(57)【要約】【課題】本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、ＮＯｘ触媒の硫黄被毒再生制御に要する時間を短縮し、燃費を改善することを目的とする。【解決手段】本発明の内燃機関の排気浄化装置は、酸化触媒と、この酸化触媒より下流側に設置されたＮＯｘ触媒と、排気ガスを酸化触媒の上流側に導入する第１排気経路と、排気ガスを酸化触媒とＮＯｘ触媒との間に導入する第２排気経路とを備える。ＮＯｘ触媒の温度を、硫黄成分が脱離可能な温度に上昇させるための触媒床温制御においては、第１排気経路と第２排気経路との双方に排気ガスを流入させることにより、ＮＯｘ触媒の温度を迅速に上昇させる。これにより、酸化触媒から脱離した硫黄成分がＮＯｘ触媒に吸収されることを防止する。【選択図】図１
2010229916.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化触媒と、
前記酸化触媒より下流側に設置されたＮＯｘ触媒と、
排気ガスを前記酸化触媒の上流側に導入する第１排気経路と、
排気ガスを前記酸化触媒と前記ＮＯｘ触媒との間に導入する第２排気経路と、
排気ガスの通過経路を制御する通過経路制御手段と、
前記ＮＯｘ触媒の硫黄被毒を回復させることが要求されている場合に、未燃ＨＣとこの未燃ＨＣを酸化させる酸素とを含んだ排気ガスを供給することにより前記ＮＯｘ触媒の温度を上昇させる触媒昇温制御を実行する触媒昇温手段と、
を備え、
前記通過経路制御手段は、前記触媒昇温制御の実行中、前記第１排気経路と前記第２排気経路との双方に排気ガスを流入させることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記通過経路制御手段は、前記触媒昇温制御の実行中、前記ＮＯｘ触媒の温度が前記酸化触媒の温度とほぼ同時に上昇するか、または、前記ＮＯｘ触媒の温度が前記酸化触媒の温度より早く上昇するように、前記第１排気経路の排気ガス流量と前記第２排気経路の排気ガス流量との比率を制御することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記ＮＯｘ触媒の温度が、硫黄成分が脱離可能な温度以上まで上昇した後に、還元剤を含んだ排気ガスを前記ＮＯｘ触媒に供給することにより前記ＮＯｘ触媒から硫黄成分を脱離させる硫黄脱離制御を実行する硫黄脱離手段を備え、
前記通過経路制御手段は、前記硫黄脱離制御の実行中、前記第１排気経路のみに排気ガスを流入させることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記第１排気経路の途中に設置されたタービンを有する第１ターボチャージャと、
前記第２排気経路の途中に設置されたタービンを有する第２ターボチャージャと、
を備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記ＮＯｘ触媒の温度が、硫黄成分が脱離可能な温度以上まで上昇した後に、還元剤を含んだ排気ガスを前記ＮＯｘ触媒に供給することにより前記ＮＯｘ触媒から硫黄成分を脱離させる硫黄脱離制御を実行する硫黄脱離手段と、
前記硫黄脱離制御の実行中、前記内燃機関においてリッチ燃焼とリーン燃焼とに交互に繰り返し切り換える燃焼制御手段と、
前記第１排気経路の途中に設けられた燃料添加弁と、
前記硫黄脱離制御の実行中、前記リーン燃焼の排気ガス中に前記燃料添加弁から燃料を添加する燃料添加手段と、
を備え、
前記通過経路制御手段は、前記硫黄脱離制御の実行中、前記第１排気経路と前記第２排気経路との双方に排気ガスを流入させることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２０００−２８２８５０号公報には、酸化触媒と、この酸化触媒をバイパスするバイパス通路と、このバイパス通路と酸化触媒側の排気通路とが合流した箇所より下流側に設けられたＮＯｘ吸蔵還元型触媒と、酸化触媒の上流側に燃料を添加する燃料添加弁と、酸化触媒を通過する排気ガス流量とバイパス通路を通過する排気ガス流量との比率を制御する制御弁とを備えた内燃機関の排気浄化装置が開示されている。この装置では、硫黄の蓄積によって劣化したＮＯｘ吸蔵還元型触媒を再生させる場合に、酸化触媒の上流側に燃料を添加するとともに、酸化触媒側の排気ガス流量を多くし、バイパス通路側の排気ガス流量を絞ることにより、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を高温にするようにしている（同公報の段落００１６参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２８２８５０号公報
【特許文献２】特開２００７−２３８６７号公報
【特許文献３】特開２００８−２６１２９４号公報
【特許文献４】特開２００８−２５４３８号公報
【特許文献５】特開２００５−３３０９４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
酸化触媒にアルミナ等の塩基性担体を用いた場合には、酸化触媒にも硫黄成分が蓄積する。ただし、酸化触媒は、ＮＯｘ触媒と比べて、硫黄成分を保持する力が弱い。このため、酸化触媒に蓄積した硫黄成分は比較的容易に脱離するが、ＮＯｘ触媒に蓄積した硫黄成分を脱離させるには長時間を要する。
【０００５】
上述した従来の装置では、ＮＯｘ触媒から硫黄成分を脱離させるための硫黄被毒再生制御を行う場合に、燃料添加弁から添加された未燃ＨＣを大量に含む排気ガスは、まず酸化触媒に流入し、酸化触媒を通過した後、ＮＯｘ触媒に流入する。よって、添加された未燃ＨＣが酸化触媒で燃焼することにより、酸化触媒の温度が、ＮＯｘ触媒の温度よりも先に上昇する。
【０００６】
酸化触媒に蓄積した硫黄成分は脱離し易いため、酸化触媒の温度が上昇すると、酸化触媒から硫黄成分が急速に脱離する。このとき、ＮＯｘ触媒の温度はまだ十分に上昇していない。このため、酸化触媒から脱離した硫黄成分が再度ＮＯｘ触媒に吸収されてしまう。その結果、ＮＯｘ触媒から脱離させなければならない硫黄の量が増大するので、ＮＯｘ触媒から硫黄成分を脱離させるのに要する時間が更に長くなる。すなわち、より長時間の硫黄被毒再生制御が必要となり、燃費が悪化するという問題がある。
【０００７】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ＮＯｘ触媒の硫黄被毒再生制御に要する時間を短縮でき、燃費を改善することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気浄化装置であって、
酸化触媒と、
前記酸化触媒より下流側に設置されたＮＯｘ触媒と、
排気ガスを前記酸化触媒の上流側に導入する第１排気経路と、
排気ガスを前記酸化触媒と前記ＮＯｘ触媒との間に導入する第２排気経路と、
排気ガスの通過経路を制御する通過経路制御手段と、
前記ＮＯｘ触媒の硫黄被毒を回復させることが要求されている場合に、未燃ＨＣとこの未燃ＨＣを酸化させる酸素とを含んだ排気ガスを供給することにより前記ＮＯｘ触媒の温度を上昇させる触媒昇温制御を実行する触媒昇温手段と、
を備え、
前記通過経路制御手段は、前記触媒昇温制御の実行中、前記第１排気経路と前記第２排気経路との双方に排気ガスを流入させることを特徴とする。
【０００９】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記通過経路制御手段は、前記触媒昇温制御の実行中、前記ＮＯｘ触媒の温度が前記酸化触媒の温度とほぼ同時に上昇するか、または、前記ＮＯｘ触媒の温度が前記酸化触媒の温度より早く上昇するように、前記第１排気経路の排気ガス流量と前記第２排気経路の排気ガス流量との比率を制御することを特徴とする。
【００１０】
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記ＮＯｘ触媒の温度が、硫黄成分が脱離可能な温度以上まで上昇した後に、還元剤を含んだ排気ガスを前記ＮＯｘ触媒に供給することにより前記ＮＯｘ触媒から硫黄成分を脱離させる硫黄脱離制御を実行する硫黄脱離手段を備え、
前記通過経路制御手段は、前記硫黄脱離制御の実行中、前記第１排気経路のみに排気ガスを流入させることを特徴とする。
【００１１】
また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記第１排気経路の途中に設置されたタービンを有する第１ターボチャージャと、
前記第２排気経路の途中に設置されたタービンを有する第２ターボチャージャと、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、第５の発明は、第１の発明において、
前記ＮＯｘ触媒の温度が、硫黄成分が脱離可能な温度以上まで上昇した後に、還元剤を含んだ排気ガスを前記ＮＯｘ触媒に供給することにより前記ＮＯｘ触媒から硫黄成分を脱離させる硫黄脱離制御を実行する硫黄脱離手段と、
前記硫黄脱離制御の実行中、前記内燃機関においてリッチ燃焼とリーン燃焼とに交互に繰り返し切り換える燃焼制御手段と、
前記第１排気経路の途中に設けられた燃料添加弁と、
前記硫黄脱離制御の実行中、前記リーン燃焼の排気ガス中に前記燃料添加弁から燃料を添加する燃料添加手段と、
を備え、
前記通過経路制御手段は、前記硫黄脱離制御の実行中、前記第１排気経路と前記第２排気経路との双方に排気ガスを流入させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
第１の発明によれば、ＮＯｘ触媒の硫黄被毒を再生させるための触媒昇温制御の実行中に、酸化触媒の上流側に排気ガスを供給するだけでなく、酸化触媒を通さずにＮＯｘ触媒の上流側に直接に排気ガスを供給することもできる。これにより、酸化触媒の温度上昇に対してＮＯｘ触媒の温度上昇が遅れることを防止することができる。よって、酸化触媒から脱離した硫黄成分が再度ＮＯｘ触媒に吸収されることを確実に抑制することができる。すなわち、触媒昇温制御の実行中にＮＯｘ触媒の硫黄蓄積量が増大することを確実に抑制することができる。このため、硫黄脱離制御の実行期間を短縮することができ、燃費を改善することができる。
【００１４】
第２の発明によれば、触媒昇温制御の実行中に、第１排気経路の排気ガス流量と第２排気経路の排気ガス流量との比率を制御することにより、ＮＯｘ触媒の温度を酸化触媒の温度とほぼ同時に上昇させるか、または、ＮＯｘ触媒の温度を酸化触媒の温度より早く上昇させることができる。これにより、酸化触媒から脱離した硫黄成分がＮＯｘ触媒に吸収されることをより確実に抑制することができる。
【００１５】
第３の発明によれば、硫黄脱離制御の実行中、酸化触媒の上流側のみに排気ガスを流入させる。これにより、排気ガス中に残存するＯ2は、すべて、酸化触媒で未燃ＨＣなどと反応し、残らずに消費される。よって、硫黄脱離制御の実行中に、ＮＯｘ触媒に酸素が流入することがない。このため、ＮＯｘ触媒に蓄積した硫黄成分を更に高い効率で脱離させることができる。
【００１６】
第４の発明によれば、第１ターボチャージャおよび第２ターボチャージャの作動状態の切り替えによって、上記効果を達成することができる。
【００１７】
第５の発明によれば、硫黄脱離制御の実行中、内燃機関においてリッチ燃焼を行うことによってＣＯを多量に発生させ、このＣＯを含む排気ガスの一部を酸化触媒を通さずにＮＯｘ触媒の上流に直接に供給することができる。これにより、未燃ＨＣよりも優れた硫黄脱離作用を有するＣＯが、酸化触媒で消費されてしまうことを確実に抑制することができ、ＮＯｘ触媒へのＣＯ流入量を増大させることができる。このため、ＮＯｘ触媒に蓄積した硫黄成分を高い効率で脱離させることができる。また、硫黄脱離制御の実行中に、リッチ燃焼とリーン燃焼とに交互に繰り返し切り換えることにより、リーン燃焼の期間にＨＣやＣＯを浄化することができ、エミッションを低減することができる。更に、リーン燃焼の排気ガス中に燃料添加弁から燃料を添加し、この添加された燃料を酸化触媒で燃焼させることができる。このため、リーン燃焼の期間にＮＯｘ触媒の温度が低下することを確実に防止することができるので、ＮＯｘ触媒から硫黄成分を高い効率で脱離させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。
【図２】硫黄被毒再生制御における酸化触媒およびＮＳＲ触媒の各々の温度（床温）および硫黄堆積量の時間的な変化を表したグラフである。
【図３】本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図４】触媒暖機時に実行されるルーチンのフローチャートである。
【図５】酸化触媒の温度と、ＮＯｘ中のＮＯ2の割合との関係を示す図である。
【図６】酸化触媒が低温のときに実行されるルーチンのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、エンジン（内燃機関）１０を備えている。本実施形態のエンジン１０は、ディーゼルエンジンである。エンジン１０の気筒数および気筒配置は特に限定されるものではない。エンジン１０の各気筒には、筒内に燃料を噴射する燃料インジェクタ（図示省略）が設置されている。燃料インジェクタは、１サイクル中に複数回の燃料噴射を行うことができる。すなわち、メイン噴射のほかに、パイロット噴射、アフター噴射、ポスト噴射等を行うことができる。
【００２０】
エンジン１０には、プライマリーターボチャージャ（第１ターボチャージャ）１１と、セカンダリーターボチャージャ（第２ターボチャージャ）１２とが備えられている。
【００２１】
エンジン１０の各気筒から排出される排気ガスは、排気マニホールド（図示省略）で合流し、排気通路１３に流入する。排気通路１３は、第１排気通路１４と、第２排気通路１５とに分岐している。第１排気通路１４の途中には、プライマリーターボチャージャ１１が備えるタービン１１１が配置されている。タービン１１１の下流側の第１排気通路１４は、酸化触媒１６の上流側に接続されている。すなわち、第１排気通路１４に流入し、タービン１１１を通過した排気ガスは、酸化触媒１６に流入する。
【００２２】
酸化触媒１６の下流側には、ＮＳＲ触媒１７が設置されている。すなわち、酸化触媒１６を通過した排気ガスは、ＮＳＲ触媒１７に流入する。ＮＳＲ触媒１７は、吸蔵還元型（NOx Storage Reduction）のＮＯｘ触媒である。ＮＳＲ触媒１７には、ＮＯｘ吸蔵材として、アルカリ金属やアルカリ土類金属が担持されている。ＮＳＲ触媒１７は、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンである場合にはＮＯｘを吸蔵し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比以下のリッチである場合には吸蔵したＮＯｘを脱離させて還元浄化することができる。
【００２３】
第２排気通路１５の途中には、セカンダリーターボチャージャ１２が備えるタービン１２１が配置されている。タービン１２１の下流側の第２排気通路１５は、酸化触媒１６とＮＳＲ触媒１７との間の排気通路に接続されている。すなわち、第２排気通路１５に流入し、タービン１２１を通過した排気ガスは、酸化触媒１６を通ることなく、ＮＳＲ触媒１７に流入する。
【００２４】
タービン１１１の上流側の第１排気通路１４には、第１排気切替弁（Exhaust Control Valve 1）１８が設けられている。また、タービン１２１の上流側の第２排気通路１５には、第２排気切替弁（Exhaust Control Valve 2）１９が設けられている。
【００２５】
タービン１１１の上流側の第１排気通路１４と、タービン１１１の下流側の第１排気通路１４とは、バイパス通路２０を介して接続されている。このバイパス通路２０には、排気バイパス弁２１が設けられている。
【００２６】
プライマリーターボチャージャ１１が備えるコンプレッサ１１２の入口には、吸気通路２２が接続されている。また、セカンダリーターボチャージャ１２が備えるコンプレッサ１２２の入口には、吸気通路２３が接続されている。両吸気通路２２，２３の他端は、一つに接合され、エアフローメータ２４に接続されている。エアフローメータ２４は、エンジン１０の吸入空気量を検出する。
【００２７】
コンプレッサ１１２の出口には、吸気通路２５が接続されており、コンプレッサ１２２の出口には、吸気通路２６が接続されている。両吸気通路２５，２６の他端は、一つに接合され、吸気通路２７に接続されている。吸気通路２７は、吸気マニホールド（図示省略）を介して、エンジン１０の各気筒に接続されている。吸気通路２７の途中には、インタークーラ２８と、吸気絞り弁３７とが設置されている。
【００２８】
吸気通路２２と吸気通路２６とは、バイパス通路２９を介して接続されている。このバイパス通路２９には、吸気バイパス弁３０が設けられている。また、吸気通路２５と吸気通路２６とは、流路３１を介して接続されている。流路３１には、リード弁３２が設けられている。リード弁３２は、吸気通路２６の圧力が吸気通路２５の圧力より高いときに開くようになっている。更に、吸気通路２６には、吸気切替弁（Air Control Valve）３３と、圧力センサ３４とが設けられている。
【００２９】
タービン１１１と酸化触媒１６との間の第１排気通路１４には、燃料添加弁３５が設置されている。また、タービン１２１とＮＳＲ触媒１７との間の第２排気通路１５には、燃料添加弁３６が設置されている。
【００３０】
本実施形態のシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を備えている。ＥＣＵ５０には、上述したエアフローメータ２４、圧力センサ３４、第１排気切替弁１８、第２排気切替弁１９、排気バイパス弁２１、吸気バイパス弁３０、吸気切替弁３３、燃料添加弁３５，３６、吸気絞り弁３７のほか、図示を省略するが、エンジン１０が備える燃料噴射装置やクランク角センサなどの、各種のセンサおよびアクチュエータが電気的に接続されている。
【００３１】
以上説明した本実施形態のシステムにおいて、第１排気切替弁１８および第２排気切替弁１９を共に開いた場合には、第１排気通路１４および第２排気通路１５の双方に排気ガスが流入するので、プライマリーターボチャージャ１１およびセカンダリーターボチャージャ１２の双方が作動する。そして、この場合には、プライマリーターボチャージャ１１のタービン１１１を通過した排気ガスは、酸化触媒１６に流入し、セカンダリーターボチャージャ１２のタービン１２１を通過した排気ガスは、酸化触媒１６を通らずにＮＳＲ触媒１７に流入する。
【００３２】
また、第１排気切替弁１８を開いて、第２排気切替弁１９を閉じた場合には、第１排気通路１４のみに排気ガスが流入するので、プライマリーターボチャージャ１１のみが作動する。この場合には、すべての排気ガスが酸化触媒１６に流入する。
【００３３】
ＥＣＵ５０は、通常運転時には、エンジン１０のエンジン回転数およびエンジン負荷に応じて、プライマリーターボチャージャ１１のみを作動させるか、プライマリーターボチャージャ１１およびセカンダリーターボチャージャ１２の双方を作動させるかを切り替える。すなわち、ＥＣＵ５０は、排気ガス流量の少ない低回転低負荷側の運転領域では、プライマリーターボチャージャ１１のみを作動させ、排気ガス流量の多い高回転高負荷側の運転領域では、プライマリーターボチャージャ１１およびセカンダリーターボチャージャ１２の双方を作動させるように制御する。
【００３４】
ところで、ＮＳＲ触媒１７のＮＯｘ吸蔵材は、ＮＯｘだけでなく、排気ガス中の硫黄成分をも吸収する性質がある。ＮＯｘ吸蔵材は、硫黄成分を硫酸塩または亜硫酸塩として蓄積する。ＮＳＲ触媒１７に硫黄成分が蓄積していくにつれて、ＮＳＲ触媒１７のＮＯｘ吸蔵能力が低下していく。また、ＮＯｘ吸蔵材に蓄積した硫黄成分はＮＯｘよりも脱離しにくいため、ＮＯｘ還元制御が行われた場合にも、硫黄成分はＮＯｘ吸蔵材から脱離しない。
【００３５】
そこで、本実施形態では、ＮＳＲ触媒１７の硫黄堆積量が所定値を超えた場合には、ＮＳＲ触媒１７のＮＯｘ吸蔵能力を回復させるため、堆積した硫黄成分を脱離させるための硫黄被毒再生制御を実行することとしている。
【００３６】
ＮＳＲ触媒１７から硫黄成分を脱離させるためには、ＮＳＲ触媒１７の温度を例えば６５０〜７００℃程度に維持した状態で、ＮＳＲ触媒１７に還元剤を供給し、ＮＳＲ触媒１７内の雰囲気を理論空燃比よりもリッチにすることが必要となる。そこで、本実施形態では、ＮＳＲ触媒１７の温度を必要な温度（硫黄成分が脱離可能な温度）にまで上昇させる触媒昇温制御と、ＮＳＲ触媒１７の温度が上昇した後にＮＳＲ触媒１７にリッチ空燃比の排気ガスを供給して硫黄成分を脱離させる硫黄脱離制御とによって、硫黄被毒再生制御を構成することとしている。
【００３７】
触媒昇温制御においては、未燃ＨＣを多量に含んだ排気ガスを供給し、このＨＣを燃焼させることにより、ＮＳＲ触媒１７を加熱する。未燃ＨＣを排気ガス中に供給する方法は特に限定されないが、本実施形態では、燃料添加弁３５，３６からの燃料添加や、エンジン１０でのポスト噴射によって未燃ＨＣを供給することができる。
【００３８】
本実施形態は、触媒昇温制御の実行中に、プライマリーターボチャージャ１１およびセカンダリーターボチャージャ１２の双方を作動させることを特徴としている。すなわち、本実施形態は、触媒昇温制御の実行中に、未燃ＨＣを多量に含んだ排気ガスを第１排気通路１４によって酸化触媒１６の上流側に供給するだけでなく、未燃ＨＣを多量に含んだ排気ガスを第２排気通路１５によって酸化触媒１６とＮＳＲ触媒１７との間にも供給することを特徴としている。
【００３９】
これに対し、従来の排気浄化装置では、酸化触媒１６とＮＳＲ触媒１７との間に直接に排気ガスを供給する通路を備えていないのが一般的であるため、触媒昇温制御の実行中を含め、常に、すべての排気ガスを酸化触媒１６の上流側に供給することが普通である。以下の説明では、触媒昇温制御の実行中にすべての排気ガスを酸化触媒１６の上流側に供給する場合を比較例とする。そして、本実施形態の硫黄被毒再生制御の作用効果を理解し易くするため、まず、図２を参照して、比較例の硫黄被毒再生制御について説明する。
【００４０】
図２は、硫黄被毒再生制御における酸化触媒１６およびＮＳＲ触媒１７の各々の温度（床温）および硫黄堆積量の時間的な変化を表したグラフであり、上半分が比較例の場合を示し、下半分が本実施形態の場合を示している。なお、図面では、硫黄を元素記号「Ｓ」で表記する。
【００４１】
酸化触媒１６には、アルミナ等の塩基性金属酸化物が担体として用いられている。このため、酸化触媒１６も、排気ガス中の硫黄成分を捕捉する性質を有している。すなわち、酸化触媒１６にも硫黄成分が堆積する。ただし、酸化触媒１６は、ＮＳＲ触媒１７と比べて、硫黄成分を保持する力は弱い。
【００４２】
比較例の触媒昇温制御においては、すべての排気ガスはまず酸化触媒１６に流入するので、排気ガスに含まれる未燃ＨＣはほぼすべて酸化触媒１６で燃焼する。このため、図２の上半分に示すように、酸化触媒１６の温度が先に上昇し、それに遅れてＮＳＲ触媒１７の温度が上昇する。前述したように、酸化触媒１６が硫黄成分を保持する力は弱いため、酸化触媒１６の温度が上昇すると、速やかに酸化触媒１６から硫黄成分が脱離する。酸化触媒１６から脱離した硫黄成分は、ＮＳＲ触媒１７に流入する。このとき、ＮＳＲ触媒１７の温度は未だ十分に上昇していない。このため、酸化触媒１６から脱離してＮＳＲ触媒１７に流入した硫黄成分は、ＮＳＲ触媒１７に吸収され、蓄積する。よって、ＮＳＲ触媒１７の硫黄蓄積量が大幅に増加してしまう。
【００４３】
ＮＳＲ触媒１７は、硫黄成分を保持する力が強い。よって、硫黄脱離制御の実行中も、ＮＳＲ触媒１７からは硫黄成分が少しずつしか脱離しない。比較例の場合には、上記のようにして、触媒昇温制御の実行中にＮＳＲ触媒１７の硫黄堆積量が大幅に増大する。このため、ＮＳＲ触媒１７に蓄積された硫黄成分をすべて脱離させるまでにかかる時間が長くなってしまう。つまり、長時間の硫黄脱離制御が必要となる。その結果、燃費が悪化するという問題がある。
【００４４】
これに対し、本実施形態の触媒昇温制御では、未燃ＨＣを多量に含んだ排気ガスを酸化触媒１６とＮＳＲ触媒１７との間にも供給する。このため、未燃ＨＣが酸化触媒１６を通らずにＮＳＲ触媒１７にも直接に流入するので、ＮＳＲ触媒１７でもＨＣが燃焼する。よって、図２の下半分に示すように、ＮＳＲ触媒１７の温度が酸化触媒１６の温度と同時に上昇する。従って、酸化触媒１６の温度が上昇して酸化触媒１６から硫黄成分が脱離したとき、ＮＳＲ触媒１７の温度も十分に上昇している。このため、酸化触媒１６から脱離してＮＳＲ触媒１７に流入した硫黄成分が、ＮＳＲ触媒１７に吸収されることを確実に抑制することができる。すなわち、触媒昇温制御の実行中にＮＳＲ触媒１７の硫黄堆積量が増大することを確実に抑制することができる。その結果、ＮＳＲ触媒１７に蓄積された硫黄成分をすべて脱離させるまでに要する硫黄脱離制御の期間を比較例よりも短縮することができ、燃費を改善することができる。
【００４５】
図３は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図３に示すルーチンによれば、まず、ＮＳＲ触媒１７の硫黄堆積量が所定値以上であるか否かが判定される（ステップ１００）。ＥＣＵ５０は、前回の硫黄被毒再生制御を実行した後の走行距離あるいは積算燃料噴射量等に基づいて、現在の硫黄堆積量を逐次算出している。このステップ１００で、現在の硫黄堆積量が上記所定値未満であった場合には、まだ硫黄被毒再生制御を実行する必要はないと判断できる。この場合には、本ルーチンの実行がここで終了される。
【００４６】
一方、上記ステップ１００で、現在の硫黄堆積量が上記所定値以上であった場合には、硫黄被毒再生制御の実行が必要であると判断できる。この場合には、まず、セカンダリーターボチャージャ１２を助走させる制御が実行される（ステップ１０２）。前述したように、本実施形態では、触媒昇温制御の実行中、プライマリーターボチャージャ１１およびセカンダリーターボチャージャ１２の双方を作動させる。このため、硫黄被毒再生制御を実行するに当たって、セカンダリーターボチャージャ１２が停止していた場合には、予めセカンダリーターボチャージャ１２を起動する必要がある。このステップ１０２においては、第２排気切替弁１９を所定開度に開くことにより、第２排気通路１４に排気ガスを流入させ、セカンダリーターボチャージャ１２を助走させる。
【００４７】
次いで、第２排気切替弁１９の必要開度が算出される（ステップ１０４）。触媒昇温制御において、酸化触媒１６から脱離した硫黄成分がＮＳＲ触媒１７に吸収されることを確実に防止するためには、ＮＳＲ触媒１７の温度が酸化触媒１６の温度とほぼ同時に上昇するか、または、ＮＳＲ触媒１７の温度が酸化触媒１６の温度よりも早く上昇することが理想である（図２の下半分参照）。そのような理想は、第１排気通路１４の排気ガス流量と、第２排気通路１５の排気ガス流量との比率を調節することによって実現することができる。すなわち、第２排気通路１５の排気ガス流量の比率を大きくするほど、ＮＳＲ触媒１７の温度をより早く上昇させることができる。そして、第１排気通路１４の排気ガス流量と、第２排気通路１５の排気ガス流量との比率は、第２排気切替弁１９の開度によって制御することができる。ＥＣＵ５０には、上記の理想を実現できる第２排気切替弁１９の開度をエンジン１０の運転領域に応じて算出するためのマップが予め記憶されている。このステップ１０４では、そのマップに従って、第２排気切替弁１９の必要開度が算出される。
【００４８】
なお、第１排気通路１４の排気ガス流量と、第２排気通路１５の排気ガス流量との比率を調節するに際しては、第２排気切替弁１９に加えて、第１排気切替弁１８の開度を更に制御するようにしてもよい。
【００４９】
上記ステップ１０４の処理に続いて、吸気切替弁３３を開く処理と、第２排気切替弁１９を上記ステップ１０４で算出された開度に開く処理と、触媒昇温制御を開始する処理とがそれぞれ実行される（ステップ１０６）。触媒昇温制御を開始する処理としては、燃料添加弁３５，３６の各々から排気ガス中に燃料を添加する処理が行われる。これにより、酸化触媒１６およびＮＳＲ触媒１７に未燃ＨＣが供給され、酸化触媒１６およびＮＳＲ触媒１７の温度を上昇させることができる。本実施形態では、酸化触媒１６への未燃ＨＣ供給量（すなわち燃料添加弁３５からの燃料添加量）と、ＮＳＲ触媒１７への未燃ＨＣ供給量（すなわち燃料添加弁３６からの燃料添加量）とを独立に制御することができるので、これらの比率を調節することによっても、酸化触媒１６の昇温速度とＮＳＲ触媒１７の昇温速度との関係を制御することができる。
【００５０】
触媒昇温制御の実行中、ＮＳＲ触媒１７の温度が、硫黄成分が脱離可能な所定値（例えば６５０〜７００℃）以上になったか否かが判定される（ステップ１０８）。ＮＳＲ触媒１７の温度は、触媒床温センサによって直接に検出してもよく、また、触媒出口の排気ガス温度や各種パラメータの履歴などに基づいて推定してもよい。
【００５１】
上記ステップ１０８で、ＮＳＲ触媒１７の温度が上記所定値未満であると判定された場合には、上記ステップ１０６に戻り、触媒昇温制御が続行される。一方、上記ステップ１０８で、ＮＳＲ触媒１７の温度が上記所定値以上であると判定された場合には、触媒昇温制御が終了される（ステップ１１０）。
【００５２】
本実施形態では、硫黄脱離制御の実行中は、排気ガスを第１排気通路１４のみに流入させ、プライマリーターボチャージャ１１のみを作動させることとしている。このため、上記ステップ１１０では、第２排気切替弁１９および吸気切替弁３３を閉じる処理も併せて実行される。
【００５３】
続いて、硫黄脱離制御が実行される（ステップ１１２）。硫黄脱離制御においては、酸化触媒１６に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチとなるように、燃料添加弁３５から燃料が添加される。
【００５４】
硫黄脱離制御が実行されると、還元剤としての未燃ＨＣを含んだ排気ガスがＮＳＲ触媒１７に流入し、ＮＳＲ触媒１７の内部がリッチ雰囲気となるので、ＮＳＲ触媒１７に蓄積していた硫黄成分を脱離させることができる。硫黄脱離制御の実行中、ＮＳＲ触媒１７の硫黄堆積量が所定値以下となったか否かが判定される（ステップ１１４）。ＥＣＵ５０は、硫黄脱離制御の開始時からの経過時間や還元剤供給量等に基づいて、ＮＳＲ触媒１７の硫黄堆積量を推定することができる。このステップ１１４で、ＮＳＲ触媒１７の硫黄堆積量が所定値以下となったと判定された場合には、硫黄脱離制御が終了される。
【００５５】
本実施形態では、硫黄脱離制御の実行中、排気ガスを第１排気通路１４のみに流入させ、第２排気通路１５には流入させないようにしている。すなわち、硫黄脱離制御の実行中、排気ガスは、すべて酸化触媒１６を通過する。従って、排気ガス中に残存する酸素（Ｏ2）は、すべて、酸化触媒１６で未燃ＨＣなどと反応し、残らずに消費される。よって、硫黄脱離制御の実行中、ＮＳＲ触媒１７に酸素が流入することがない。これにより、ＮＳＲ触媒１７に蓄積した硫黄成分を更に高い効率で脱離させることができる。
【００５６】
上述した実施の形態１においては、第１排気通路１４が前記第１の発明における「第１排気経路」に、第２排気通路１５が前記第１の発明における「第２排気経路」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１０４，１０６の処理を実行することにより前記第１の発明における「通過経路制御手段」が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより前記第１の発明における「触媒昇温手段」が、上記ステップ１１２の処理を実行することにより前記第１の発明における「硫黄脱離手段」が、上記ステップ１１０の処理を実行することにより前記第３の発明における「通過経路制御手段」が、それぞれ実現されている。
【００５７】
ところで、図１に示すシステムでは、通常運転時には、前述したように、エンジン１０の運転領域に応じて、プライマリーターボチャージャ１１のみを作動させるか、プライマリーターボチャージャ１１およびセカンダリーターボチャージャ１２の双方を作動させるかを切り替える。エンジン１０の始動後の触媒暖機時においては、負荷がそれほど高くない場合が多いので、通常は、プライマリーターボチャージャ１１のみが作動している。
【００５８】
触媒暖機時にプライマリーターボチャージャ１１のみが作動していると、すべての排気ガスは、まず酸化触媒１６を通過し、その後ＮＳＲ触媒１７に流入する。このため、酸化触媒１６を通過するときに排気ガスの温度が下がってしまうので、ＮＳＲ触媒１７が暖機されるのに時間がかかり、ＮＳＲ触媒１７のライトオフ（活性化）が遅れ易い。
【００５９】
一方、図１に示すシステムでは、第１排気切替弁１８を閉じて、第２排気切替弁１９を開くことにより、第２排気通路１５のみに排気ガスが流入するので、セカンダリーターボチャージャ１２のみを作動させることが可能である。この場合には、すべての排気ガスは、酸化触媒１６を通らずに、ＮＳＲ触媒１７に直接流入する。このようにすれば、ＮＳＲ触媒１７に高温の排気ガスを流入させることができるので、ＮＳＲ触媒１７の暖機を促進することができる。
【００６０】
そこで、触媒暖機時には、セカンダリーターボチャージャ１２のみを作動させるか、または、セカンダリーターボチャージャ１２をプライマリーターボチャージャ１１より優先して作動させるようにしてもよい。これにより、ＮＳＲ触媒１７のライトオフを早めることができる。
【００６１】
図４は、上記のような制御を実現するためのフローチャートである。図４に示すルーチンによれば、まず、ＮＳＲ触媒１７がライトオフしているか否かが判定される（ステップ１２０）。このステップ１２０では、ＮＳＲ触媒１７の温度が検出または推定され、その温度が所定値以上であればＮＳＲ触媒１７がライトオフしていると判定され、そうでなければＮＳＲ触媒１７がまだライトオフしていないと判定される。
【００６２】
上記ステップ１２０で、ＮＳＲ触媒１７がライトオフしていると判定された場合には、以下の処理を行う必要はないので、本ルーチンの実行がここで終了される。
【００６３】
一方、上記ステップ１２０で、ＮＳＲ触媒１７がまだライトオフしていないと判定された場合には、次に、第１排気切替弁１８の必要開度と、第２排気切替弁１９の必要開度とが算出される（ステップ１２２）。このステップ１２２では、ＮＳＲ触媒１７の暖機を促進するべく、セカンダリーターボチャージャ１２を優先して作動させるように、第１排気切替弁１８および第２排気切替弁１９の必要開度が算出される。すなわち、エンジン負荷が比較的低く、セカンダリーターボチャージャ１２のみで十分な過給が得られる場合には、第１排気切替弁１８の開度がゼロとされる。一方、エンジン負荷が高く、セカンダリーターボチャージャ１２のみの過給では足りない場合には、その足りない分だけプライマリーターボチャージャ１１が作動するように、第１排気切替弁１８の開度が算出される。
【００６４】
次いで、第１排気切替弁１８および第２排気切替弁１９の開度を上記ステップ１２４で算出された開度に制御する処理と、吸気切替弁３３を開く処理とが実行される（ステップ１２４）。ここでは、第２排気切替弁１９は、大開度とされ、第１排気切替弁１８は、全閉または小開度とされる。すなわち、排気ガスの全部または大部分は、セカンダリーターボチャージャ１２のタービン１２１を通過し、酸化触媒１６を通らずに、ＮＳＲ触媒１７に流入する。このため、排気ガスの温度が酸化触媒１６で低下することがないので、ＮＳＲ触媒１７の温度を早期に上昇させることができる。
【００６５】
続いて、ＮＳＲ触媒１７がライトオフしたかどうかが再度判定される（ステップ１２６）。このステップ１２６で、ＮＳＲ触媒１７がまだライトオフしていないと判定された場合には、上記ステップ１２２以下の処理が再度実行される。一方、上記ステップ１２６で、ＮＳＲ触媒１７がライトオフしたと判定された場合には、ターボチャージャの切替制御を通常時の制御に戻す処理が実行される（ステップ１２８）。
【００６６】
次に、酸化触媒１６の温度が低い場合の制御について説明する。酸化触媒１６には、パラジウムを含む少なくとも１種の貴金属が担持されている。この酸化触媒１６は、その温度が十分に高い場合には、排気ガス中のＮＯを酸化させてＮＯ2へと転換させる。しかしながら、酸化触媒１６の温度が低い場合には、逆に、排気ガス中のＮＯ2が酸化触媒１６によってＮＯへと選択還元される。
【００６７】
ＮＳＲ触媒１７には、前述したように、ＮＯｘ吸蔵材として、アルカリ金属やアルカリ土類金属が担持されている。このＮＯｘ吸蔵材には、ＮＯよりもＮＯ2の方が吸蔵され易い。このため、ＮＳＲ触媒１７に流入するＮＯｘ中のＮＯ2の割合が高い場合の方が、この割合が低い場合に比べて、より高いＮＯｘ吸蔵性能が得られる。
【００６８】
図５は、酸化触媒１６の温度と、ＮＯｘ中のＮＯ2の割合との関係を示す図である。図５の縦軸は、酸化触媒１６を通過した後のＮＯｘ中のＮＯ2の割合を、酸化触媒１６を通過する前のＮＯｘ中のＮＯ2の割合で除した値を示している。この値は、同図に示すように、酸化触媒１６の温度が高くなるにつれて大きくなり、酸化触媒１６の温度が低くなるにつれて小さくなる。この値が１．０となるときの酸化触媒１６の温度をＴ1とする。
【００６９】
酸化触媒１６の温度がＴ1より高い場合には、酸化触媒１６を通過することによって、ＮＯがＮＯ2へと酸化されるので、ＮＯｘ中のＮＯ2の割合は増加する。このような場合には、排気ガスを酸化触媒１６に通すことによって、ＮＯｘ中のＮＯ2の割合が増加するので、ＮＳＲ触媒１７のＮＯｘ吸蔵性能が高くすることができる。
【００７０】
一方、酸化触媒１６の温度がＴ1より低い場合には、酸化触媒１６を通過することによって、ＮＯ2がＮＯへと選択還元されるので、ＮＯｘ中のＮＯ2の割合は減少する。このような場合には、排気ガスを酸化触媒１６に通すことによって、ＮＯｘ中のＮＯ2の割合が減少するので、ＮＳＲ触媒１７のＮＯｘ吸蔵性能が逆に低下してしまう。従って、このような場合には、排気ガスを酸化触媒１６に通さずに直接にＮＳＲ触媒１７に流入させた方が、高いＮＯｘ吸蔵性能が得られる。
【００７１】
そこで、酸化触媒１６の温度がＴ1より低い場合には、排気ガスをできるだけ酸化触媒１６に通さずに、直接にＮＳＲ触媒１７に流入させるようにするため、セカンダリーターボチャージャ１２のみを作動させるか、または、セカンダリーターボチャージャ１２をプライマリーターボチャージャ１１より優先して作動させるようにしてもよい。これにより、ＮＳＲ触媒１７のＮＯｘ吸蔵性能を向上することができる。
【００７２】
図６は、上記のような制御を実現するためのフローチャートである。図６に示すルーチンによれば、まず、酸化触媒１６の温度がＴ1以下であるか否かが判定される（ステップ１３０）。なお、酸化触媒１６の温度は、触媒床温センサによって直接に検出してもよく、また、触媒出口の排気ガス温度や各種パラメータの履歴などに基づいて推定してもよい。
【００７３】
上記ステップ１３０で、酸化触媒１６の温度がＴ1より高いと判定された場合には、以下の処理を行う必要はないので、本ルーチンの実行がここで終了される。
【００７４】
一方、上記ステップ１３０で、酸化触媒１６の温度がＴ1より低いと判定された場合には、次に、第１排気切替弁１８の必要開度と、第２排気切替弁１９の必要開度とが算出される（ステップ１３２）。このステップ１３２では、セカンダリーターボチャージャ１２を優先して作動させるように、第１排気切替弁１８および第２排気切替弁１９の必要開度が算出される。すなわち、エンジン負荷が比較的低く、セカンダリーターボチャージャ１２のみで十分な過給が得られる場合には、第１排気切替弁１８の開度がゼロとされる。一方、エンジン負荷が高く、セカンダリーターボチャージャ１２のみの過給では足りない場合には、その足りない分だけプライマリーターボチャージャ１１が作動するように、第１排気切替弁１８の開度が算出される。
【００７５】
次いで、第１排気切替弁１８および第２排気切替弁１９の開度を上記ステップ１３２で算出された開度に制御する処理と、吸気切替弁３３を開く処理とが実行される（ステップ１３４）。ここでは、第２排気切替弁１９は、大開度とされ、第１排気切替弁１８は、全閉または小開度とされる。すなわち、排気ガスの全部または大部分は、セカンダリーターボチャージャ１２のタービン１２１を通過し、酸化触媒１６を通らずに、ＮＳＲ触媒１７に流入する。このため、酸化触媒１６の温度がＴ1以下であっても、ＮＯｘ中のＮＯ2の割合が酸化触媒１６で低下することを抑制することができるので、ＮＳＲ触媒１７のＮＯｘ吸蔵性能の低下を防止することができる。
【００７６】
続いて、酸化触媒１６の温度がＴ1以上になったか否かが判定される（ステップ１３６）。このステップ１３６で、酸化触媒１６の温度がまだＴ1未満であると判定された場合には、上記ステップ１３２以下の処理が再度実行される。一方、上記ステップ１３６で、酸化触媒１６の温度がＴ1以上であると判定された場合には、ターボチャージャの切替制御を通常時の制御に戻す処理が実行される（ステップ１３８）。
【００７７】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。本実施形態は、硫黄脱離制御の内容が異なること以外は、実施の形態１と同様である。
【００７８】
本実施形態の硫黄脱離制御においては、エンジン１０でリッチ燃焼を行うことにより、還元剤を供給する。リッチ燃焼とは、吸入空気量を絞るとともに、メイン噴射の後にアフター噴射を行うことにより、筒内の燃焼空燃比を理論空燃比以下のリッチにする制御である。
【００７９】
リッチ燃焼では、ＣＯが多量に発生する。このＣＯがＮＳＲ触媒１７に流入すると、硫黄成分を脱離させる優れた還元剤として機能する。すなわち、ＣＯを還元剤として用いる場合には、主に燃料添加弁３５から供給される未燃ＨＣを還元剤として用いる場合と比べて、ＮＳＲ触媒１７に蓄積した硫黄成分をより高い効率で脱離させることができる。
【００８０】
しかしながら、ディーゼルエンジンにおいては、リッチ燃焼を行った場合も、筒内でＯ2（酸素）が完全に消費されることはない。このため、リッチ燃焼の排気ガス中にもＯ2が残存している。このため、リッチ燃焼の排気ガスが酸化触媒１６を通過したとき、排気ガス中に残存するＯ2によってＣＯが酸化され、ＣＯ2に転換してしまう。このため、ＮＳＲ触媒１７に流入するＣＯの量が減少するので、硫黄成分の脱離効率が低下する。
【００８１】
そこで、本実施形態では、硫黄脱離制御の実行中、プライマリーターボチャージャ１１およびセカンダリーターボチャージャ１２の双方を作動させることとした。これにより、セカンダリーターボチャージャ１２のタービン１２１を通る排気ガスは、酸化触媒１６を通らず直接にＮＳＲ触媒１７に流入するので、ＮＳＲ触媒１７に流入するＣＯの量を増大させることができる。このため、ＣＯによる優れた硫黄脱離作用を十分に生かすことができる。
【００８２】
また、本実施形態では、硫黄脱離制御の実行中、エンジン１０において、リッチ燃焼とリーン燃焼とを交互に繰り返し行う。排気ガスの空燃比がリッチに維持されたままであると、ＨＣやＣＯが浄化される機会がないので、大気中へ放出されるＨＣやＣＯの量が多くなってしまう。そこで、リッチ燃焼とリーン燃焼とを交互に繰り返し行うことにより、リーン燃焼の期間にＨＣやＣＯを浄化することができ、大気中への放出を抑制することができる。
【００８３】
しかしながら、硫黄脱離制御の実行中にリーン燃焼を行った場合には、リーン燃焼の期間に、ＮＳＲ触媒１７の温度が低下し易くなる。また、リッチ燃焼は、排気燃料添加と比べて、ＮＳＲ触媒１７を高温に維持する効果が弱い。これは、リッチ燃焼では、排気ガスがＮＳＲ触媒１７に到達するまでの間に排気ガスが冷えてしまうのに対し、排気燃料添加では、添加された燃料を酸化触媒１６で燃焼させるので、ＮＳＲ触媒１７に流入する排気ガスの温度を高くできるからである。このようなことから、本実施形態では、リーン燃焼の期間に、ＮＳＲ触媒１７の温度が特に低下し易くなる。
【００８４】
そこで、本実施形態では、リーン燃焼を行った場合には、酸化触媒１６の上流側の燃料添加弁３５から燃料を添加することとした。より具体的には、リーン燃焼の排気ガスが燃料添加弁３５を通過するときに、その排気ガス中に燃料添加弁３５から燃料を添加する。これにより、燃料添加弁３５から添加した燃料が酸化触媒１６で燃焼するので、ＮＳＲ触媒１７に流入する排気ガスの温度を高くすることができる。このため、ＮＳＲ触媒１７の温度低下を防止し、硫黄脱離可能な温度以上に確実に維持することができる。
【００８５】
実施の形態２は、上述した点以外は実施の形態１と同様であるため、これ以上の説明は省略する。この実施の形態２においては、ＥＣＵ５０が、硫黄脱離制御の実行中にエンジン１０の吸気絞り弁３７および燃料噴射装置を制御してリッチ燃焼とリーン燃焼とを交互に繰り返し行うことにより前記第５の発明における「燃焼制御手段」が、リーン燃焼の排気ガス中に燃料添加弁３５から燃料を添加することにより前記第５の発明における「燃料添加手段」が、硫黄脱離制御の実行中に第１排気切替弁１８および第２排気切替弁１９を開くことによりが前記第５の発明における「通過経路制御手段」が、それぞれ実現されている。
【符号の説明】
【００８６】
１０  エンジン
１１  プライマリーターボチャージャ
１１１  タービン
１１２  コンプレッサ
１２  セカンダリーターボチャージャ
１２１  タービン
１２２  コンプレッサ
１３  排気通路
１４  第１排気通路
１５  第２排気通路
１６  酸化触媒
１７  ＮＳＲ触媒
１８  第１排気切替弁
１９  第２排気切替弁
２４  エアフローメータ
２５，２６，２７  吸気通路
２８  インタークーラ
３２  リード弁
３３  吸気切替弁
３５，３６  燃料添加弁
３７  吸気絞り弁
５０  ＥＣＵ
【図１】
2010229916.tif 000003
【図２】
2010229916.tif 000004
【図３】
2010229916.tif 000005
【図４】
2010229916.tif 000006
【図５】
2010229916.tif 000007
【図６】
2010229916.tif 000008