(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リーンバーン運転が可能な内燃機関の排気浄化装置であって、
前記内燃機関の排気通路に配設され、その内部に貴金属が担持された第１の触媒と、
前記第１の触媒の排気下流側に配設され、その内部に貴金属および塩基が担持された第２の触媒と、
前記第２の触媒の下流側の排気通路に配設されたＮＯｘ選択還元触媒と、を備え、
前記第２の触媒は、前記内燃機関の動作時にその床温が５００〜７５０℃となる領域に配設されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記第１の触媒と前記第２の触媒とは、直列配置で一体化されたタンデム構造であ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】
前記第２の触媒の硫黄被毒が進行したか否かを判定する判定手段と、
前記硫黄被毒が進行したと判定された場合に、前記第２の触媒内にリッチガスを導入するリッチガス導入手段と、
を備え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ＮＯｘ選択還元触媒の下流側の排気ガスのＮＯｘ濃度を取得するＮＯｘ濃度取得手段を更に備え、
前記判定手段は、前記ＮＯｘ濃度が所定濃度よりも高い場合に、前記第２の触媒の硫黄被毒が進行したことを判定することを特徴とする請求項３記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記判定手段は、前記リッチガス導入手段の前回の実行からの走行距離が所定距離よりも長い場合に、前記第２の触媒の硫黄被毒が進行したことを判定することを特徴とする請求項３または４記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記内燃機関は複数気筒を有する内燃機関であって、
前記リッチガス導入手段は、前記複数気筒を２群に分けた第１，第２の気筒群のうち、前記第１の気筒群の排気空燃比を所定のリッチ空燃比に制御し、前記第２の気筒群の排気空燃比を所定のリーン或いは理論空燃比に制御する空燃比制御手段を含むことを特徴とする請求項３乃至５の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記リッチガス導入手段は、前記第２の触媒にスライトリッチの排気ガスを導入することを特徴とする請求項３乃至６の何れか１項記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
前記第１の触媒の異常診断を行うタイミングか否かを判定する第２の判定手段と、
前記第１の触媒の異常診断を行うタイミングである場合に、理論空燃比を制御中心として前記内燃機関の空燃比をリッチ側とリーン側とに交互に強制的に切り替えるアクティブ空燃比制御を実行し、これにより測定した酸素吸蔵容量に基づいて、該第１の触媒の異常診断を実行する異常診断手段と、を更に備え、
前記リッチガス導入手段は、
前記第１の触媒の異常診断を行うタイミングであり、且つ前記第２の触媒の硫黄被毒が進行していると判定された場合に、前記アクティブ空燃比制御における前記制御中心を所定量リッチ方向へ移行させることを特徴とする請求項３乃至７の何れか１項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】
この発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、特に、ＮＯｘ吸蔵還元触媒とＮＯｘ選択還元触媒とを備える内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば日本特開２００８−３０３７５９号公報に開示されるように、内燃機関の排気通路に三元触媒、ＮＯｘ吸蔵還元触媒（以下、「ＮＳＲ触媒」と称する）、およびＮＯｘ選択還元触媒（以下、「ＳＣＲ」と称する）が、上流側からその順序で配置されたシステムが知られている。三元触媒およびＮＳＲ触媒では、リッチ雰囲気下において窒素と水素、および／またはＨＣとＮＯｘとが反応することにより、アンモニア（ＮＨ３）が生成される。ＳＣＲは、アンモニア（ＮＨ３）を吸着する機能を有しており、三元触媒およびＮＳＲ触媒で生成されたＮＨ３をその内部に吸蔵する。吸蔵されたＮＨ３は、該ＳＣＲに流入するＮＯｘを選択的に還元する際に使用される。【０００３】
【特許文献１】日本特開２００８−３０３７５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ＮＳＲ触媒は、ＮＯｘの吸蔵および浄化反応に好適とされる温度環境として、触媒床温が３５０〜４５０℃程度となる領域に配置される。しかしながら、この触媒床温の温度域は、排気ガスに含まれる硫黄成分の付着についても好適な温度条件となるため、ＮＳＲ触媒は比較的短時間で硫黄被毒による劣化を引き起こしてしまう。ＮＳＲ触媒の硫黄被毒が進行した場合には、該ＮＳＲ触媒の床温を７００℃まで昇温させ、且つ、リッチ雰囲気に晒すことで、付着していた硫黄成分を有効に脱離させることができる。しかしながら、ＮＳＲ触媒の床温を７００℃まで昇温させるためには、多大な熱エネルギを必要とする。このため、この昇温を空燃比のリッチ制御で行うこととすると、燃費の深刻な悪化が問題となる。また、他の方法として、別途排気熱回収器等を設けてＮＳＲ触媒の床温を昇温させることも考えられるが、これにはシステムの複雑化やコストの上昇が問題となる。このように、ＮＳＲ触媒の硫黄被毒が進行した場合に、燃費の悪化やシステムの複雑化を招くことなく硫黄被毒からの回復処理を行うことのできるシステムの構築が望まれていた。【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ＮＳＲ触媒とＳＣＲとを備える内燃機関において、燃費の悪化やエミッションの悪化を抑制しつつ、ＮＳＲ触媒を硫黄被毒から有効に回復させ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】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、リーンバーン運転が可能な内燃機関の排気浄化装置であって、
前記内燃機関の排気通路に配設され、その内部に貴金属が担持された第１の触媒と、
前記第１の触媒の排気下流側に配設され、その内部に貴金属および塩基が担持された第２の触媒と、
前記第２の触媒の下流側の排気通路に配設されたＮＯｘ選択還元触媒と、を備え、
前記第２の触媒は、前記内燃機関の動作時にその床温が５００〜７５０℃となる領域に配設されていることを特徴とする。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、
前記第１の触媒と前記第２の触媒とは、直列配置で一体化されたタンデム構造であることを特徴とする。
【０００９】
第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記第２の触媒の硫黄被毒が進行したか否かを判定する判定手段と、
前記硫黄被毒が進行したと判定された場合に、前記第２の触媒内にリッチガスを導入するリッチガス導入手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
第４の発明は、第３の発明において、
前記ＮＯｘ選択還元触媒の下流側の排気ガスのＮＯｘ濃度を取得するＮＯｘ濃度取得手段を更に備え、
前記判定手段は、前記ＮＯｘ濃度が所定濃度よりも高い場合に、前記第２の触媒の硫黄被毒が進行したことを判定することを特徴とする。
【００１１】
第５の発明は、第３または第４の発明において、
前記判定手段は、前記リッチガス導入手段の前回の実行からの走行距離が所定距離よりも長い場合に、前記第２の触媒の硫黄被毒が進行したことを判定することを特徴とする。
【００１２】
第６の発明は、第３乃至第５の発明において、
前記内燃機関は複数気筒を有する内燃機関であって、
前記リッチガス導入手段は、前記複数気筒を２群に分けた第１，第２の気筒群のうち、前記第１の気筒群の排気空燃比を所定のリッチ空燃比に制御し、前記第２の気筒群の排気空燃比を所定のリーン或いは理論空燃比に制御する空燃比制御手段を含むことを特徴とする。
【００１３】
第７の発明は、第３乃至第６の何れか１つの発明において、
前記リッチガス導入手段は、前記第２の触媒にスライトリッチの排気ガスを導入することを特徴とする。
【００１４】
第８の発明は、第３乃至第７の何れか１つの発明において、
前記第１の触媒の異常診断を行うタイミングか否かを判定する第２の判定手段と、
前記第１の触媒の異常診断を行うタイミングである場合に、理論空燃比を制御中心として前記内燃機関の空燃比をリッチ側とリーン側とに交互に強制的に切り替えるアクティブ空燃比制御を実行し、これにより測定した酸素吸蔵容量に基づいて、該第１の触媒の異常診断を実行する異常診断手段と、を更に備え、
前記リッチガス導入手段は、
前記第１の触媒の異常診断を行うタイミングであり、且つ前記第２の触媒の硫黄被毒が進行していると判定された場合に、前記アクティブ空燃比制御における前記制御中心を所定量リッチ方向へ移行させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
第１の発明によれば、第２の触媒は、所定の排気上流領域に配設されている。このような排気上流領域は、内燃機関からの伝熱および高温の排気ガスからの受熱により触媒床温が高温となる領域であるため、硫黄成分が塩基性物質に付着し難い。このため、本発明によれば、第２の触媒の硫黄被毒が短時間で進行してしまう事態を有効に抑止することができる。
また、本発明によれば、第２の触媒は、その動作時の床温が５００〜７５０℃となる領域に配設されている。このような動作温度領域では、塩基性物質に硫黄成分が付着し難い。このため、本発明によれば、第２の触媒の硫黄被毒が短時間で進行してしまう事態を有効に抑止することができる。
【００１７】
第２の発明によれば、第１の触媒と第２の触媒とは、直列配置された一体のタンデム構造を有した触媒として構成されている。このため、本発明によれば、部品点数の削減や構造の簡略化によるコスト削減効果を奏することができる。
【００１８】
第２の触媒から硫黄成分を脱離させるためには、触媒床温を７００℃程度まで昇温させ、且つ触媒内部をリッチ雰囲気下に晒すことが必要とされる。第３の発明によれば、第２の触媒の硫黄被毒が進行したと判定された場合に、該第２の触媒にリッチガスが導入される。このリッチガス成分は該第２の触媒内の昇温およびリッチ雰囲気形成に寄与する。このため、本発明によれば、第２の触媒を容易に高温且つリッチ雰囲気下に置くことができるので、ＮＳＲ触媒を硫黄被毒から容易に回復させることができる。
【００１９】
第４の発明によれば、ＮＯｘ選択還元触媒（ＳＣＲ）の下流側の排気ガスのＮＯｘ濃度が所定濃度より高い場合に、第２の触媒の硫黄被毒が進行したと判定される。ＳＣＲの下流側にＮＯｘが吹き抜けている場合には、該ＳＣＲにおいてＮＨ３が不足している、すなわち第２の触媒の硫黄被毒が進行して該第２の触媒でのＮＨ３の生成効率が低下していると判断することができる。このため、本発明によれば、ＳＣＲの下流側のＮＯｘ濃度に基づいて、第２の触媒の硫黄被毒の進行度合を有効に判定することができる。
【００２０】
第５の発明によれば、前回の硫黄被毒の再生処理の実行からの走行距離が所定距離より長い場合に、第２の触媒の硫黄被毒が進行したと判定される。第２の触媒の硫黄被毒は、継続走行距離が長くなるに連れて徐々に進行する。このため、本発明によれば、かかる走行距離に基づいて、第２の触媒の硫黄被毒の進行度合を有効に判定することができる。
【００２１】
第６の発明によれば、第１の気筒群の排気空燃比を所定のリッチ空燃比に制御し、第２の気筒群の排気空燃比を所定のリーン空燃比に制御することにより、第２の触媒に流入する排気ガスの排気空燃比を有効にリッチ空燃比に制御することができる。
【００２２】
第７の発明によれば、第２の触媒の硫黄被毒が進行したと判定された場合に、該第２の触媒にスライトリッチガスが導入される。このため、本発明によれば、エミッションや燃費の悪化を抑制しつつ、ＮＳＲ触媒を硫黄被毒から容易に回復させることができる。
【００２３】
第８の発明によれば、アクティブ制御を用いた第１の触媒の異常診断を行うタイミングであり、且つ、第２の触媒の硫黄被毒が進行したと判定された場合に、該アクティブ制御における空燃比の制御中心がリッチ側へ移行される。このため、本発明によれば、第１の触媒の異常診断を実行する過程で、第２の触媒の硫黄被毒回復処理を実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。
【図２】ＴＷＣおよびＮＳＲ触媒の内部構造を説明するための図である。
【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】本発明の実施の形態２において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最良の形態】
【００２５】
以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。【００２６】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施の形態のシステムは、内燃機関（エンジン）１０を備えている。内燃機関１０は多気筒エンジン（図では４気筒）として構成され、各気筒には、筒内に燃料を噴射するための燃料噴射弁１２がそれぞれ配置されている。尚、図１のシステムでは直列４気筒エンジンについて説明しているが、Ｖ型の多気筒エンジンとして構成されていてもよい。また、図１のシステムでは、燃料噴射弁１２として、燃料を筒内に直接噴射する直噴式の燃料噴射弁を用いることとしているが、各気筒のポートに燃料を噴射するポート噴射式の燃料噴射弁でもよい。【００２７】
内燃機関１０の排気側には、排気マニホールド１４を介して排気通路１６が連通している。排気通路１６には、スタート触媒（以下、「ＳＣ」と称する）２０が配設されている。ＳＣ２０は、内燃機関１０の冷間始動時等において触媒活性を発現させて逸早く排気ガスを浄化することを目的としているため、機関からの伝熱および排気ガスからの受熱の影響を受け易い所定の排気上流領域に配置される。尚、ＳＣ２０は、かかる排気上流領域に配置されることにより、その動作時の床温が６００〜７００℃に昇温される。【００２８】
本実施の形態１のシステムのＳＣ２０は、前段部に三元触媒（以下、「ＴＷＣ」と称する）２０１、後段部にＮＳＲ触媒（ＮＯｘ吸蔵還元触媒）２０２を備えるタンデム構造の触媒として構成されている。内燃機関１０は、空燃比がリッチである場合に、ＨＣおよびＣＯを排出し易い。また、空燃比がリーンである場合にＮＯｘを排出しやすい。ＳＣ２０におけるＴＷＣ２０１は、リーン雰囲気では酸素（Ｏ２）を吸着しながらＮＯｘを還元（Ｎ２に浄化）する。他方、リッチ雰囲気では、酸素を放出しながらＨＣおよびＣＯを酸化（Ｈ２Ｏ、ＣＯ２に浄化）する。リッチ雰囲気下では、また、排気ガス中に含まれる窒素が水素と反応することにより、アンモニア（ＮＨ３）が生成される。【００２９】
ＳＣ２０におけるＮＳＲ触媒２０２は、リーン雰囲気下では、排気ガス中に含まれるＮＯｘを吸蔵する。また、ＮＳＲ触媒２０２は、リッチ雰囲気下で吸蔵しているＮＯｘを放出する。リッチ雰囲気下で放出されたＮＯｘは、ＨＣやＣＯにより還元される。この際、ＳＣ２０１の場合と同様に、ＮＳＲ触媒２０２においてもＮＨ３が生成される。【００３０】
尚、ＴＷＣ２０１およびＮＳＲ触媒２０２は、例えば２層コート触媒として構成されていることが好ましい。図２は、ＴＷＣ２０１およびＮＳＲ触媒２０２の内部構造を説明するための図である。尚、この図中（Ａ）は前段部におけるＴＷＣ２０１の内部構造を、（Ｂ）は後段部におけるＮＳＲ触媒２０２の内部構造を、それぞれ詳細に示している。【００３１】
図２（Ａ）に示すとおり、ＴＷＣ２０１は、担体基材の表面に形成された下触媒層にＰｔ（またはＰｄ）を担持し、該下触媒層の表面に形成された上触媒層にＲｈを担持した構造とすることが好ましい。このように、ＲｈとＰｔを分離して担持することで、ＲｈがＰｄに固溶することを抑制することができるので、Ｐｔの酸化活性の低下およびＲｈの還元活性の低下を有効に抑制することができる。【００３２】
また、図２（Ｂ）に示すとおり、ＮＳＲ触媒２０２は、担体基材の表面に形成された下触媒層にＰｈを担持し、該下触媒層の表面に形成された上触媒層にＰｔ（またはＰｄ）および塩基からなるＮＯｘ吸蔵材を担持した構造とすることが好ましい。このように、Ｐｔを上触媒層に担持することで排気ガスとＰｔとの接触性が良好となるため、ＮＯｘ吸蔵材へのＮＯｘ吸蔵効率を有効に高めることができる。また、Ｒｈを下触媒層に担持することでリッチ雰囲気においてＲｈによって生成されたＨ２が上触媒層を通過することとなるため、吸蔵されていたＮＯｘの還元浄化性能を有効に高めることができる。【００３３】
図１に示すとおり、排気通路１６におけるＳＣ２０の下流側には、ＳＣＲ（ＮＯｘ選択還元触媒）２２が配設されている。ＳＣＲ２２は、ＴＷＣ２０１およびＮＳＲ触媒２０２がストイキ或いはリッチ雰囲気下で生成するＮＨ３を吸蔵し、リーン雰囲気下では、ＮＨ３を還元剤として排気ガス中のＮＯｘを選択的に還元する機能を有している。ＳＣＲ２２によれば、ＳＣ２０の下流に吹き抜けてきたＮＨ３およびＮＯｘが大気中に放出される事態を有効に阻止することができる。【００３４】
図１に示すシステムは、排気通路１６におけるＳＣ２０の上流側に、空燃比（Ａ／Ｆ）センサ２４を備えている。Ａ／Ｆセンサ２４は、内燃機関１０の排気空燃比を検出することができる。また、図１に示すシステムは、排気通路１６におけるＳＣＲ１８の下流側にＮＯｘセンサ２６を備えている。ＮＯｘセンサ２６は、排気ガス中のＮＯｘおよびＮＨ３に反応して、それらの濃度に応じた信号を発生する。このため、ＮＯｘセンサ２６によれば、リッチ雰囲気下ではＳＣＲ２２の下流におけるＮＨ３濃度を、また、リーン雰囲気下では、ＳＣＲ２２の下流におけるＮＯｘ濃度を、それぞれ検知することができる。【００３５】
本実施の形態のシステムは、図１に示すとおり、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)３０を備えている。ＥＣＵ３０の出力部には、上述した燃料噴射弁１２等の種々のアクチュエータが接続されている。ＥＣＵ３０の入力部には、上述したＡ／Ｆセンサ２４およびＮＯｘセンサ２６の他、内燃機関１０の運転条件または運転状態を検出するための種々のセンサ類が接続されている。ＥＣＵ３０は、入力された各種の情報に基づいて、図１に示すシステムの状態を制御することができる。【００３６】
[実施の形態１の動作]
（ＮＳＲ触媒２０２のＮＯｘ浄化機能）
先ず、ＮＳＲ触媒２０２のＮＯｘ浄化機能について説明する。ＥＣＵ３０は、通常、内燃機関１０をリーン空燃比で運転（リーン運転）させる。リーン運転中は、ＮＯｘ等の酸化剤がＨＣ、ＣＯ等の還元剤よりも多量に排出される。このため、ＴＷＣ２０１を用いて当該排気ガスを浄化しようとしても、還元剤の不足によって全てのＮＯｘを浄化することができない。そこで、本実施の形態１のシステムは、ＴＷＣ２０１の下流側にＮＳＲ触媒２０２を備えることとしている。ＮＳＲ触媒２０２は、ＮＯｘをＢａ（ＮＯ３）２等の硝酸塩として吸蔵する機能を有している。このため、本実施の形態１のシステムによれば、リーン運転中であっても、該ＮＯｘが大気中に放出されてしまう事態を効果的に抑制することができる。【００３７】
但し、ＮＳＲ触媒２０２のＮＯｘ吸蔵性能は、吸蔵量が増加するにつれて低下してしまう。このため、リーン運転が長時間継続されると、吸蔵されなかったＮＯｘが該触媒下流に吹き抜けてしまう。そこで、本実施の形態１のシステムでは、ＮＳＲ触媒２０２に吸蔵されたＮＯｘを定期的に脱離させて処理するリッチスパイク制御が実行される。より具体的には、ＮＳＲ触媒２０２の吸蔵性能が低下する所定のタイミングで、内燃機関１０の排気空燃比が一時的にリッチ空燃比（例えば、Ａ／Ｆ＝１２）に制御される。リッチスパイク実行中の排気ガスには、ＨＣ、ＣＯ、Ｈ２等の還元剤が多量に含まれている。このため、これらの還元剤がＮＳＲ触媒２０２内へ導入されると、硝酸塩として吸蔵されていたＮＯｘは、ＮＯまで還元されて塩基から脱離される。脱離したＮＯｘは、ＮＳＲ触媒２０２内の触媒上でＮ２等に浄化されて処理される。このように、リーン運転中にリッチスパイクを実行することにより、ＮＳＲ触媒２０２に吸蔵されていたＮＯｘを脱離処理することができるので、ＮＯｘ吸蔵性能を有効に回復させることができる。【００３８】
尚、一般的に、ＮＳＲ触媒におけるＮＯｘ吸蔵・浄化反応を活発に行わせるためには、その触媒床温を３５０〜４５０℃程度に昇温することが好ましい。しかしながら、上述したとおり、本実施の形態１のシステムでは、ＮＳＲ触媒２０２の床温が５００〜７５０℃に昇温されるように、その位置が調整されている。この理由については説明を後述する。【００３９】
（ＳＣＲ２２のＮＯｘ浄化機能）
次に、ＳＣＲ２２のＮＯｘ浄化機能について説明する。上述したとおり、リッチスパイクの実行によって、ＮＳＲ触媒２０２のＮＯｘ吸蔵性能を有効に回復させることができる。しかしながら、リッチスパイクが実行されると、該ＮＳＲ触媒２０２から脱離したＮＯｘの一部が下流に吹き抜けてしまう。また、上述したとおり、リッチスパイクの実行前にＮＳＲ触媒２０２の下流に吹き抜けてしまうＮＯｘも存在する。これらの吹き抜けＮＯｘがそのまま大気中に放出されてしまうとエミッションの悪化を招いてしまう。【００４０】
そこで、本実施の形態１のシステムは、ＮＳＲ触媒２０２の下流側に吹き抜けたＮＯｘを処理するためのＳＣＲ２２を備えることとしている。上述したとおり、ＳＣＲ２２は、ＴＷＣ２０１およびＮＳＲ触媒２０２が、リッチ雰囲気下で生成するＮＨ３をその内部に吸蔵している。このため、ＳＣＲ２２によれば、ＮＳＲ触媒２０２の下流に吹き抜けてきたＮＯｘをＮＨ３で選択的に還元して浄化することができる。これにより、ＮＯｘが大気中に放出されてエミッションが悪化する事態を有効に阻止することができる。【００４１】
尚、本出願の発明者の見解によれば、ＳＣＲ２２の床温を４７０℃以下、好ましくは２００〜３５０℃とすることによって、該ＳＣＲ２２における還元反応を活発に行わせることができる。このため、本実施の形態１のシステムでは、ＳＣＲ２２の床温が２００〜３５０℃となるように、その配置が調整されている。これにより、ＳＣＲ２２の下流にＮＯｘが放出される事態を効果的に抑止することができる。【００４２】
[本実施の形態１のシステムの特徴]
次に、本実施の形態１のシステムの特徴について説明する。上述したとおり、ＮＳＲ触媒は、床温が３５０〜４５０℃となる温度環境下において高いＮＯｘ浄化性能を発揮する。このため、従来のシステムにおいては、ＮＳＲ触媒がこのような温度領域に属するように、その配置が設定されている。【００４３】
しかしながら、ＮＳＲ触媒を３５０〜４５０℃の温度領域に配置すると硫黄成分の付着に対しても好適な温度条件となってしまう。このため、このような条件においては、ＮＳＲ触媒の硫黄被毒が比較的短時間で進行してしまい、ＮＯｘ浄化性能およびＮＨ３生成性能が著しく低下してしまう。【００４４】
硫黄被毒が進行したＮＳＲ触媒から硫黄成分を有効に脱離させるためには、以下に示す２条件を満たすことが必要とされる。
ａ）ＮＳＲ触媒の床温を７００℃程度まで昇温させること
ｂ）ＮＳＲ触媒内をリッチ雰囲気に晒すこと【００４５】
しかしながら、ＮＳＲ触媒の床温を７００℃程度まで昇温させるためには、多大な熱エネルギを必要とする。このため、この昇温を空燃比のリッチ制御で行うこととすると、燃費の深刻な悪化が問題となる。また、別途排気熱回収器等を設けてＮＳＲ触媒の床温を昇温させることも考えられるが、これにはシステムの複雑化やコストの上昇が問題となる。このように、ＮＳＲ触媒の硫黄脱離処理には、種々の課題が存在する。【００４６】
そこで、本出願の発明者は、上記課題を解決するために、本実施の形態に示すシステムを考案した。このシステムは、図１に示すとおり、ＳＣ２０の後段部にＮＳＲ触媒２０２を備えていることに特徴を有している。すなわち、本実施の形態のシステムでは、ＮＳＲ触媒２０２が従来のシステムとは異なる温度領域（５００〜７５０℃）に配設されている。このような温度領域においては、ＮＳＲ触媒２０２に硫黄成分が付着しにくいため、短時間で硫黄被毒が進行する事態を有効に抑止することができる。したがって、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄脱離処理の実行頻度を有効に減らすことができる。【００４７】
また、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄脱離処理を実行する場合においては、既に触媒床温は高い状態にあるため、リッチ雰囲気に晒すことで容易に脱離温度まで昇温させることができる。このため、燃費の悪化やエミッションの悪化を招くことなく、ＮＳＲ触媒２０２を硫黄被毒から有効に回復させることができる。【００４８】
尚、上述した本実施の形態１のシステムのように、ＮＳＲ触媒２０２を高温領域に配設することとすると、該ＮＳＲ触媒２０２のＮＯｘ浄化効率が低下してしまう。そこで、本実施の形態１のシステムでは、ＮＳＲ触媒２０２はＮＯｘの浄化よりもむしろＮＨ３を生成することを主目的とし、ＮＯｘの浄化については、その下流側に配設されたＳＣＲ２２において実行するように、これらの触媒の容量・特性等が調整されている。これにより、ＮＳＲ触媒２０２を高温領域に配置しても、ＮＯｘエミッションの悪化を有効に抑止することができる。【００４９】
ＮＳＲ触媒２０２における硫黄被毒の進行度合は、例えば、ＳＣＲ２２の下流のＮＯｘ濃度に基づいて判断することができる。これは、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄被毒が進行してＮＨ３生成量が低下すると、ＳＣＲ２２においてＮＨ３が不足し、その結果ＳＣＲ２２におけるＮＯｘ浄化率が低下するからである。そこで、本実施の形態のシステムでは、ＳＣＲ２２の下流のＮＯｘ濃度が所定値（例えば、１．４ｐｐｍ）よりも高い場合に、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄被毒が進行したことを判定し、該ＮＳＲ触媒２０２の硫黄脱離処理を実行することとする。【００５０】
硫黄脱離処理では、上述したとおり、ＮＳＲ触媒２０２の床温を７００℃程度まで昇温させ、且つリッチ雰囲気に晒す必要があるが、本実施の形態のシステムでは、ＮＳＲ触媒２０２の床温が７００℃乃至これに近い温度となる領域に配設されている。したがって、空燃比制御によってリッチガスをＮＳＲ触媒２０２に導入することで上記２条件を容易に満たすことができる。尚、この際、空燃比を極端なリッチ空燃比に制御することとするとエミッション悪化および燃費悪化の弊害が生じるため、ＮＳＲ触媒２０２に流入する排気ガスの空燃比がスライトリッチ（例えば、目標Ａ／Ｆ＝１４．３）となるように、各気筒の空燃比を制御することが好ましい。【００５１】
空燃比制御の方法としては種々の方法が考えられるが、空燃比の制御性の観点からは、例えば、リーンバーン運転中に所定気筒の空燃比をリッチ空燃比に制御する方法が好ましい。この方法では、具体的には、内燃機関１０の複数気筒を２つの気筒群（例えば、＃１および＃３気筒からなる気筒群と、＃２および＃４気筒からなる気筒群）とに分類し、一方の気筒群の空燃比をリーン空燃比に、他方の気筒群の空燃比をリッチ空燃比に制御する。この際、排気通路１６に配設された空燃比センサ２４の出力がスライトリッチを示す出力となるように、そのセンサ出力値を各気筒の燃料噴射量にフィードバックする。これにより、ＮＳＲ触媒２０２に所望のリッチガスを導入することができるので、硫黄成分を有効に脱離させることができる。【００５２】
［実施の形態１における具体的処理］
次に、図３を参照して、本実施の形態において実行する処理の具体的内容について説明する。図３は、ＥＣＵ３０が、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄被毒回復処理を実行するルーチンのフローチャートである。尚、図３のルーチンは、内燃機関１０のリーンバーン運転中に繰り返し実行される。【００５３】
図３に示すルーチンでは、先ず、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄被毒が進行しているか否かが判定される（ステップ１００）。ここでは、具体的には、ＮＯｘセンサ２６が検出したＮＯｘセンサ値が所定値（例えば１．４ｐｐｍ）以下か否かが判定される。その結果、ＮＯｘセンサ値≦所定値の成立が認められた場合には、ＮＳＲ触媒２０２においてＮＨ３が問題なく生成されている、すなわちＮＳＲ触媒２０２の硫黄被毒は進行していないと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。【００５４】
一方、上記ステップ１００において、ＮＯｘセンサ値≦所定値の成立が認められない場合には、ＮＳＲ触媒２０２におけるＮＨ３生成量が低下している、すなわちＮＳＲ触媒２０２の硫黄被毒が進行していると判断されて、次のステップに移行し、排気空燃比がスライトリッチ（目標Ａ／Ｆ＝１４．３）に制御される（ステップ１０２）。ここでは、具体的には、一方の気筒群（例えば＃１および＃３気筒）をリッチ空燃比に、他方の気筒群（例えば＃２および＃４）をリーン空燃比に制御することにより、ＮＳＲ触媒２０２に流入する排気の空燃比がスライトリッチの目標Ａ／Ｆに制御される。【００５５】
図３に示すルーチンでは、次に、ＮＳＲ触媒２０２が硫黄被毒から回復したか否かが判定される（ステップ１０４）。ここでは、具体的には、ＮＯｘセンサ２６を用いてＮＯｘセンサ値が再度検出される。そして、検出されたＮＯｘセンサ値が所定値（１．４ｐｐｍ）以下となっているか否かが判定される。その結果、ＮＯｘセンサ値≦所定値の成立が認められた場合には、ＮＳＲ触媒２０２においてＮＨ３が問題なく生成されている、すなわちＮＳＲ触媒２０２が硫黄被毒から回復したと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。一方、上記ステップ１０４において、ＮＯｘセンサ値≦所定値の成立が認められない場合には、ＮＳＲ触媒２０２におけるＮＨ３生成量が増加していない、すなわちＮＳＲ触媒２０２が硫黄被毒から未だ回復していないと判断されて、上記ステップ１０２に再度移行し、次のステップに移行し、排気空燃比をスライトリッチに制御する処理が再度実行される。【００５６】
以上説明したとおり、本実施の形態１のシステムによれば、ＮＳＲ触媒２０２を所定の排気上流領域（５００〜７５０℃）に配設することとしたため、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄被毒が短時間で進行する事態を有効に抑止することができる。また、本実施の形態１のシステムのＮＳＲ触媒２０２の配置によれば、触媒床温が常に高温の状態にある。このため、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄脱離処理を実行する場合に、容易に硫黄脱離温度まで昇温させることができるので、燃費の悪化やシステムの複雑化を有効に回避することができる。【００５７】
ところで、上述した実施の形態１においては、高温領域に配設されたＳＣ２０の後段部にＮＳＲ触媒２０２を配置することとしているが、ＮＳＲ触媒２０２の構成はこれに限られない。すなわち、ＮＳＲ触媒２０２の床温が５００〜７５０℃に昇温される配置であれば、ＳＣ２０の下流側に別体として構成されていてもよい。【００５８】
また、上述した実施の形態１においては、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄被毒回復処理において、一方の気筒群をリッチ空燃比に他方の気筒群をリーン空燃比に制御することにより排気空燃比をスライトリッチ（目標Ａ／Ｆ＝１４．３）に制御することとしているが、全ての気筒の排気空燃比を一律に目標Ａ／Ｆに制御することによりスライトリッチを実現することとしてもよい。【００５９】
また、上述した実施の形態１においては、ＮＯｘセンサ２６の出力信号に基づいて、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄被毒状態を検知することとしているが、硫黄被毒の検知方法はこれに限られない。すなわち、前回の硫黄被毒回復処理からの走行距離が所定距離（例えば、３０００ｋｍ）に到達した場合に硫黄被毒の進行を判定することとしてもよいし、また、前回の硫黄被毒回復処理からの時間、走行距離、排気ガス量、空燃比、および床温等の情報に基づいて、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄吸着量を推定して判断することとしてもよい。【００６０】
尚、上述した実施の形態１においては、ＴＷＣ２０１が前記第１の発明における「第１の触媒」に、ＮＳＲ触媒２０２が前記第１の発明における「第２の触媒」に、ＳＣＲ２２が前記第１の発明における「ＮＯｘ選択還元触媒」に、それぞれ相当している。【００６１】
また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ３０が、上記ステップ１００の処理を実行することにより、前記第３の発明における「判定手段」が、上記ステップ１０２の処理を実行することにより、前記第３の発明における「リッチガス導入手段」が、それぞれ実現されている。
【００６２】
また、上述した実施の形態１においては、ＮＯｘセンサ２６が前記第４の発明における「ＮＯｘ濃度取得手段」に相当している。
【００６３】
実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
次に、図４を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態２は、図１に示すシステムを用いて、後述する図４に示すルーチンを実行することにより実現することができる。【００６４】
上述したとおり、ＳＣ２０の前段部に配置されたＴＷＣ２０１は、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比になっているときに、ＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘの三成分を同時に浄化する三元触媒としての機能を有している。このＴＷＣ２０１は、触媒成分として、Ｐｔ，Ｐｄ等の貴金属（活性点）と、酸素を吸収放出可能な酸素吸蔵成分とを含んでいる。この触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリッチである場合には、上記酸素吸蔵成分から酸素が放出され、その放出された酸素によって、ＨＣおよびＣＯといった未燃成分を酸化して浄化することができる。逆に、この触媒に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、上記酸素吸蔵成分が排気ガス中の余剰酸素を吸収することにより、ＮＯｘを還元浄化することができる。このようにして、酸素吸蔵成分が酸素の吸収および放出を行うことにより、触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比に対し多少ばらついたとしても、ＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘの三成分を良好に浄化することができる。【００６５】
三元触媒は、経年使用によりその浄化性能が劣化していく。触媒の劣化度合いは、その触媒が吸蔵し得る最大の酸素量である酸素吸蔵容量Ｃｍａｘと関係していることが知られている。すなわち、酸素吸蔵容量Ｃｍａｘが低下しているほど、触媒の劣化が進行していると判定することができる。従って、触媒の酸素吸蔵容量Ｃｍａｘを測定することにより、その触媒の劣化を検出することができる。【００６６】
本実施形態のシステムでは、アクティブ空燃比制御を実行することにより、ＳＣ２０の酸素吸蔵容量Ｃｍａｘを測定する。アクティブ空燃比制御とは、内燃機関１０の空燃比を、理論空燃比を挟んでリッチ側とリーン側とに交互に強制的に切り替える制御である。尚、アクティブ空燃比制御を用いた酸素吸蔵容量Ｃｍａｘの測定方法については、既に多くの公知文献が存在するため、その詳細な説明を省略する。【００６７】
上述したアクティブ空燃比制御の実行中は、リッチガスとリーンガスとが交互にＳＣ２０内へ流入するため、該ＳＣ２０の床温が上昇する。そこで、本実施の形態のシステムでは、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄被毒が進行したと判定された場合に、酸素吸蔵容量Ｃｍａｘを測定するためのアクティブ空燃比制御を実行するタイミングである場合には、かかるアクティブ空燃比制御を利用してＮＳＲ触媒２０２の硫黄脱離処理を行うこととする。より具体的には、アクティブ空燃比制御における空燃比の制御中心を、一時的に理論空燃比から所定のスライトリッチ空燃比（例えば、Ａ／Ｆ＝１４．３）へ移行することとする。これにより、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄脱離に必要な上記２条件を容易に満たすことができるので、ＳＣ２０の異常診断を行いつつ該ＮＳＲ触媒２０２の硫黄脱離処理を有効に行うことができる。【００６８】
[実施の形態２における具体的処理]
次に、図４を参照して、本実施の形態において実行する処理の具体的内容について説明する。図４は、ＥＣＵ３０が、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄被毒回復処理を実行するルーチンのフローチャートである。尚、図４のルーチンは、内燃機関１０のリーンバーン運転中に繰り返し実行される。【００６９】
図４に示すルーチンでは、先ず、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄被毒が進行しているか否かが判定される（ステップ２００）。ここでは、具体的には、上記ステップ１００と同様の処理が実行される。その結果、ＮＯｘセンサ値≦所定値の成立が認められた場合には、ＮＳＲ触媒２０２においてＮＨ３が問題なく生成されている、すなわちＮＳＲ触媒２０２の硫黄被毒は進行していないと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。【００７０】
一方、上記ステップ２００において、ＮＯｘセンサ値≦所定値の成立が認められない場合には、ＮＳＲ触媒２０２におけるＮＨ３生成量が低下している、すなわちＮＳＲ触媒２０２の硫黄被毒は進行していると判断されて、次のステップに移行し、ＳＣ２０の酸素吸蔵容量Ｃｍａｘを測定するタイミングか否かが判定される（ステップ２０２）。ここでは、具体的には、前回の酸素吸蔵容量Ｃｍａｘの測定から所定の距離を走行したか否か、ＳＣ２０の下流側のエミッションが悪化しているか否か等に基づいて判断される。その結果、ＳＣ２０の酸素吸蔵容量Ｃｍａｘを測定するタイミングであると判定された場合には、次のステップに移行し、空燃比の制御中心をリッチ側にずらしたアクティブ空燃比制御が実行される（ステップ２０４）。ここでは、具体的には、アクティブ空燃比制御に８おける空燃比の制御中心が所定のリッチ空燃比（例えば、Ａ／Ｆ＝１４．３）に設定される。これにより、ＮＳＲ触媒２０２において硫黄の脱離が行われる。【００７１】
一方、上記ステップ２０２において、ＳＣ２０の酸素吸蔵容量Ｃｍａｘを測定するタイミングでないと判定された場合には、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄被毒回復処理とＳＣ２０の異常診断とを同時に行うことができないと判断されて、次のステップに移行し、排気空燃比がスライトリッチ（目標Ａ／Ｆ＝１４．３）に制御される（ステップ２０６）。ここでは、具体的には、上記ステップ１０２と同様の処理が実行される。【００７２】
以上説明したとおり、本実施の形態２のシステムによれば、ＳＣ２０の酸素吸蔵容量Ｃｍａｘを測定とＮＳＲ２０２の硫黄被毒回復処理とを同時に行うこととしたため、ＳＣ２０の異常診断を実行する過程で、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄被毒回復処理を実行することができる。【００７３】
ところで、上述した実施の形態２においては、高温領域に配設されたＳＣ２０の後段部にＮＳＲ触媒２０２を配置することとしているが、ＮＳＲ触媒２０２の構成はこれに限られない。すなわち、ＮＳＲ触媒２０２の床温が６００〜７００℃に昇温される配置であれば、ＳＣ２０の下流側に別体として構成されていてもよい。【００７４】
また、上述した実施の形態２においては、ＮＯｘセンサ２６の出力信号に基づいて、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄被毒状態を検知することとしているが、硫黄被毒の検知方法はこれに限られない。すなわち、前回の硫黄被毒回復処理からの走行距離が所定距離（例えば、３０００ｋｍ）に到達した場合に硫黄被毒の進行を判定することとしてもよいし、また、前回の硫黄被毒回復処理からの時間、走行距離、排気ガス量、空燃比、および床温等の情報に基づいて、ＮＳＲ触媒２０２の硫黄吸着量を推定して判断することとしてもよい。【００７５】
尚、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ３０が、上記ステップ２０２の処理を実行することにより、前記第８の発明における「第２の判定手段」が、上記ステップ２０４の処理を実行することにより、前記第８の発明における「異常診断手段」および「リッチガス導入手段」が、それぞれ実現されている。
【符号の説明】
【００７６】
１０  内燃機関（エンジン）
１２  燃料噴射弁
１４  排気マニホールド
１６  排気通路
２０  スタート触媒（ＳＣ）
２０１  三元触媒
２０２  ＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＮＳＲ触媒）
２２  ＮＯｘ選択還元触媒（ＳＣＲ）
２４  Ａ／Ｆセンサ
２６  ＮＯｘセンサ
３０  ＥＣＵ（Electronic Control Unit）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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