３とを連通する微細な細孔３６を有し、この細孔３６が排気流路となって排気が細孔３６内を通過する。
【００５０】
また、ＤＰＦ３のフィルタ本体の排気流路、即ち、排気流入路３２、排気流出路３３、および細孔３６の壁面には、触媒コート層３７が形成されている。触媒コート層３７は、上記各排気流路の表面に均一にコートされて形成される。コート層内部は、ＰＭ燃焼触媒とＮＯ２生成触媒とが混合していてもよいが、これらが２層に分離していることが好ましい。具体的には、排気流路の表面側の１層目（下層）としてＰＭ燃焼触媒層を形成し、２層目（上層）としてＮＯ２生成触媒層を形成することが好ましい。排気中のＮＯｘのほとんどはＮＯの状態で排出されるため、上層のＮＯ２生成触媒により生成したＮＯ２を下層のＰＭ燃焼触媒にＮＯ２を供給することが可能となるからである。また、６００℃付近の高温下では、従来のようにＮＯ２生成触媒のみの構成であると、平衡の関係でＮＯ２濃度は極端に低くなるため、ＮＯ２とＰＭの反応は進行し難くなる。これに対して、ＮＯ２生成触媒とＰＭ燃焼触媒の２層構造を採用した場合には、生成したＮＯ２がＮＯに戻る前にＰＭ燃焼触媒の酸素放出能を有する複合酸化物に吸着することにより、触媒近傍にＮＯ２が多い状態を形成することができる結果、ＰＭ燃焼が進行し易くなるためである。
【００５１】
２層構造の場合、下層のＰＭ燃焼触媒のコート量は、フィルタ本体１Ｌあたり２０〜６０ｇが好ましい。２０ｇ未満の場合には、細孔３６内の表面を十分に覆うことができず、ＰＭとの接触性が悪くなる。６０ｇを超える場合には、細孔３６の目詰まりにより圧力損失が大きくなる。
また、上層のＮＯ２生成触媒のコート量は、フィルタ本体１Ｌあたり１０〜３０ｇが好ましい。１０ｇ未満の場合には、ＮＯ２生成能力が不十分となる。３０ｇを超える場合には、層の厚みが増してＰＭ燃焼触媒とＰＭの接触性が低下する。
【００５２】
上記ＰＭ燃焼触媒としては、酸素吸蔵放出能を有する複合酸化物にＡｇを担持してなるものが用いられる。具体的には、ＡｇがＣｅＯ２−ＺｒＯ２に担持された触媒を用いることが好ましい。
複合酸化物としては、ペロブスカイト型、スピネル型、ルチル型、デラフォサイト型、マグネトプランバイト型、イルメナイト型、およびフルオライト型よりなる群から選択される１種または２種を用いることができる。これらの中でも、耐熱性の観点からペロブスカイト型、フルオライト型が好ましい。
また、複合酸化物は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属、遷移金属、および貴金属よりなる群から選択される１種または２種以上の元素の組み合わせから構成される。酸素放出能の観点から、複合酸化物は、多原子価を持つ元素が少なくとも１種類含まれていることが好ましい。酸素放出は、構成原子の価数の変化に応じて電荷のバランスを保つために、複合酸化物の格子中の酸素が脱離する現象であるからである。
遷移金属としては、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗが例示され、希土類としては、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｙｂが例示され、アルカリ金属としては、Ｎａ、Ｋ、Ｃｓが例示される。また、貴金属としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕが、酸化物としては不安定であり、メタル化することにより酸素放出する特性を発揮するため好ましく例示される。また、構造安定性の観点から、価数変化がなくイオン半径の比較的大きなＬａ、Ｎｄ、Ｙ、Ｓｃ、Ｈｆ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａが含まれることが好ましい。
複合酸化物の調製方法については特に限定されないが、硝酸塩分解法、有機酸錯体重合法などを好適に用いることができる。また、複合酸化物にＡｇを担持させる方法については特に限定されないが、含浸法や析出沈殿法などを好適に用いることができる。
【００５３】
一方、上記ＮＯ２生成触媒としては、貴金属（Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈなど）が高比表面積のアルミナ、シリカ、ジルコニア、マグネシア、およびチタニアのうち少なくともいずれか１つの担体に担持された触媒が好ましく用いられる。
これら高比表面積の担体に、貴金属を担持させる方法については特に限定されず、含浸法や析出沈殿法などを好適に用いることができる。
【００５４】
上記のような構成を備えるＤＰＦ３は、以下のような特性を有する。
通常、ＤＰＦにＰＭがある量以上堆積した場合には、目詰まりにより圧力損失が高くなり、燃費が悪化することから、ＰＭが燃焼する温度以上に定期的に排気温度を昇温させる必要がある。この点、本実施形態のＤＰＦ３は、上述のような低温燃焼活性の高い触媒を担持していることから、５００℃以下でＰＭを燃焼除去して再生を行うことができる。このため、ＰＭの除去に必要な昇温エネルギーを抑制でき、燃費の悪化を抑制できる。
【００５５】
図１に戻って、ＥＣＵ５には、エンジン１により駆動される車両のアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルセンサ１１、ＮＯｘ浄化触媒２に流入する排気の空燃比を検出する第１空燃比センサ１２、ＤＰＦ３に流入する排気の空燃比を検出する第２空燃比センサ１３、およびＮＯｘ浄化触媒２の温度を検出する触媒温度センサ１４が接続されており、これらセンサの検出信号は、ＥＣＵ５に供給される。
ここで、ＮＯｘ浄化触媒２の劣化度合は、エンジン１の燃料噴射量の積算値に基づいて推定され、エンジン１の燃料噴射量は、アクセルセンサ１１の出力に基づいてＥＣＵ５により算出される。
【００５６】
ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するなどの機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下、ＣＰＵという）とを備える。この他、ＥＣＵ５は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラムおよび演算結果などを記憶する記憶回路と、エンジン１の燃料噴射弁などに制御信号を出力する出力回路と、を備える。
【００５７】
以上のようなハードウェア構成により、ＥＣＵ５には、再生実行部５１、第１目標空燃比設定部５２、第２目標空燃比設定部５３、触媒劣化度合推定部５４、切替部５５、および再生処理時間設定部５６の各モジュールが構成される。以下、各モジュールの機能について説明する。
【００５８】
再生実行部５１は、ＮＯｘ浄化触媒２に捕捉されたＳＯｘなどの硫黄分を浄化するとともに、ＤＰＦ３に捕集されたＰＭを浄化する再生処理を実行する。具体的には、ＮＯｘ浄化触媒２に流入する排気の排気空燃比を、リーン側からリッチ側にリッチ化制御することにより、ＮＯｘ浄化触媒２とＤＰＦ３の再生処理を実行する。
本実施形態では、リッチ化制御はポストリッチにより実行される。ここで、ポストリッチとは、エンジン１の各気筒内が爆発工程から排気工程に移行した付近で、燃料噴射弁よりトルクに寄与しない付加燃料を気筒内にポスト噴射することにより、未燃の燃料を排気通路内に流通させて排気空燃比をリッチ側にすることをいう。
また、リッチ化制御では、第１空燃比センサ１２により検出されたＮＯｘ浄化触媒２に流入する排気の空燃比が、後述する第１目標空燃比または第２目標空燃比に一致するように、燃料噴射弁の開弁時間および閉弁時間を調整して燃料噴射量を調整する。
【００５９】
第１目標空燃比設定部５２は、上記リッチ化制御時におけるＮＯｘ浄化触媒２に流入する排気の目標空燃比として、第１目標空燃比を設定する。本実施形態では、後述する触媒劣化度合推定部５４により推定されたＮＯｘ浄化触媒２の劣化度合として、エンジン１の燃料噴射量の積算値を代用し、この燃料噴射量の積算値に基づいて第１目標空燃比を設定する。
具体的には、所定の実験に基づいて設定され、予めＥＣＵ５に格納されたエンジン１の燃料噴射量の積算値（ΣＱｆｕｅｌ＿ｔｏｔａｌ）と第１目標空燃比（目標Ａ／Ｆ１）との関係を示すマップ（図５参照）を検索する。これにより、アクセルセンサ１１の出力に基づいてＥＣＵ５により算出された燃料噴射量の積算値（ΣＱｆｕｅｌ＿ｔｏｔａｌ）に応じた、第１目標空燃比（目標Ａ／Ｆ１）を算出する。
なお、図５に示すように、燃料噴射量の積算値（ΣＱｆｕｅｌ＿ｔｏｔａｌ）が大きくなるほど、第１目標空燃比（目標Ａ／Ｆ１）は高く設定される。
【００６０】
第２目標空燃比設定部５３は、上記リッチ化制御時におけるＮＯｘ浄化触媒２に流入する排気の目標空燃比として、上記第１目標空燃比より低い第２目標空燃比を設定する。本実施形態では、後述する触媒劣化度合推定部５４により推定されたＮＯｘ浄化触媒２の劣化度合として、エンジン１の燃料噴射量の積算値を代用し、この燃料噴射量の積算値に基づいて、上記第１目標空燃比より低い第２目標空燃比を設定する。
また、本実施形態の第２目標空燃比設定部５３は、ＮＯｘ浄化触媒２の温度が高いほど、第２目標空燃比を低く設定する。
具体的には、先ず、所定の実験に基づいて設定され、予めＥＣＵ５に格納されたエンジン１の燃料噴射量の積算値（ΣＱｆｕｅｌ＿ｔｏｔａｌ）と第２目標空燃比（目標Ａ／Ｆ２）の基準値との関係を示すマップ（図５参照）を検索する。これにより、アクセルセンサ１１の出力に基づいてＥＣＵ５により算出された燃料噴射量の積算値（ΣＱｆｕｅｌ＿ｔｏｔａｌ）に応じた、第２目標空燃比（目標Ａ／Ｆ２）の基準値を算出する。
なお、図５に示すように、燃料噴射量の積算値（ΣＱｆｕｅｌ＿ｔｏｔａｌ）が大きくなるほど、第２目標空燃比（目標Ａ／Ｆ２）の基準値は高く設定される。
次いで、所定の実験に基づいて設定され、予めＥＣＵ５に格納されたＮＯｘ浄化触媒２の温度と補正係数Ｋｔｅｍｐとの関係を示すマップ（図６参照）を検索する。図６に示すように、補正係数Ｋｔｅｍｐは、ＮＯｘ浄化触媒２の温度が高いほど小さい値に設定される。これにより、触媒温度センサ１４により検出されたＮＯｘ浄化触媒２の温度に応じた補正係数Ｋｔｅｍｐを算出する。
最後に、算出した補正係数Ｋｔｅｍｐを、上記第２目標空燃比（目標Ａ／Ｆ２）の基準値に乗じて補正することにより、第２目標空燃比を算出する。
【００６１】
触媒劣化度合推定部５４は、ＮＯｘ浄化触媒２の劣化度合を、エンジン１の燃料噴射量の積算値（ΣＱｆｕｅｌ＿ｔｏｔａｌ）に基づいて推定する。本実施形態では、ＮＯｘ浄化触媒２の劣化度合を、エンジン１の燃料噴射量の積算値（ΣＱｆｕｅｌ＿ｔｏｔａｌ）で代用している。即ち、上述したように、燃料噴射量の積算値（ΣＱｆｕｅｌ＿ｔｏｔａｌ）に応じて、第１目標空燃比（目標Ａ／Ｆ１）および第２目標空燃比（目標Ａ／Ｆ２）を算出する。
なお、エンジン１の燃料噴射量の積算値（ΣＱｆｕｅｌ＿ｔｏｔａｌ）は、後述する燃料噴射量（ΣＱｆｕｅｌ）とは異なり、再生処理が終了してもリセットされることはない。
【００６２】
切替部５５は、ＤＰＦ３に流入する排気の排気空燃比が、所定の閾値を下回った場合には、ＮＯｘ浄化触媒２に流入する排気の目標空燃比を、第１目標空燃比（目標Ａ／Ｆ１）から第２目標空燃比（目標Ａ／Ｆ２）に切り替える処理を実行する。
ＤＰＦ３に流入する排気の排気空燃比は、第２空燃比センサ１３により検出された値を用いる。所定の閾値は、所定の実験に基づいて設定され、予めＥＣＵ５に格納されている。
【００６３】
ここで、切替部５５による目標空燃比の切替えについて、図７を参照しながら詳しく説明する。なお、以下の説明において、ＮＯｘ浄化触媒２に流入する排気の排気空燃比をＦｒｏｎｔ＿Ａ／Ｆとし、ＤＰＦ３に流入する排気の排気空燃比をＲｅａｒ＿Ａ／Ｆとする。
先ず、リーン側からリッチ側へのリッチ化制御を実行し、ＮＯｘ浄化触媒２に流入する排気の目標空燃比が第１目標空燃比に設定されると、Ｆｒｏｎｔ＿Ａ／Ｆは、応答性良く第１目標空燃比と一致した空燃比となる。このとき、Ｒｅａｒ＿Ａ／Ｆは、ＮＯｘ浄化触媒２の酸素吸蔵放出能により、一定の時間、リーンの状態を維持しながら、緩やかにリッチ側に移行する。即ち、Ｆｒｏｎｔ＿Ａ／Ｆがリッチ側でＲｅａｒ＿Ａ／Ｆがリーン側の状態が、一定の時間、形成される。これにより、ＮＯｘ浄化触媒２において硫黄分を除去するとともに、ＤＰＦ３においてＰＭの燃焼除去が可能となる。この点については後段で詳述する。
そして、Ｒｅａｒ＿Ａ／Ｆが予め設定された所定の閾値を下回ったときに、第１目標空燃比から、よりリッチ側の第２目標空燃比に切り替えを実行する。すると、第１目標空燃比を設定したときと同様に、Ｆｒｏｎｔ＿Ａ／Ｆは、応答性良く第２目標空燃比と一致した空燃比となるのに対して、Ｒｅａｒ＿Ａ／Ｆは、緩やかによりリッチ側に移行する。
リッチ化制御を終了し、ＮＯｘ浄化触媒２に流入する排気の目標空燃比がリッチ側からリーン側にリーン化制御されると、Ｆｒｏｎｔ＿Ａ／Ｆは応答性良くリーン側に移行し、Ｒｅａｒ＿Ａ／Ｆは遅れてリーン側に移行する。
【００６４】
再生処理時間設定部５６は、ＤＰＦ３に流入する排気の排気空燃比、即ちＲｅａｒ＿Ａ／Ｆが低いほど、再生処理時間を短く設定する。具体的には、所定の実験に基づいて設定され、予めＥＣＵ５に格納されたＲｅａｒ＿Ａ／Ｆと再生処理時間のカウンタ減算値との関係を示すマップ（図８参照）を検索する。これにより、第２空燃比センサ１３により検出されたＲｅａｒ＿Ａ／Ｆに応じたカウンタ減算値が算出される。次いで、予め設定されていた所定の再生処理時間から、算出されたカウンタ減算値を減算することにより、再生処理時間が算出される。
【００６５】
また、ＥＣＵ５は、図示しない再生時期判定部を有する。再生時期判定部は、エンジン１の燃料噴射量（ΣＱｆｕｅｌ）が所定の判定値に達したときに、再生実行部５１による再生処理を実行する。
ここで、再生時期判定部による再生時期の判定について、図９を参照しながら説明する。図９に示すように、アクセルセンサ１１の出力に基づいてＥＣＵ５により算出された燃料噴射量（ΣＱｆｕｅｌ）が、所定の実験に基づいて設定され、予めＥＣＵ５に格納された判定値（図９の判定ライン）に達したときに、再生実行部５１による再生処理を実行する。上述したように、燃料噴射量の積算値（ΣＱｆｕｅｌ＿ｔｏｔａｌ）は、リセットされずに時間の経過とともに大きくなっていくのに対して、燃料噴射量（ΣＱｆｕｅｌ）は、再生処理の実行の開始と同時にリセットされ、新たにカウントされていく。これにより、適切な時期に再生処理の実行が繰り返し可能となっている。
【００６６】
次に、本実施形態の再生処理の手順について説明する。
図１０は、本実施形態のＥＣＵ５による再生処理の手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、エンジン１の始動後、ＥＣＵ５により繰り返し実行される。
【００６７】
図１０に示すように、本実施形態の再生処理は、ＮＯｘ浄化触媒２に流入する排気の目標空燃比を、第１目標空燃比（目標Ａ／Ｆ１）と第２目標空燃比（目標Ａ／Ｆ２）とを所定の条件により切り替えて実行可能となっている。また、再生処理時間を、所定の条件に応じて設定可能となっている。
【００６８】
ステップＳ１１では、再生要求フラグＦＲＲが「１」であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ１２に移り、ＮＯの場合にはステップＳ１９に移る。
再生要求フラグＦＲＲは、エンジン１の燃料噴射量（ΣＱｆｕｅｌ）が、所定の判定値（Ｔｈｒｅｓｈ＿ｆｕｅｌ）を超えたときに「１」と判別される。
【００６９】
ステップＳ１２では、再生タイマーをスタートしてステップＳ１３に移る。
【００７０】
ステップＳ１３では、ＮＯｘ浄化触媒２に流入する排気の目標空燃比として、第１目標空燃比（目標Ａ／Ｆ１）を設定して、ステップＳ１４に移る。
ここで、第１目標空燃比（目標Ａ／Ｆ１）は、エンジン１の燃料噴射量の積算値（ΣＱｆｕｅｌ＿ｔｏｔａｌ）に基づいて設定する。具体的には、図５に示すマップを検索し、アクセルセンサ１１の出力に基づいてＥＣＵ５により算出された燃料噴射量の積算値（ΣＱｆｕｅｌ＿ｔｏｔａｌ）に応じた、第１目標空燃比（目標Ａ／Ｆ１）を算出して設定する。
【００７１】
ステップＳ１４では、ＤＰＦ３に流入する排気の排気空燃比であるＲｅａｒ＿ＡＦが、所定の閾値（Ｔｈｒｅｓｈ＿ＡＦ）を下回っているか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ１５に移り、ＮＯの場合にはステップＳ１６に移る。
ここで、Ｒｅａｒ＿ＡＦは、第２空燃比センサ１３により検出された値を用い、所定の閾値（Ｔｈｒｅｓｈ＿ＡＦ）は、予めＥＣＵ５に格納されている。
【００７２】
ステップＳ１５では、ＮＯｘ浄化触媒２に流入する排気の目標空燃比として、第２目標空燃比（目標Ａ／Ｆ２）を設定して、ステップＳ１６に移る。
ここで、第２目標空燃比（目標Ａ／Ｆ２）は、先ず、図５に示すマップを検索し、アクセルセンサ１１の出力に基づいてＥＣＵ５により算出された燃料噴射量の積算値（ΣＱｆｕｅｌ＿ｔｏｔａｌ）に応じた、第２目標空燃比（目標Ａ／Ｆ２）の基準値を算出する。次いで、図６に示すマップを検索し、触媒温度センサ１４により検出されたＮＯｘ浄化触媒２の温度に応じた補正係数Ｋｔｅｍｐを算出する。最後に、算出した補正係数Ｋｔｅｍｐを、上記第２目標空燃比（目標Ａ／Ｆ２）の基準値に乗じて補正し、第２目標空燃比（目標Ａ／Ｆ２）を算出して設定する。
【００７３】
ステップＳ１６では、Ｒｅａｒ＿Ａ／Ｆに基づいて再生タイマーの減算を実行し、ステップＳ１７に移る。
具体的には、図８に示すマップを検索し、第２空燃比センサ１３により検出されたＲｅａｒ＿Ａ／Ｆに応じたカウンタ減算値を算出する。次いで、予め設定されていた所定の再生タイマーから、算出されたカウンタ減算値を減算することにより、再生処理時間が算出される。
【００７４】
ステップＳ１７では、再生タイマーが０であるか否かを判別する。この判別がＮｏの場合には再生処理を終了し、ＹＥＳの場合にはステップＳ１８に移り、再生要求フラグＦＲＲを「０」に設定してステップＳ１９に移り、再生タイマーをリセットして再生処理を終了する。
【００７５】
ステップＳ２０では、エンジン１の燃料噴射量（ΣＱｆｕｅｌ）を積算してステップＳ２１に移る。具体的には、アクセルセンサ１１の出力に基づいてＥＣＵ５により燃料噴射量（ΣＱｆｕｅｌ）を算出する。
【００７６】
ステップＳ２１では、エンジン１の燃料噴射量（ΣＱｆｕｅｌ）が、所定の判定値（Ｔｈｒｅｓｈ＿ｆｕｅｌ）を超えているか否かを判別する。この判別がＮＯの場合には再生処理を終了し、ＹＥＳの場合には、ステップＳ２２に移る。
【００７７】
ステップＳ２２では、再生要求フラグＦＲＲを「１」に設定してステップＳ２３に移り、エンジン１の燃料噴射量（ΣＱｆｕｅｌ）を「０」に設定して再生処理を終了する。
【００７８】
上述したように、酸化セリウム系吸着材を用いたＮＯｘ浄化触媒２と、酸素放出能を有する複合酸化物にＡｇを担持してなるＰＭ燃焼触媒を備えるＤＰＦ３と、を用いることにより、以下の効果が奏される。
酸化セリウム系吸着材を用いたＮＯｘ浄化触媒２の硫黄除去に必要な温度は６００℃程度であり、アルカリ金属やアルカリ土類金属の７００℃に比して、より低温で硫黄を除去することができる。本実施形態の排気系レイアウトでは、ＮＯｘ浄化触媒２の再生と同時にＤＰＦ３の再生処理も行われることとなるため、ＮＯｘ浄化触媒２の下流側に配置されているＤＰＦ３は、６００℃若しくは６００℃以下の温度に晒されることとなる。
ところで、触媒を用いない気相酸素中でのＰＭ燃焼に必要な温度は６００℃以上であることが知られている。従って、ＮＯｘ浄化触媒２の硫黄除去とＤＰＦ３のＰＭ除去を、同時に効率良く行うためには、ＰＭを低温燃焼させる触媒をＤＰＦ３に担持させるのが望ましいと言える。
そこで、本実施形態では、３５０〜５００℃程度でＰＭを燃焼させることが可能な、酸素放出能を有する複合酸化物にＡｇを担持してなるＰＭ燃焼触媒をＤＰＦ３に担持させた。これにより、本実施形態では、ＤＰＦ３が６００℃以下の温度に晒された場合であっても、ＰＭを燃焼除去でき、ＤＰＦ再生を継続的に進行できる。
また、複合酸化物から放出される酸素により、ＤＰＦ３内の下流側ほど、リーン時間を長く確保できる。これにより、ＰＭ燃焼除去効率（ＤＰＦ再生効率）が向上し、ＮＯｘ浄化触媒２の硫黄除去による再生と、ＤＰＦ３のＰＭ燃焼除去による再生に要するトータルの処理時間を短縮することができる。
【００７９】
ところで、リーンとリッチを繰り返すことにより、ＮＯｘ浄化触媒２の硫黄除去とＤＰＦ３のＰＭ燃焼除去を同時に行う利点としては、いずれも６００℃以上の高温が必要であるため、昇温による燃費の悪化を抑制するため、同時に行うのが好ましい点にある。また、リッチ化制御を継続すると排気温度が低下するため、リーンとリッチを繰り返すことにより排気温度を高温に保つことができるという点にある。
しかしながら、リッチ側ではＮＯｘ浄化触媒２の硫黄除去のみが進行し、リーン側ではＤＰＦ３のＰＭ燃焼除去のみが進行するというのが従来であった。
そこで、本実施形態では、ＮＯｘ浄化触媒２に酸化セリウム系の吸着材を用いることにより、排気空燃比がリッチ側でＮＯｘ浄化触媒２の硫黄除去が進行している最中でも、酸化セリウムの酸素吸蔵能（ＯＳＣ）により、ＮＯｘ浄化触媒２の下流側の排気空燃比をリーンに保つことができる結果、下流のＤＰＦ３のＰＭ燃焼除去も同時に進行させることができる（図１１参照）。ただし、リッチを長時間継続する場合は、ＯＳＣが消費されていくに従い、この効果は徐々に小さくなってはいくものの、硫黄除去とＤＰＦ再生のトータル時間を大幅に低減できる。
【００８０】
次に、再生処理を絡めた本実施形態の効果について説明する。
本実施形態の排気浄化装置は、酸素吸蔵放出材を有するＮＯｘ浄化触媒２を備え、リッチ化制御により、ＮＯｘ浄化触媒２に捕捉された硫黄分を浄化するとともに、ＤＰＦ３に捕集されたＰＭを浄化する再生実行部５１を含んで構成した。これにより、ＮＯｘ浄化触媒２に流入する排気空燃比をリッチ化することで、ＮＯｘ浄化触媒２上ではリッチを実現しつつ、ＤＰＦ３に流入する排気の空燃比をリーンにすることができる。このため、ＮＯｘ浄化触媒２の硫黄除去とＤＰＦ３に捕集されたＰＭの燃焼除去を同時に実行することができる。従って、硫黄除去およびＰＭ燃焼除去に要するエネルギーを削減でき、燃費の悪化を軽減できる。
【００８１】
本実施形態の排気浄化装置は、リッチ化制御時の目標空燃比として第１目標空燃比を設定する第１目標空燃比設定部５２を備えるとともに、設定された第１目標空燃比に一致するように再生処理を実行する再生実行部５１を含んで構成した。これにより、排気空燃比を目標通りに制御できるため、上記の効果がより確実に奏される。
【００８２】
本実施形態の排気浄化装置は、ＮＯｘ浄化触媒の劣化度合に基づいて第１目標空燃比を設定する第１目標空燃比設定部５２を含んで構成した。これにより、ＮＯｘ浄化触媒２の酸素吸蔵能（ＯＳＣ）に応じて、ＮＯｘ浄化触媒２に流入する排気空燃比を設定できるため、硫黄の除去とＰＭの燃焼除去をより効率良く実行でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【００８３】
本実施形態の排気浄化装置は、触媒劣化度合推定部５４を備えるとともに、触媒劣化度合推定部５４により推定されたＮＯｘ浄化触媒２の劣化度合が大きいほど、第１目標空燃比を高く設定する第１目標空燃比設定部５２を含んで構成した。これにより、ＮＯｘ浄化触媒２の劣化度合を正確に推定することができ、硫黄除去とＰＭ燃焼除去中において酸素を過不足なく供給することができる。このため、酸素不足によるＰＭ燃焼効率の低下や、酸素過多による硫黄除去効率の低下を回避できる。また、ＮＯｘ浄化触媒２の劣化が進行し、ＯＳＣが少なくなった場合に、リッチ化制御時の目標空燃比である第１目標空燃比を高く設定することにより、ＤＰＦ３に流入する排気の空燃比がストイキ以下となってＰＭ燃焼効率が低下する不具合を回避できる。
【００８４】
本実施形態の排気浄化装置は、目標空燃比として第１目標空燃比より低い第２目標空燃比を設定する第２目標空燃比設定部５３と、ＤＰＦ３に流入する排気の排気空燃比が所定の閾値を下回った場合には、目標空燃比を第１目標空燃比から第２目標空燃比に切り替える切替部５５と、を含んで構成した。これにより、ＤＰＦ３に流入する排気の排気空燃比が所定の閾値を下回った場合には、目標空燃比がより低く設定されるため、ＮＯｘ浄化触媒２の硫黄除去を早期に完了させることができ、燃費の悪化をより軽減できる（図１２参照）。
【００８５】
本実施形態の排気浄化装置は、ＮＯｘ浄化触媒の劣化度合に基づいて第２目標空燃比を設定する第２目標空燃比設定部５３を含んで構成した。これにより、ＮＯｘ浄化触媒２の酸素吸蔵能（ＯＳＣ）に応じて、硫黄除去とＰＭ燃焼除去の最中で目標空燃比を切り替える際に、ＮＯｘ浄化触媒２へ流入する酸素濃度を調節できる。このため、常に酸素不足によるＰＭ燃焼効率の低下や、酸素過多による硫黄除去効率の低下を回避できる。
【００８６】
本実施形態の排気浄化装置は、触媒劣化度合推定部５４を備えるとともに、触媒劣化度合推定部５４により推定されたＮＯｘ浄化触媒２の劣化度合が大きいほど、第２目標空燃比を高く設定する第２目標空燃比設定部５３を含んで構成した。これにより、酸素不足によるＰＭ燃焼効率の低下や、酸素過多による硫黄除去効率の低下を回避できる。また、ＤＰＦ３に流入する排気の空燃比がストイキ以下となってＰＭ燃焼効率が低下する不具合を回避できる。
【００８７】
本実施形態の排気浄化装置は、ＮＯｘ浄化触媒２の温度が高いほど、第２目標空燃比を低く設定する第２目標空燃比設定部５３を含んで構成した。これにより、ＮＯｘ浄化触媒２の温度が高くなった場合に、第２目標空燃比が低く設定されるため、単位時間あたりに放出される硫黄分の量を増加させることができる結果、硫黄除去をより早期に完了させることができ、燃費の悪化をより軽減できる。
【００８８】
本実施形態の排気浄化装置は、ＮＯｘ浄化触媒２に流入する排気の排気空燃比またはＤＰＦ３に流入する排気の排気空燃比が低いほど、再生処理の時間を短く設定する再生処理時間設定部５６を含んで構成した。これにより、硫黄除去中にＮＯｘ浄化触媒２で単位時間あたり消費される還元剤が多いほど、硫黄除去時間が短縮されるため、燃費の悪化をより軽減できる。
【００８９】
本実施形態の排気浄化装置は、貴金属および酸化セリウム系材料を含む第１触媒層を備えるＮＯｘ浄化触媒２を含んで構成した。これにより、酸化セリウム系材料の低温でのＮＯｘ吸着能力により、始動直後やアイドル時などの低温状態であっても、高いＮＯｘ浄化性能が発揮される。また、ＮＯｘ浄化触媒２のＯＳＣが飛躍的に高まるため、硫黄除去とＰＭ燃焼除去を同時に実行できる時間が長くなる結果、再生処理に要するトータルの時間を短縮できる。
【００９０】
本実施形態の排気浄化装置は、ＮＨ３吸着材としてのゼオライトを含む第２触媒層を備えるＮＯｘ浄化触媒２を含んで構成した。これにより、ＮＨ３吸着量を増加させることができるうえ、リーン時におけるＮＯｘとの反応性を向上させることができる。
【００９１】
本実施形態の排気浄化装置は、第２触媒層が第１触媒層上に設けられたＮＯｘ浄化触媒２を含んで構成した。これにより、リッチ化制御時に生成したＮＨ３を効率的に捕捉し、次のリーン時にＮＯｘ浄化に効率的に用いることができるため、ＮＯｘ浄化性能がより向上する。
【００９２】
本実施形態の排気浄化装置は、捕集したパティキュレートを燃焼するための燃焼触媒が担持されたＤＰＦ３を含んで構成した。これにより、ＤＰＦ３の温度が６００℃以下の場合であっても、ＰＭの燃焼除去が可能である。このため、低温で効率的にＤＰＦ３を再生でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【００９３】
本実施形態の排気浄化装置は、酸素吸蔵放出能を有する複合酸化物にＡｇを担持してなる燃焼触媒を含んで構成した。これにより、ＰＭの燃焼除去が、５００℃程度でも可能になるため、車両走行中にＤＰＦ３の温度が５００℃程度まで低下した場合であっても、ＰＭの燃焼除去が可能であるとともに、ＤＰＦ３の再生速度を大幅に向上できる。従って、硫黄除去とＰＭ燃焼除去に要するトータルの処理時間が短縮でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【００９４】
本実施形態の排気浄化装置は、排気中に含まれるＮＯをＮＯ２に変換するＮＯ２生成触媒が担持されたＤＰＦ３を含んで構成した。これにより、ＰＭの燃焼をさらに促進させることができ、ＤＰＦ３の再生速度を向上させることができる。従って、硫黄除去とＰＭ燃焼除去に要するトータルの処理時間が短縮でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【００９５】
本実施形態の排気浄化装置は、Ｐｔ、Ｐｄ、およびＲｈのうち少なくともいずれか１つの元素が、アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、ジルコニア、およびセリアのうち少なくともいずれか１つの担体に担持されてなるＮＯ２生成触媒を含んで構成した。これにより、高比表面積担体上に担持されている貴金属の作用によってＮＯ２生成能を高めることができ、より効率的にＮＯ２をＰＭ燃焼に用いることができる結果、ＤＰＦ３の再生速度をより向上させることができる。従って、硫黄除去とＰＭ燃焼除去に要するトータルの処理時間が短縮でき、燃費の悪化をより軽減できる。
【００９６】
本実施形態では、ＥＣＵ５が、再生手段、第１目標空燃比設定手段、第２目標空燃比設定手段、切替手段、触媒劣化度合推定手段、および再生処理時間設定手段を構成する。具体的には、図１０のステップＳ１３に係る手段が第１目標空燃比設定手段に相当し、ステップＳ１４に係る手段が切替手段に相当し、ステップＳ１５に係る手段が第２目標空燃比設定手段に相当し、ステップＳ１６に係る手段が再生処理時間設定手段に相当する。
【００９７】
なお、本実施形態は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、第１目標空燃比設定部５２が、ＮＯｘ浄化触媒２の温度、ＮＯｘ浄化触媒２に流入する排気の温度、およびＮＯｘ浄化触媒２に流入する排気の流量のうちいずれか１つに基づいて第１目標空燃比を設定するものであってもよい。同様に、第２目標空燃比設定部５３が、ＮＯｘ浄化触媒２の温度、ＮＯｘ浄化触媒２に流入する排気の温度、およびＮＯｘ浄化触媒２に流入する排気の流量のうちいずれか１つに基づいて、第１目標空燃比より低い第２目標空燃比を設定するものであってもよい。
このとき、ＮＯｘ浄化触媒２の温度は、触媒温度センサ１４により検出された値を用いることができる。ＮＯｘ浄化触媒２に流入する排気の温度は、ＮＯｘ浄化触媒２の上流側の排気通路内に排気温度センサを設け、この排気温度センサにより検出された値を用いることができる。ＮＯｘ浄化触媒２に流入する排気の流量は、ＮＯｘ浄化触媒２の上流側の排気通路内にエアフローメータを設け、このエアフローメータにより検出された値を用いることができる。
また、例えば、再生処理時間設定部５６が、ＮＯｘ浄化触媒２に流入する排気の排気空燃比、即ちＦｒｏｎｔ＿Ａ／Ｆが低いほど、再生処理時間を短く設定するものであってもよい。
【実施例】
【００９８】
［ＮＯｘ浄化触媒］
表１に示す組成のＮＯｘ浄化触媒を、４００セル／３．５ミルコージェライト製ハニカム構造体に、含浸法により担持させたものを実施例とした。
また、ＰｔＲｈ／Ｂａ／Ａｌ２Ｏ３の組成を有するＮＯｘ浄化触媒を、実施例と同様の構造体に担持させたものを比較例とした。
【００９９】
【表１】
2010203320.tif 000003
【０１００】
［ＤＰＦ］
表２に示す組成の燃焼触媒（下層がＰＭ燃焼触媒、上層がＮＯ２生成触媒）を、ウォールフロータイプのＳｉＣ製ＤＰＦ（気孔径２３μｍ、気孔率５２％）に、含浸法により担持させたものを実施例とした。
また、後述のエンジン１０１を運転させ、上記ウォールフロータイプのＳｉＣ製ＤＰＦにＰＭのみを捕集させたものを比較例とした。
【０１０１】
【表２】
2010203320.tif 000004
【０１０２】
［評価］
上記の処理を行ったＮＯｘ浄化触媒およびＤＰＦを用いて、図１３に示すような排気系レイアウトの排気浄化装置を構成した。エンジン１０１としては、２．２Ｌディーゼルエンジンを用い、ＮＯｘ浄化触媒の容量を１Ｌ、ＤＰＦの容量を２Ｌとした。このエンジン１０１を所定の条件で所定時間運転し、ＮＯｘ浄化触媒に硫黄分を捕捉させ、ＤＰＦにＰＭを捕集させた。
【０１０３】
ＮＯｘ浄化触媒について、昇温脱離法により、Ｓ脱離量と温度との関係を調べた。結果を図１４に示す。図１４に示すように、本実施例のＮＯｘ浄化触媒は、比較例に比してより低温の６００℃程度で硫黄分を脱離することが確認された。
【０１０４】
ＤＰＦについて、ＴＧ−ＤＴＡ法により、ＰＭ燃焼に伴う発熱量と温度との関係を調べた。結果を図１５に示す。図１５に示すように、本実施例のＤＰＦに担持させた燃焼触媒は、４００℃の低温でＰＭを燃焼できることが確認された。
【符号の説明】
【０１０５】
１    エンジン（内燃機関）
２    ＮＯｘ浄化触媒（ＮＯｘ浄化触媒）
３    ＤＰＦ（パティキュレートフィルタ）
４    排気管（排気通路）
５    ＥＣＵ（再生手段、第１目標空燃比設定手段、第２目標空燃比設定手段、触媒劣化度合推定手段、切替手段、再生処理時間設定手段）
【図１】
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【図２】
2010203320.tif 000006
【図３】
2010203320.tif 000007
【図４】
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【図５】
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【図６】
2010203320.tif 000010
【図７】
2010203320.tif 000011
【図８】
2010203320.tif 000012
【図９】
2010203320.tif 000013
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2010203320.tif 000016
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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