(57)【要約】内燃機関の排気浄化装置は、機関排気通路内に配置されているＮＯＸ吸蔵還元触媒装置を含む。ＮＯＸ吸蔵還元触媒装置にはＮＯＸと同時にＳＯＸが吸蔵される。吸蔵されたＳＯＸ量が予め定められた許容量を超えたときに、ＮＯＸ触媒装置の温度をＳＯＸ放出可能な温度まで上昇させた後に、ＮＯＸ触媒装置に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにするＳＯＸ放出制御によりＳＯＸを放出させる。ＮＯＸ触媒装置は、ＳＯＸ放出制御を行っているときのＮＯＸ触媒装置の温度に依存して、ＳＯＸ放出制御を行っても最終的に残留する残留ＳＯＸ吸蔵量を有する。今回のＳＯＸ放出制御の残留ＳＯＸ吸蔵量に基づいて、今回のＳＯＸ放出制御における各時刻のＳＯＸ放出速度を算出する。
2010128562.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時には排気ガス中に含まれるＮＯＸを吸蔵し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯＸを放出するＮＯＸ触媒装置を配置し、ＮＯＸ触媒装置に吸蔵されたＳＯＸ量が予め定められた許容量を超えたときに、ＮＯＸ触媒装置の温度をＳＯＸ放出可能な温度まで上昇させた後に、ＮＯＸ触媒装置に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにするＳＯＸ放出制御により吸蔵されたＳＯＸを放出させる内燃機関の排気浄化装置であって、
ＮＯＸ触媒装置は、ＳＯＸ放出制御を行っているときのＮＯＸ触媒装置の温度に依存して、ＳＯＸ放出制御を行っても最終的に残留する残留ＳＯＸ吸蔵量を有し、
今回のＳＯＸ放出制御の残留ＳＯＸ吸蔵量に基づいて、今回のＳＯＸ放出制御における各時刻のＳＯＸ放出速度を算出することを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
今回のＳＯＸ放出制御において、各時刻のＳＯＸ吸蔵量と前記残留ＳＯＸ吸蔵量との差に基づいて、各時刻のＳＯＸ放出速度を算出することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
ＳＯＸ放出制御の各時刻において算出したＳＯＸ放出速度に基づき、ＳＯＸ放出制御を開始してから現時刻までに放出された積算ＳＯＸ放出量を算出し、
ＳＯＸ放出制御を開始したときのＳＯＸ吸蔵量から前記残留ＳＯＸ吸蔵量を減算した放出可能なＳＯＸ量が第１の半径の円の面積に対応するとしたときに、前記積算ＳＯＸ放出量に対応する面積の円の半径が第２の半径として算出され、算出された現時刻のＳＯＸ放出速度を第１の半径と第２の半径との比に基づいて補正することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
ＮＯＸ触媒装置は、前記残留ＳＯＸ吸蔵量が残留したときにＮＯＸを吸蔵できる最終的なＮＯＸ吸蔵可能量を有し、
ＳＯＸ放出制御の各時刻において算出したＳＯＸ放出速度に基づき、ＳＯＸ放出制御を開始してから現時刻までに回復したＮＯＸ回復量を算出し、
前記最終的なＮＯＸ吸蔵可能量からＳＯＸ放出制御を開始したときのＮＯＸ吸蔵可能量を減算した回復可能なＮＯＸ吸蔵可能量が第１の半径の円の面積に対応するとしたときに、前記ＮＯＸ回復量に対応する面積の円の半径が第２の半径として算出され、算出された現時刻のＳＯＸ放出速度を第１の半径と第２の半径との比に基づいて補正することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
ＳＯＸ放出制御の各時刻において算出したＳＯＸ放出速度に基づき、ＳＯＸ放出制御を開始してから現時刻までに放出された積算ＳＯＸ放出量を算出し、
ＳＯＸ放出制御を開始したときのＳＯＸ吸蔵量から前記残留ＳＯＸ吸蔵量を減算した放出可能なＳＯＸ量が第１の半径の球の体積に対応するとしたときに、前記積算ＳＯＸ放出量に対応する体積の球の半径が第２の半径として算出され、算出された現時刻のＳＯＸ放出速度を第１の半径と第２の半径との比に基づいて補正することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
ＮＯＸ触媒装置は、前記残留ＳＯＸ吸蔵量が残留したときにＮＯＸを吸蔵できる最終的なＮＯＸ吸蔵可能量を有し、
ＳＯＸ放出制御の各時刻において算出したＳＯＸ放出速度に基づき、ＳＯＸ放出制御を開始してから現時刻までに回復したＮＯＸ回復量を算出し、
前記最終的なＮＯＸ吸蔵可能量からＳＯＸ放出制御を開始したときのＮＯＸ吸蔵可能量を減算した回復可能なＮＯＸ吸蔵可能量が第１の半径の球の体積に対応するとしたときに、前記ＮＯＸ回復量に対応する体積の球の半径が第２の半径として算出され、算出された現時刻のＳＯＸ放出速度を第１の半径と第２の半径との比に基づいて補正することを特徴とする、請求項１に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】
ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどの内燃機関の排気ガスには、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃燃料（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯＸ）または粒子状物質（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｍａｔｔｅｒ）などの成分が含まれている。内燃機関には、これらの成分を浄化するために排気浄化装置が取り付けられる。
窒素酸化物を除去する方法の一つとして、機関排気通路にＮＯＸ吸蔵還元触媒が配置されることが提案されている。ＮＯＸ吸蔵還元触媒は、排気ガスの空燃比がリーンの時にはＮＯＸを吸蔵する。ＮＯＸの吸蔵量が許容量に達した時に、排気ガスの空燃比をリッチまたは理論空燃比にすることにより、吸蔵したＮＯＸが放出される。放出されたＮＯＸは、排気ガスに含まれる一酸化炭素等の還元剤によりＮ２に還元される。
特開２０００−３１４３１１号公報には、内燃機関の排ガス流路に窒素酸化物の浄化触媒を配置した浄化装置が開示されている。窒素酸化物の浄化触媒は、貴金属と窒素酸化物の捕捉材とを有し、窒素酸化物の浄化触媒は、理論空燃比より高い空燃比で窒素酸化物をＮＯ２  として捕捉することが開示されている。また、窒素酸化物の捕捉材はＳＯＸを捕捉するが、還元雰囲気にすることで捕捉したＳＯＸを除去することができることが開示されている。また、捕捉したＳＯＸを除去する温度は５００℃以上が望ましいことが開示されている。
内燃機関の排気ガスには、硫黄酸化物（ＳＯＸ）が含まれる場合がある。ＮＯＸ吸蔵還元触媒は、ＮＯＸの吸蔵と同時にＳＯＸを吸蔵する。ＳＯＸが吸蔵されると、ＮＯＸの吸蔵可能量が低下する。このように、ＮＯＸ吸蔵還元触媒には、いわゆる硫黄被毒が生じる。硫黄被毒を解消するために、ＳＯＸを放出する硫黄被毒回復処理が行なわれる。硫黄被毒回復処理においては、ＮＯＸ吸蔵還元触媒を昇温した状態で、排気ガスの空燃比をリッチまたは理論空燃比にすることによりＳＯＸを放出する。
ＮＯＸ吸蔵還元触媒の硫黄被毒回復処理の時には、ＳＯＸが大気中に放出される。ＳＯＸの放出速度が大きいと大量のＳＯＸが短時間に放出されてしまうために、臭い等の問題が生じる。
一方で、ＮＯＸ吸蔵還元触媒は、熱劣化が生じる。熱劣化が生じると、例えばＮＯＸ吸蔵可能量が減少する。熱劣化は、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の温度が高いほど速く進行する。硫黄被毒回復処理を行なうときには、昇温された状態が長い時間継続される。このため、硫黄被毒回復処理のときに、熱劣化が比較的速く進行する。
従来の技術においては、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の目標温度および再生時間を予め設定して、この再生時間の間、目標温度を維持しながら硫黄被毒回復処理を行っていた。または、ＳＯＸ放出速度は、燃焼室における燃料噴射量および温度等を関数にするマップを用いることにより検出することができる。ＳＯＸ放出量は、ＳＯＸ放出速度から算出することができる。しかし、従来の技術により検出されるＳＯＸ放出速度には、比較的大きな誤差が含まれている。このため、硫黄被毒回復処理のときに、ＮＯＸ吸蔵還元触媒が必要以上に高温の雰囲気に曝され、熱劣化が過剰に進行している可能性があった。硫黄被毒回復処理を行っているときのＳＯＸ放出速度は精度良く検出できることが好ましい。
【発明の開示】
【０００３】
本発明は、ＮＯＸ吸蔵還元触媒装置を含む内燃機関の排気浄化装置であって、硫黄被毒回復処理を行うときのＳＯＸ放出速度を精度良く算出することが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。
本発明の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時には排気ガス中に含まれるＮＯＸを吸蔵し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯＸを放出するＮＯＸ触媒装置を配置し、ＮＯＸ触媒装置に吸蔵されたＳＯＸ量が予め定められた許容量を超えたときに、ＮＯＸ触媒装置の温度をＳＯＸ放出可能な温度まで上昇させた後に、ＮＯＸ触媒装置に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにするＳＯＸ放出制御により吸蔵されたＳＯＸを放出させる。ＮＯＸ触媒装置は、ＳＯＸ放出制御を行っているときのＮＯＸ触媒装置の温度に依存して、ＳＯＸ放出制御を行っても最終的に残留する残留ＳＯＸ吸蔵量を有する。今回のＳＯＸ放出制御の残留ＳＯＸ吸蔵量に基づいて、今回のＳＯＸ放出制御における各時刻のＳＯＸ放出速度を算出する。この構成により、ＳＯＸ放出制御を行っているときのＳＯＸ放出速度を精度良く算出することができる。
上記発明においては、今回のＳＯＸ放出制御において、各時刻のＳＯＸ吸蔵量と残留ＳＯＸ吸蔵量との差に基づいて、各時刻のＳＯＸ放出速度を算出することが好ましい。
上記発明においては、ＳＯＸ放出制御の各時刻において算出したＳＯＸ放出速度に基づき、ＳＯＸ放出制御を開始してから現時刻までに放出された積算ＳＯＸ放出量を算出し、ＳＯＸ放出制御を開始したときのＳＯＸ吸蔵量から残留ＳＯＸ吸蔵量を減算した放出可能なＳＯＸ量が第１の半径の円の面積に対応するとしたときに、積算ＳＯＸ放出量に対応する面積の円の半径が第２の半径として算出され、算出された現時刻のＳＯＸ放出速度を第１の半径と第２の半径との比に基づいて補正することが好ましい。
上記発明においては、ＮＯＸ触媒装置は、残留ＳＯＸ吸蔵量が残留したときにＮＯＸを吸蔵できる最終的なＮＯＸ吸蔵可能量を有し、ＳＯＸ放出制御の各時刻において算出したＳＯＸ放出速度に基づき、ＳＯＸ放出制御を開始してから現時刻までに回復したＮＯＸ回復量を算出し、最終的なＮＯＸ吸蔵可能量からＳＯＸ放出制御を開始したときのＮＯＸ吸蔵可能量を減算した回復可能なＮＯＸ吸蔵可能量が第１の半径の円の面積に対応するとしたときに、ＮＯＸ回復量に対応する面積の円の半径が第２の半径として算出され、算出された現時刻のＳＯＸ放出速度を第１の半径と第２の半径との比に基づいて補正することが好ましい。
上記発明においては、ＳＯＸ放出制御の各時刻において算出したＳＯＸ放出速度に基づき、ＳＯＸ放出制御を開始してから現時刻までに放出された積算ＳＯＸ放出量を算出し、ＳＯＸ放出制御を開始したときのＳＯＸ吸蔵量から残留ＳＯＸ吸蔵量を減算した放出可能なＳＯＸ量が第１の半径の球の体積に対応するとしたときに、積算ＳＯＸ放出量に対応する体積の球の半径が第２の半径として算出され、算出された現時刻のＳＯＸ放出速度を第１の半径と第２の半径との比に基づいて補正することが好ましい。
上記発明においては、ＮＯＸ触媒装置は、残留ＳＯＸ吸蔵量が残留したときにＮＯＸを吸蔵できる最終的なＮＯＸ吸蔵可能量を有し、ＳＯＸ放出制御の各時刻において算出したＳＯＸ放出速度に基づき、ＳＯＸ放出制御を開始してから現時刻までに回復したＮＯＸ回復量を算出し、最終的なＮＯＸ吸蔵可能量からＳＯＸ放出制御を開始したときのＮＯＸ吸蔵可能量を減算した回復可能なＮＯＸ吸蔵可能量が第１の半径の球の体積に対応するとしたときに、ＮＯＸ回復量に対応する体積の球の半径が第２の半径として算出され、算出された現時刻のＳＯＸ放出速度を第１の半径と第２の半径との比に基づいて補正することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図１は、実施の形態１における内燃機関の概略図である。
図２は、ＮＯＸを吸蔵する時のＮＯＸ吸蔵還元触媒装置の拡大概略断面図である。
図３は、ＳＯＸを吸蔵する時のＮＯＸ吸蔵還元触媒装置の拡大概略断面図である。
図４は、機関回転数と要求トルクとを関数にする単位時間当りのＳＯＸ吸蔵量のマップである。
図５は、硫黄被毒回復処理を行なうときのタイムチャートである。
図６は、実施の形態１におけるＮＯＸ吸蔵還元触媒装置に吸蔵されているＳＯＸ量と、ＳＯＸ放出速度の関係を説明するグラフである。
図７は、実施の形態１におけるＮＯＸ吸蔵還元触媒装置の床温と、最終的に残留する残留ＳＯＸ吸蔵量との関係を説明するグラフである。
図８は、ＳＯＸ放出制御において、ＮＯＸ吸蔵還元触媒装置に吸蔵されているＳＯＸ量の変化を説明する図である。
図９は、実施の形態１におけるＳＯＸ放出制御を行なうときのフローチャートである。
図１０は、実施の形態１において、補正項を用いてＳＯＸ放出速度を算出した場合と、補正項を用いないでＳＯＸ放出速度を算出した比較例とのグラフである。
図１１は、高温でＮＯＸ吸蔵還元触媒装置からＳＯＸが放出された状態を説明する拡大概略図である。
図１２は、低温でＮＯＸ吸蔵還元触媒装置からＳＯＸが放出された状態を説明する拡大概略図である。
図１３は、ＳＯＸの放出モデルを説明する概略図である。
図１４は、実施の形態２において、算出された補正項を用いて計算したときのＳＯＸ放出速度のグラフである。
図１５は、実施の形態２におけるＳＯＸ放出制御を行なうときのフローチャートである。
図１６は、ＳＯＸ放出制御において、ＮＯＸ吸蔵還元触媒装置のＮＯＸ吸蔵可能量の変化を説明する図である。
図１７は、実施の形態３におけるＮＯＸ吸蔵還元触媒装置の温度と、放出不可能なＳＯＸが残留したときの最終的なＮＯＸ吸蔵可能量との関係を説明するクラブである。
図１８は、実施の形態３におけるＳＯＸ吸蔵量とＮＯＸ吸蔵可能量との関係を説明するグラフである。
【符号の説明】
【０００５】
参照符号の一覧表
１…機関本体
２…燃焼室
３…燃料噴射弁
１７…ＮＯＸ吸蔵還元触媒
３０…電子制御ユニット
４５…触媒担体
４６…触媒金属
４７…ＮＯＸ吸収剤
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
実施の形態１
図１から図１０を参照して、実施の形態１における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態における内燃機関は、車両に配置されている。本実施の形態においては、自動車に取り付けられている圧縮着火式のディーゼルエンジンを例に取り上げて説明する。
図１に、本実施の形態における内燃機関の全体図を示す。内燃機関は、機関本体１を備える。また、内燃機関は、排気ガスを浄化する排気浄化装置を備える。機関本体１は、各気筒としての燃焼室２と、それぞれの燃焼室２に燃料を噴射するための電子制御式の燃料噴射弁３と、吸気マニホールド４と、排気マニホールド５とを含む。
吸気マニホールド４は、吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結されている。コンプレッサ７ａの入口は、吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結されている。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置されている。更に、吸気ダクト６の周りには、吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置されている。図１に示される実施例では、機関冷却水が冷却装置１１に導かれている。機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
排気マニホールド５は、排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結されている。本実施の形態における排気浄化装置は、ＮＯＸ触媒装置としてのＮＯＸ吸蔵還元触媒装置（ＮＳＲ）１７を備える（以下、単に「ＮＯＸ吸蔵還元触媒」という）。ＮＯＸ吸蔵還元触媒１７は、排気タービン７ｂの出口に排気管１２を介して連結されている。ＮＯＸ吸蔵還元触媒１７の下流の機関排気通路内には排気ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタ１６が配置されている。また、パティキュレートフィルタ１６の下流の機関排気通路内には、酸化触媒１３が配置されている。
排気マニホールド５と吸気マニホールド４との間には、排気ガス再循環（ＥＧＲ）を行うためにＥＧＲ通路１８が配置されている。ＥＧＲ通路１８には電子制御式のＥＧＲ制御弁１９が配置されている。また、ＥＧＲ通路１８の周りにはＥＧＲ通路１８内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２０が配置されている。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２０内に導かれている。機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
それぞれの燃料噴射弁３は、燃料供給管２１を介してコモンレール２２に連結されている。コモンレール２２は、電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２３を介して燃料タンク２４に連結されている。燃料タンク２４に貯蔵される燃料は、燃料ポンプ２３によってコモンレール２２内に供給される。コモンレール２２内に供給された燃料は、それぞれの燃料供給管２１を介して燃料噴射弁３に供給される。
電子制御ユニット３０は、デジタルコンピュータからなる。本実施の形態における電子制御ユニット３０は、排気浄化装置の制御装置として機能する。電子制御ユニット３０は、双方性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を含む。
ＲＯＭ３２は、読み込み専用の記憶装置である。ＲＯＭ３２には、制御を行なうための必要なマップ等の情報が予め記憶されている。ＣＰＵ３４は、任意の演算や判別を行なうことができる。ＲＡＭ３３は、読み書きが可能な記憶装置である。ＲＡＭ３３は、運転履歴などの情報を保存したり、演算結果を一時的に保存したりすることができる。
ＮＯＸ吸蔵還元触媒１７の下流には、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１７の温度を検出するための温度センサ２６が配置されている。酸化触媒１３の下流には、酸化触媒１３またはパティキュレートフィルタ１６の温度を検出するための温度センサ２７が配置されている。パティキュレートフィルタ１６には、パティキュレートフィルタ１６の前後差圧を検出するための差圧センサ２８が取付けられている。これらの温度センサ２６，２７、差圧センサ２８および吸入空気量検出器８の出力信号は、それぞれ対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。
アクセルペダル４０には、アクセルペダル４０の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続されている。負荷センサ４１の出力電圧は、対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５には、クランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続されている。クランク角センサ４２の出力により、機関本体１の回転数を検出することができる。
一方、出力ポート３６は、対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０の駆動用ステップモータ、ＥＧＲ制御弁１９および燃料ポンプ２３に接続されている。この様に、燃料噴射弁３およびスロットル弁１０等は、電子制御ユニット３０により制御されている。
酸化触媒１３は、酸化能力を有する触媒である。酸化触媒１３は、例えば、排気ガスの流れ方向に延びる隔壁を有する基体を備える。基体は、例えばハニカム構造に形成されている。基体は、たとえば円筒形状のケースに収容される。基体の表面には、例えば多孔質酸化物粉末により、触媒担持体としてのコート層が形成されている。コート層には、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｄ）、パラジウム（Ｐｄ）のような貴金属で形成された触媒金属が担持されている。排気ガスに含まれる一酸化炭素または未燃炭化水素は、酸化触媒で酸化されて水や二酸化炭素等に変換される。
パティキュレートフィルタ１６は、排気ガス中に含まれる炭素微粒子、サルフェート等のイオン系微粒子等の粒子状物質（パティキュレート）を除去するフィルタである。パティキュレートフィルタは、例えば、ハニカム構造を有し、ガスの流れ方向に伸びる複数の流路を有する。複数の流路において、下流端が封止された流路と上流端が封止された流路とが交互に形成されている。流路の隔壁は、コージライトのような多孔質材料で形成されている。この隔壁を排気ガスが通過するときにパティキュレートが捕捉される。
粒子状物質は、パティキュレートフィルタ１６上に捕集されて酸化される。パティキュレートフィルタ１６に次第に堆積する粒子状物質は、空気過剰の雰囲気中で温度を例えば６００℃程度まで上昇することにより酸化されて除去される。
図２に、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の拡大概略断面図を示す。ＮＯＸ吸蔵還元触媒１７は、機関本体１から排出される排気ガスに含まれるＮＯＸを一時的に吸蔵して、吸蔵したＮＯＸを放出するときにＮ２に変換する触媒である。
ＮＯＸ吸蔵還元触媒１７は、基体上に例えばアルミナからなる触媒担体４５が担持されている。触媒担体４５の表面上には貴金属で形成された触媒金属４６が分散して担持されている。触媒担体４５の表面上にはＮＯＸ吸収剤４７の層が形成されている。触媒金属４６としては、例えば白金Ｐｔが用いられる。ＮＯＸ吸収剤４７を構成する成分としては、例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つが用いられている。本実施の形態においては、ＮＯＸ吸収剤４７を構成する成分としてバリウムＢａが用いられている。
本発明においては、機関吸気通路、燃焼室、または機関排気通路に供給された排気ガスの空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）と称する。排気ガスの空燃比がリーンのとき（理論空燃比より大きなとき）には、排気ガス中に含まれるＮＯが触媒金属４６上において酸化されてＮＯ２になる。ＮＯ２は、硝酸イオンＮＯ３−の形でＮＯＸ吸収剤４７内に吸蔵される。これに対して、排気ガスの空燃比がリッチのとき、または理論空燃比になると、ＮＯＸ吸収剤４７に吸蔵されている硝酸イオンＮＯ３−がＮＯ２の形でＮＯＸ吸収剤４７から放出される。放出されたＮＯＸは、排気ガスに含まれる未燃炭化水素や一酸化炭素等によってＮ２に還元される。
図３に、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の他の拡大概略断面図を示す。排気ガス中にはＳＯＸ、即ちＳＯ２が含まれている。ＳＯ２は、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１７に流入すると、触媒金属４６において酸化されてＳＯ３となる。このＳＯ３はＮＯＸ吸収剤４７に吸収されて、たとえば硫酸塩ＢａＳＯ４を生成する。硫酸塩ＢａＳＯ４は安定していて分解しづらい。単に排気ガスの空燃比をリッチにしただけでは硫酸塩ＢａＳＯ４は分解されずにそのまま残る。このため、ＮＯＸ吸蔵還元触媒が吸蔵できるＮＯＸ量が低下することになる。このように、ＮＯＸ吸蔵還元触媒には、硫黄被毒が生じる。
硫黄被毒を回復するためには、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の温度をＳＯＸ放出が可能な温度まで上昇させる。この状態でＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチまたは理論空燃比にするＳＯＸ放出制御を行なう。ＳＯＸ放出制御を行なうことにより、ＮＯＸ吸蔵還元触媒からＳＯＸを放出させることができる。
本実施の形態においては、内燃機関の通常の運転時にＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されるＳＯＸ量を算出する。ＳＯＸ吸蔵量の算出は、内燃機関の運転中に継続的に行なわれている。本実施の形態における排気浄化装置は、通常の運転中のＳＯＸ吸蔵量の検出装置を備える。図１を参照して、本実施の形態におけるＳＯＸ吸蔵量の検出装置は、電子制御ユニット３０を含む。
図４に、機関回転数と要求トルクとを関数にするＮＯＸ吸蔵還元触媒に単位時間に吸蔵されるＳＯＸ量のマップを示す。機関回転数Ｎと要求トルクＴＱを特定することにより、単位時間にＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されるＳＯＸ量ＳＯＸＺを求めることができる。このマップは、例えば電子制御ユニット３０のＲＯＭ３２に記憶されている。運転を継続するとともに、所定の期間毎に、マップから単位時間当りに吸蔵されるＳＯＸ量を求める。ＳＯＸ吸蔵量は、例えばＲＡＭ３３に保存される。前回の硫黄被毒回復処理の終了時に残存するＳＯＸ吸蔵量を考慮して、算出されたＳＯＸ吸蔵量を積算することにより、任意の時刻におけるＳＯＸ吸蔵量を検出することができる。
通常の運転中に吸蔵されるＳＯＸ量の検出装置としては、この形態に限られず、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されるＳＯＸ量を検出できる任意の装置を採用することができる。
図５に、硫黄被毒回復処理を行うときのタイムチャートを示す。時刻ｔ０において、ＮＯＸ吸蔵還元触媒のＳＯＸ吸蔵量が許容値に達している。時刻ｔ０から、硫黄被毒回復処理を開始している。時刻ｔ０からＮＯＸ吸蔵還元触媒を昇温する昇温制御を行う。図１を参照して、昇温制御は、例えば、燃焼室２に燃料を噴射する燃料噴射弁３を制御することにより行う。燃焼室２において、圧縮上死点の近傍で行われる主噴射の噴射時期を遅くすることにより、排気ガスの温度を上昇させることができる。さらに、主噴射の後の燃料の燃焼が可能な時期に、補助噴射としてのアフター噴射を行うことにより、排気ガスの温度を上昇させることができる。排気ガスの温度が上昇することにより、ＮＯＸ吸蔵還元触媒を昇温することができる。
時刻ｔｓにおいて、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の床温が、ＳＯＸの放出が可能な目標温度に到達している。時刻ｔｓからＳＯＸ放出制御を行う。本実施の形態のＳＯＸ放出制御においては、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の床温を略一定の温度に維持する。さらに、ＳＯＸ放出制御においては、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにする。
本実施の形態においては、上記のアフター噴射の噴射量を増量することにより、排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにしている。このときに、機関吸気通路に配置されているスロットル弁１０を絞っても構わない。または、主噴射の後の燃料の燃焼が不可能な時期に、補助噴射としてのポスト噴射を行うことにより、排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにすることができる。ポスト噴射は、アフター噴射の噴射時期よりも後に行なわれる噴射である。ＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにすることにより、ＳＯＸを放出させることができる。
ＮＯＸ吸蔵還元触媒を昇温する装置とＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御する装置については、この形態に限られず、任意の装置を採用することができる。
時刻ｔｅにて、ＳＯＸ吸蔵量がＳＯＸ放出制御を終了するための判定値に達している。時刻ｔｅにて、ＳＯＸ放出制御を終了するとともに、硫黄被毒回復処理を終了している。
ＳＯＸ放出制御を行なっているときに、ＮＯＸ吸蔵還元触媒からＳＯＸが放出される速度は、次式で表される。ＳＯＸ放出速度Ｒは、温度Ｔ、現在の時刻のＳＯＸ吸蔵量Ｓ、およびＮＯＸ吸蔵触媒に流入する還元剤ＣＯの関数になる。還元剤には、未燃燃料および一酸化炭素が含まれる。
Ｒ＝ｆ（Ｔ，Ｓ，ＣＯ）  …（１）
ＳＯＸ放出速度Ｒは、例えば、具体的に次の式で表すことができる。次式は、アレニウスの式を応用したものである。
Ｒ＝Ａ×ｅｘｐ（−Ｅａ／ＲＴ）×［ＳＯＸ］［ＣＯ］  …（２）
ここで、係数Ａは、頻度因子であり、また物性値である。Ａは実験的に求めることができる。定数Ｅａは、活性化エネルギーであり、また既知の物性である。変数Ｔは、絶対温度である。係数Ｒは、気体定数である。変数［ＳＯＸ］は、硫酸塩の濃度を示す。変数［ＣＯ］は、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入する還元剤の濃度を示している。
式（２）は、例えば温度が高いほどＳＯＸ放出速度が大きくなり、ＳＯＸ吸蔵量が多いほど、ＳＯＸ放出速度が大きくなることを示している。さらに、還元剤の量が多くなるほど、ＳＯＸ放出速度が大きくなることを示している。
発明者らは、硫黄被毒回復処理を行ってもＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＳＯＸの全てを放出させることができない場合があることを見出した。本発明においては、硫黄被毒回復処理を行っても最終的に残留するＳＯＸ量を残留ＳＯＸ吸蔵量という。
図６に、ＮＯＸ吸蔵還元触媒のＳＯＸ吸蔵量とＳＯＸ放出速度との関係を説明するグラフを示す。横軸が、ＮＯＸ吸蔵還元触媒のＳＯＸ吸蔵量であり、縦軸がＳＯＸ放出速度である。図６には、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の床温が６５０℃、６２０℃または５８０℃で、ＳＯＸ放出制御を行ったときの例を示している。ＳＯＸ吸蔵量が多いほどＳＯＸ放出速度が大きいことが分かる。
ＮＯＸ吸蔵還元触媒の床温が６５０℃のときには、ＳＯＸ吸蔵量がほぼ零になるまでＳＯＸ放出速度が零よりも大きいことが分かる。すなわち、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の床温が６５０℃のときには、吸蔵されているほぼ全てのＳＯＸを放出することができる。これに対して、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の床温が低くなるにつれて、ＮＯＸ吸蔵還元触媒にＳＯＸが残存しているにも関わらず、ＳＯＸ放出速度が零になる場合が発現している。この様に、所定の温度以下では、ＳＯＸ放出制御を行なってもＮＯＸ吸蔵還元触媒にＳＯＸが残留する。
図７に、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の床温と残留ＳＯＸ吸蔵量の関係を説明するグラフを示す。横軸は、ＳＯＸ放出制御を行なっているときのＮＯＸ吸蔵還元触媒の床温である。縦軸は、ＳＯＸ放出制御を行なっても最終的に残留する残留ＳＯＸ吸蔵量である。ＮＯＸ吸蔵還元触媒の温度が低いときには、残留ＳＯＸ吸蔵量が大きくなる。ＮＯＸ吸蔵還元触媒の温度が高くなるにしたがって、残留ＳＯＸ吸蔵量は小さくなる。このように、発明者は、ＳＯＸが完全に放出されずにＮＯＸ吸蔵還元触媒に残留する場合があることを明らかにした。また、発明者は、残留ＳＯＸ吸蔵量は、ＳＯＸ放出制御を行っているときのＮＯＸ吸蔵還元触媒の温度に依存することを明らかにした。
図８に、ＳＯＸ放出制御を行なっているときに、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＳＯＸ量を模式的に示す。時刻ｔｓは、ＳＯＸ放出制御を開始したときの時刻である。時刻ｔｅは、ＳＯＸ放出制御を終了した時刻である。本実施の形態においては、ＳＯＸ吸蔵量が、残留ＳＯＸ吸蔵量になる時を終了の時刻ｔｅとしている。時刻ｔ１は、ＳＯＸ放出制御を行っているときの任意の時刻である。
全体のＮＯＸ吸蔵可能量Ｑｔｏｔａｌは、ＮＯＸ吸蔵還元触媒がＮＯＸを吸蔵することができる最大量である。ＮＯＸ吸蔵還元触媒は、ＮＯＸを吸蔵するとともにＳＯＸが吸蔵される。時刻ｔｓでは、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に初期のＳＯＸ吸蔵量Ｓ０のＳＯＸが吸蔵されている。ＳＯＸ放出制御を行うことにより、ＳＯＸが放出される。時刻ｔ１でのＳＯＸ吸蔵量Ｓｔ１は、初期のＳＯＸ吸蔵量Ｓ０よりも小さくなる。本実施の形態においては、ＳＯＸ吸蔵量が残留ＳＯＸ吸蔵量Ｓｅに達したことを検出してＳＯＸ放出制御を終了する。
本実施の形態においては、ＮＯＸ吸蔵還元触媒からＳＯＸが放出される量であるＳＯＸ放出量を精度良く算出する。ＮＯＸ吸蔵還元触媒のＳＯＸ吸蔵量Ｓｔ１が、残留ＳＯＸ吸蔵量Ｓｅになる時刻ｔｅを精度良く検出する。
本実施の形態においては、ＳＯＸ放出制御を行なっているときに、所定の間隔ごとにＳＯＸ放出速度を算出する。算出されたＳＯＸ放出速度に所定の間隔を乗じることにより、所定の間隔において放出されるＳＯＸ量を算出することができる。算出されたＳＯＸ放出量を積算することにより、ＳＯＸ放出制御の開始から任意の時刻までの積算ＳＯＸ放出量Ｍｔ１を算出することができる。初期のＳＯＸ吸蔵量Ｓ０から積算ＳＯＸ放出量Ｍｔ１を減算することにより、任意の時刻におけるＳＯＸ吸蔵量Ｓｔ１を算出することができる。
本実施の形態においては、最終的に残存する残留ＳＯＸ吸蔵量Ｓｅを考慮して、ＳＯＸ放出速度を算出する。本実施の形態においては、ＳＯＸ放出速度Ｒを算出するときに、ＮＯＸ吸蔵還元触媒のＳＯＸ吸蔵量Ｓｔ１を用いて、次の式（３）により補正を行ったＳＯＸ吸蔵量Ｓｔ１＊を算出する。
Ｓｔ１＊＝Ｓｔ１×（１−Ｓｅ／Ｓｔ１）
＝Ｓｔ１−Ｓｅ  …（３）
例えば、上記の式（１）または式（２）において、現在の時刻におけるＳＯＸ吸蔵量Ｓｔ１の代わりに、補正後のＳＯＸ吸蔵量Ｓｔ１＊を代入することにより、ＳＯＸ放出速度を算出する。すなわち、時刻ｔ１におけるＳＯＸ放出速度Ｒｔ１は、式（１）を変形して、次式で表すことができる。
Ｒｔ１＝ｆ（Ｔｔ１，Ｓｔ１＊，ＣＯｔ１）  …（４）
このように、各時刻のＳＯＸ吸蔵量と残留ＳＯＸ吸蔵量との差に基づいて、各時刻のＳＯＸ放出速度を算出する。
図９に、本実施の形態におけるＳＯＸ放出制御を行なっているときのフローチャートを示す。ＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＳＯＸ量が許容値を超えて硫黄被毒回復処理を開始する。昇温制御を行った後に、ステップ１０１においてＳＯＸ放出制御を開始している。
次に、ステップ１０２において、残留ＳＯＸ吸蔵量Ｓｅを検出する。はじめに、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の温度を検出する。図１を参照して、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１７の温度は、例えば、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１７の下流に配置されている温度センサ２６によって検出することができる。前述のように、残留ＳＯＸ吸蔵量は、温度に依存する。本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の温度を関数にする残留ＳＯＸ吸蔵量のマップを備える。残留ＳＯＸ吸蔵量のマップは、例えば、電子制御ユニット３０のＲＯＭ３２に記憶されている。ＮＯＸ吸蔵還元触媒１７の温度とマップにより、残留ＳＯＸ吸蔵量Ｓｅを検出する。
次に、ステップ１０３において、現在の時刻ｔ１におけるＳＯＸ吸蔵量Ｓｔ１を読み込む。ＳＯＸ放出制御を開始した直後には、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されている初期のＳＯＸ吸蔵量Ｓ０が現在の時刻のＳＯＸ吸蔵量Ｓｔ１になる。
次に、ステップ１０４において、ＳＯＸ放出速度を計算するために、補正を行ったＳＯＸ吸蔵量Ｓｔ１＊を算出する。時刻ｔ１におけるＳＯＸ吸蔵量Ｓｔ１と、残留ＳＯＸ吸蔵量Ｓｅを用いて、式（３）により補正後のＳＯＸ吸蔵量Ｓｔ１＊を算出することができる。
次に、ステップ１０５において、補正後のＳＯＸ吸蔵量Ｓｔ１＊を用いて、例えば、式（４）により、時刻ｔ１におけるＳＯＸ放出速度Ｒｔ１を算出する。
または、式（２）によりＳＯＸ放出速度を算出する場合には、補正後のＳＯＸ吸蔵量Ｓｔ１＊から硫酸塩の濃度［ＳＯＸ］を求めて、ＳＯＸ放出速度Ｒｔ１を算出することができる。還元剤の濃度［ＣＯ］は、たとえば、燃料室に噴射される燃料の量、吸入空気流量および排気ガスの温度等から算出することができる。
次に、ステップ１０６において、微小時間Δｔの間のＳＯＸ放出量ΔＭｔを算出する。
ΔＭｔ＝Ｒｔ１×Δｔ  …（５）
微小時間Δｔは、任意の時間を採用することができる。微小時間Δｔは、ＳＯＸ放出速度を算出する間隔の長さである。微小時間Δｔは、ＳＯＸ放出速度を算出してから次のＳＯＸ放出速度を算出するまでの時間である。
次に、ステップ１０７において、現在のＳＯＸ吸蔵量から微小時間ΔｔのＳＯＸ放出量ΔＭｔを減算することにより、新たなＳＯＸ吸蔵量を算出することができる。
次に、ステップ１０８において、算出されたＳＯＸ吸蔵量Ｓｔ１が、残留ＳＯＸ吸蔵量Ｓｅ以下か否かが判別される。ＳＯＸ吸蔵量Ｓｔ１が、残留ＳＯＸ吸蔵量Ｓｅよりも大きい場合には、ステップ１０３に戻って、この計算を繰り返す。このように、任意の時刻ｔ１におけるＳＯＸ吸蔵量Ｓｔ１を算出することができる。
ステップ１０８において、ＳＯＸ吸蔵量Ｓｔ１が、残留ＳＯＸ吸蔵量Ｓｅ以下の場合には、ステップ１０９に移行してＳＯＸ放出制御を終了する。このように、ＳＯＸ吸蔵量が、残留ＳＯＸ吸蔵量に到達することを検出する。
図１０に、本実施の形態における計算方法により算出したＳＯＸ放出速度のグラフと、残留ＳＯＸ吸蔵量を考慮しないで計算を行った比較例のグラフとを示す。また、図１０には、実験によりＳＯＸ放出速度を計測した実測例の点を示している。
比較例においては、式（３）に示すＳＯＸ吸蔵量Ｓｔ１の補正を行わないで計算を行っている。比較例のグラフにおいては、ＮＯＸ吸蔵還元触媒のＳＯＸ吸蔵量が零になるまで、ＳＯＸ放出速度を有する。これに対して、本実施の形態における計算例では、ＮＯＸ吸蔵還元触媒のＳＯＸ吸蔵量が残留ＳＯＸ吸蔵量になると、ＳＯＸ放出速度が零になる。本実施の形態の計算例は、実測例と良く一致していることが分かる。
本実施の形態においては、今回のＳＯＸ放出制御の残留ＳＯＸ吸蔵量に基づいて、今回のＳＯＸ放出制御における各時刻のＳＯＸ放出速度を算出している。この構成を採用することにより、ＳＯＸ放出制御を行っても残存するＳＯＸが考慮され、精度良くＳＯＸ放出速度を算出することができる。特に、本実施の形態においては、今回のＳＯＸ放出制御における各時刻のＳＯＸ吸蔵量と、残留ＳＯＸ吸蔵量との差に基づいて、各時刻のＳＯＸ放出速度を算出している。この構成により、簡易な制御で精度良くＳＯＸ放出速度を算出することができる。
また、本実施の形態においては、それぞれの時刻毎にＳＯＸ放出速度を算出しているために、ＮＯＸ吸蔵還元触媒からのＳＯＸ放出量を精度良く算出することができる。または、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に残存しているＳＯＸ吸蔵量を精度良く算出することができる。ＳＯＸ放出制御の終了時刻を精度良く判別することができる。この結果、ＳＯＸ放出制御を行なう時間が必要以上に長くなることを回避できる。ＮＯＸ吸蔵還元触媒の熱劣化を抑制することができる。または、燃焼室で補助噴射を行うときに、必要以上に燃料が消費されることを回避できる。
本実施の形態においては、ＳＯＸ吸蔵量が残留ＳＯＸ吸蔵量になるときにＳＯＸ放出制御を終了しているが、この形態に限られず、任意のＳＯＸ吸蔵量でＳＯＸ放出制御を終了させることができる。
また、ＳＯＸ放出速度を算出する式は、上記の式（２）に限られず、ＳＯＸ放出速度を計算する任意の式（１）に本実施の形態における式（３）の補正項を適用することができる。また、ＳＯＸ放出速度の補正については、この形態に限られず、残留ＳＯＸ吸蔵量を考慮した任意の補正を採用することができる。
硫黄被毒回復処理は、ＮＯＸ吸蔵触媒に吸蔵されるＳＯＸ量が増加して、許容値に達するごとに行われる。複数回の硫黄被毒回復処理を行う場合に、ＳＯＸ放出制御を行うときのＮＯＸ吸蔵還元触媒の温度は、それぞれの回ごとに変化させても構わない。
実施の形態２
図１、図６、図８および図１１から図１５を参照して、実施の形態２における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態においては、ＳＯＸ放出速度を算出する式に補正を加える。
図６を参照して、ＮＯＸ吸蔵触媒のＳＯＸ吸蔵量が減少するに従ってＳＯＸ放出速度が減少する。このときのＳＯＸ放出速度の減少の傾向は、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の床温によって異なることが分かる。例えば、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の床温が６５０℃のときには、ＳＯＸ放出速度のグラフは直線的になる。ところが、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の床温が低くなると、ＳＯＸ放出速度のグラフは曲線になる。ＮＯＸ吸蔵還元触媒の床温が低いときには、ＳＯＸの放出を開始した後に、急激にＳＯＸ放出速度が減少し、その後に、緩やかにＳＯＸ放出速度が減少していく傾向を有する。本実施の形態においては、この傾向を算出するための補正項を、ＳＯＸ放出速度を算出する式に盛り込む。
図１１は、本実施の形態におけるＮＯＸ吸蔵還元触媒の拡大概略図を示す。図１１は、ＳＯＸ吸蔵量が残留ＳＯＸ吸蔵量になるまでＳＯＸ放出制御を行ったときの拡大概略図である。ＮＯＸ吸蔵還元触媒には、触媒金属４６が含まれる。ＳＯＸ５０は、硫酸塩の形態でＮＯＸ吸収剤に含まれている。ＳＯＸ放出制御を行なうと、触媒金属４６の近傍においては、多くのＳＯＸ５０が放出されている。ところが、触媒金属４６から所定の距離を空けた位置においてはＳＯＸ５０が多く残留している。触媒金属４６から離れることにより、徐々に残留するＳＯＸが増加することが分かる。
図１２に、本実施の形態におけるＮＯＸ吸蔵還元触媒の他の拡大概略図を示す。図１２は、図１１におけるＮＯＸ吸蔵還元触媒の温度よりも低温でＳＯＸ放出制御を行ったときの拡大概略図である。ＮＯＸ吸蔵還元触媒の床温を低温にしてＳＯＸ放出制御を行なうことにより、放出されるＳＯＸ５０が減少する。触媒金属４６の近傍においてもＳＯＸ５０が残留している。この例の場合にも、触媒金属４６から離れることにより、徐々に残留するＳＯＸが増加することが分かる。
図１１および図１２を参照して、ＳＯＸ放出制御を行うと触媒金属４６を中心にＳＯＸの放出が行なわれることが分かる。また、ＳＯＸが完全に放出されている触媒金属４６からの距離は、ＮＯＸ吸蔵還元触媒が高温になるほど長くなることが分かる。このように、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の温度が高いほど、触媒金属４６から離れている位置のＳＯＸを放出できることが分かる。本実施の形態においては、触媒金属４６からの距離を用いてＳＯＸの放出をモデル化する。
図１３に、ＳＯＸの放出をモデル化した概略図を示す。本実施の形態における第１の放出モデルにおいては、触媒金属４６を中心に円を画定する。円の面積をＳＯＸ放出量に対応させる。
触媒金属４６を中心として、第１の半径としての半径ｒ１の円を画定する。また、触媒金属４６を中心として、第２の半径としての半径ｒ２の円を画定する。この放出モデルにおいて、ＳＯＸの放出は、触媒金属４６から外側に向かって進行する。触媒金属４６を中心とする半径ｒ１の円の内部は、ＳＯＸを放出することができる領域に相当する。触媒金属４６を中心とする半径ｒ１の円の外側は、ＳＯＸを放出することができずにＳＯＸが残留する領域に相当する。半径ｒ１は、ＳＯＸ放出制御を行っているときのＮＯＸ吸蔵還元触媒の床温に依存する。半径ｒ２の円の内部は、任意の時刻までにＳＯＸを放出した領域である。半径ｒ２は、ＳＯＸ放出制御が進行するにつれて次第に大きくなる。半径ｒ２は、半径ｒ１まで大きくなることができる。
図１３の放出モデルを考えたときに、還元反応に関与できる硫酸塩ＢａＳＯ４の濃度を以下の式により算出する。
［ＢａＳＯ４］＊＝［ＢａＳＯ４］（１−ｒ２／ｒ１）…（６）
硫酸塩の濃度に補正項（１−ｒ２／ｒ１）の項を乗じて、補正後の硫酸塩の濃度を算出している。同様に、補正後のＳＯＸ放出速度Ｒｔ１＊は、補正前のＳＯＸ放出速度Ｒｔ１を用いて次式で表される。
Ｒｔ１＊＝Ｒｔ１×（１−ｒ２／ｒ１）…（７）
式（７）は、半径ｒ２が半径ｒ１に近づくにつれて、ＳＯＸ放出速度が零に近づくことを示している。すなわち、ＳＯＸ吸蔵量Ｓｔ１が残留ＳＯＸ吸蔵量Ｓｅに近づくにつれて、ＳＯＸ放出速度が零に近づくことを示している。また、式（７）は、同じ半径ｒ２の値であっても、半径ｒ１が大きいと、補正後のＳＯＸ放出速度Ｒｔ１＊が大きくなることを示している。すなわち、ＳＯＸ吸蔵量Ｓｔ１が同じであっても、ＮＯＸ吸蔵還元触媒が高温の場合には、補正後のＳＯＸ放出速度Ｒｔ１＊が大きくなることを示している。また、補正後のＳＯＸ放出速度Ｒｔ１＊は、半径ｒ１が大きい場合には、ＳＯＸ吸蔵量の減少に伴って直線的に減少することを示している。
次に、式（７）に含まれる半径ｒ１と半径ｒ２との比を算出する。本実施の形態における第１の放出モデルにおいては、ＳＯＸ放出量を、図１３に示す円の面積に対応させる。すなわち、ＳＯＸ放出量は、次式で与えられる。
πｒ２∝ＳＯＸ放出量  …（８）
図８および図１３を参照して、半径ｒ１の円の面積は、放出可能なＳＯＸ量（最終的なＳＯＸ放出量）Ｍｅに対応する。放出可能なＳＯＸ量Ｍｅは、ＳＯＸ放出制御を開始したときのＳＯＸ吸蔵量Ｓ０から残留ＳＯＸ吸蔵量Ｓｅを減算した値である。また、半径ｒ２の円の面積は、時刻ｔｓから時刻ｔ１までに放出した積算ＳＯＸ放出量Ｍｔ１に対応する。（８）式により、半径ｒ１を算出することができる。
πｒ１２∝Ｍｅ…（９）
πｒ１２＝ｋＭｅ（ｋ：定数）
ｒ１＝（ｋ／π×Ｍｅ）１／２  …（１０）
次に、半径ｒ１の導出と同様に、（８）式により半径ｒ２を算出することができる。
πｒ２２∝Ｍｔ１  …（１１）
πｒ２２＝ｋＭｔ１（ｋ：定数）
ｒ２＝（ｋ／π×Ｍｔ１）１／２  …（１２）
式（１０）と式（１２）とから、半径ｒ１と半径ｒ２との比を次式のように算出することができる。
ｒ２／ｒ１＝（Ｍｔ１／Ｍｅ）１／２  …（１３）
このように、半径ｒ１と半径ｒ２との比は、放出可能なＳＯＸ量Ｍｅと、時刻ｔｓから時刻ｔ１までの間に放出した積算ＳＯＸ放出量Ｍｔ１とにより算出することができる。更に、式（１３）にて算出された値を式（７）に代入することにより、補正後のＳＯＸ放出速度Ｒｔ１＊を算出することができる。
Ｒｔ１＊＝Ｒｔ１×（１−（Ｍｔ１／Ｍｅ）１／２）…（１４）
図１４に、本実施の形態における第１の放出モデルにて計算を行った結果のグラフを示す。横軸は、ＮＯＸ吸蔵還元触媒のＳＯＸ吸蔵量であり、縦軸がＳＯＸ放出速度である。ＳＯＸ吸蔵量が多いときには、ＳＯＸ吸蔵量の減少と共にＳＯＸ放出速度が大きく減少する傾向が示されている。ＳＯＸ吸蔵量が少なくなると、ＳＯＸ吸蔵量の減少と共にＳＯＸ放出速度が小さく減少する傾向が示されている。また、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の床温が高いほど、この傾向が大きくなり、グラフが曲線になることが示されている。
このように、第１の放出モデルにおいては、算出されたＳＯＸ放出速度を、半径ｒ１および半径ｒ２に基づいて補正することにより、精度良くＳＯＸ放出速度を算出することができる。
図１５に、本実施の形態におけるＳＯＸ放出制御を行なっているときのフローチャートを示す。ステップ１０１においてＳＯＸ放出制御を開始している。ステップ１０２において、残留ＳＯＸ吸蔵量Ｓｅを検出する。ステップ１０１およびステップ１０２は、実施の形態１と同様である。
次に、ステップ１１１において、初期のＳＯＸ吸蔵量Ｓ０から残留ＳＯＸ吸蔵量Ｓｅを減算することにより、放出可能なＳＯＸ量Ｍｅを算出する（図８参照）。次に、ステップ１０３において、現在の時刻ｔ１におけるＳＯＸ吸蔵量Ｓｔ１を検出する。
次に、ステップ１１２において、検出されたＳＯＸ吸蔵量Ｓｔ１を用いて、式（１）により補正前のＳＯＸ放出速度Ｒｔ１を算出する。また、ステップ１１３において、初期のＳＯＸ吸蔵量Ｓ０から時刻ｔ１におけるＳＯＸ吸蔵量Ｓｔ１を減算することにより、積算ＳＯＸ放出量Ｍｔ１を算出する。
次に、ステップ１１４において、補正後のＳＯＸ放出速度Ｒｔ１＊を算出する。放出可能なＳＯＸ量Ｍｅおよび積算ＳＯＸ放出量Ｍｔ１を用いて、上記の式（１４）により、補正後のＳＯＸ放出速度Ｒｔ１＊を算出することができる。
次に、ステップ１１５において、補正後のＳＯＸ放出速度Ｒｔ１＊を用いて、微小時間ΔｔのＳＯＸ放出量（ΔＭｔ）を算出する。次に、ステップ１０７において、現在のＳＯＸ吸蔵量から放出されるＳＯＸ量を差し引くことにより、新たなＳＯＸ吸蔵量を算出することができる。ステップ１０７からステップ１０９は、実施の形態１と同様である。
このように、本実施の形態においては、補正後のＳＯＸ放出速度の式を用いてＳＯＸ放出量を算出することにより、より正確なＳＯＸ放出量を算出することができる。または、ＮＯＸ吸蔵触媒に吸蔵されているＳＯＸ吸蔵量を精度良く算出することができる。
次に、本実施の形態における第２の放出モデルについて説明する。本実施の形態おける第２の放出モデルにおいては、触媒金属４６を中心に球を画定する。すなわち、第１の放出モデルで画定したＳＯＸの放出範囲を円ではなく球とする。第２の放出モデルにおいては、ＳＯＸ放出量を、球の体積に対応させる。すなわち、ＳＯＸ放出量は、次式で与えられる。
（４／３）πｒ３∝ＳＯＸ放出量  …（１５）
第２の放出モデルにおいては、第１の半径としての半径ｒ１の球の体積が、放出可能なＳＯＸ量Ｍｅに対応する。第２の半径としての半径ｒ２の球の体積が、時刻ｔｓから時刻ｔ１までに放出した積算ＳＯＸ放出量Ｍｔ１に対応する。（１５）式を用いて、以下の式を導出することができる。
（４／３）πｒ１３＝ｋＭｅ（ｋ：定数）  …（１６）
（４／３）πｒ２３＝ｋＭｔ１（ｋ：定数）  …（１７）
式（１６）と式（１７）とから、半径ｒ１と半径ｒ２との比を次式のように算出することができる。
ｒ２／ｒ１＝（Ｍｔ１／Ｍｅ）１／３  …（１８）
半径ｒ１と半径ｒ２との比は、放出可能なＳＯＸ量Ｍｅと、時刻ｔｓから時刻ｔ１までの間に放出した積算ＳＯＸ放出量Ｍｔ１とにより算出することができる。更に、式（１８）を式（７）に代入することにより、補正後のＳＯＸ放出速度Ｒｔ１＊を算出することができる。
Ｒｔ１＊＝Ｒｔ１×（１−（Ｍｔ１／Ｍｅ）１／３）…（１９）
第２の放出モデルにおいても、算出されたＳＯＸ放出速度を、半径ｒ１および半径ｒ２に基づいて補正することにより、精度良くＳＯＸ放出速度を算出することができる。また、補正後のＳＯＸ放出速度の式を用いてＳＯＸ放出量を算出することにより、より正確なＳＯＸ放出量を算出することができる。または、ＮＯＸ吸蔵触媒に吸蔵されているＳＯＸ吸蔵量を精度良く算出することができる。
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
実施の形態３
図１、図７、図８および図１６から図１８を参照して、実施の形態３における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態においては、実施の形態２において説明したＳＯＸ放出速度の補正項を、ＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵可能量を用いて算出する。すなわち、半径ｒ１と半径ｒ２との比を、ＮＯＸを吸蔵することができる量を示すＮＯＸ吸蔵可能量から算出する。
図１６に、硫黄被毒回復処理において、ＳＯＸ放出制御を行なっているときのＮＯＸ吸蔵可能量を模式的に示す。時刻ｔｓは、ＳＯＸ放出制御を開始したときの時刻であり、時刻ｔｅは、ＳＯＸ放出制御を終了した時刻である。本実施の形態においては、ＳＯＸ吸蔵量が残留ＳＯＸ吸蔵量になるときを終了の時刻ｔｅとしている。時刻ｔ１は、ＳＯＸ放出制御を行っているときの任意の時刻である。
ＮＯＸ吸蔵還元触媒は、時刻ｔｓにおいて初期のＮＯＸ吸蔵可能量Ｑ０を有する。ＳＯＸ放出制御を行うことによりＳＯＸが放出される。時刻ｔ１でのＮＯＸ吸蔵可能量Ｑｔ１は、初期のＮＯＸ吸蔵可能量Ｑ０よりも大きくなる。すなわち、ＮＯＸ吸蔵可能量が回復している。ＳＯＸ吸蔵量が残留ＳＯＸ吸蔵量ＳｅになるまでＳＯＸの放出を行ったときには、ＮＯＸ吸蔵可能量が最終的なＮＯＸ吸蔵可能量Ｑｅになる。
本実施の形態における第１の放出モデルにおいては、実施の形態２における第１の放出モデルと同様に、触媒金属４６を中心に円を画定する。円の面積をＳＯＸ放出量に対応させる（図１３参照）。更に、本実施の形態においては、ＳＯＸ放出量をＮＯＸ回復量に置き換えて、半径ｒ１および半径ｒ２の比を算出する。半径ｒ１および半径ｒ２の比は、次式になる。
ｒ２／ｒ１＝（Ｎｔ１／Ｎｅ）１／２  …（２０）
ここで、変数Ｎｅは、時刻ｔｓからＳＯＸ吸蔵量が残留ＳＯＸ吸蔵量ＳｅになるまでＳＯＸ放出制御を行ったときの回復量を示す回復可能なＮＯＸ吸蔵可能量（最終的なＮＯＸ回復量）である。変数Ｎｔ１は、時刻ｔｓから時刻ｔ１までに回復したＮＯＸ吸蔵可能量であり、ＮＯＸ回復量という。
図１７に、最終的なＮＯＸ吸蔵可能量と、ＳＯＸ放出制御を行なうときのＮＯＸ吸蔵還元触媒の床温との関係を説明するグラフを示す。ＮＯＸ吸蔵還元触媒の温度が高くなるに従って、最終的なＮＯＸ吸蔵可能量Ｑｅは大きくなることが分かる。図７に示したように、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の温度が高くなることにより、残留ＳＯＸ吸蔵量Ｓｅが小さくなるために、この傾向が発現する。
本実施の形態においては、図１７に示す関係に基づいて、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の床温を関数にする最終的なＮＯＸ吸蔵可能量Ｑｅのマップを予め作成して、電子制御ユニット３０に記憶させておく。ＮＯＸ吸蔵還元触媒の温度を検出して、ＮＯＸ吸蔵可能量のマップを用いることにより、最終的なＮＯＸ吸蔵可能量Ｑｅを検出することができる。
または、最終的なＮＯＸ吸蔵可能量Ｑｅは、全体のＮＯＸ吸蔵可能量Ｑｔｏｔａｌから残留ＳＯＸ吸蔵量Ｓｅに相当する量を減算して算出することができる。全体のＮＯＸ吸蔵可能量Ｑｔｏｔａｌは、予め電子制御ユニット３０に記憶させておく。残留ＳＯＸ吸蔵量Ｓｅは、例えば温度を関数とする残留ＳＯＸ吸蔵量のマップから検出することができる。全体のＮＯＸ吸蔵可能量Ｑｔｏｔａｌと残留ＳＯＸ吸蔵量Ｓｅとにより、最終的なＮＯＸ吸蔵可能量Ｑｅを算出することができる。
最終的なＮＯＸ吸蔵可能量Ｑｅから初期のＮＯＸ吸蔵可能量Ｑ０を減算することにより、回復可能なＮＯＸ吸蔵可能量Ｎｅを算出することができる。初期のＮＯＸ吸蔵可能量Ｑ０は、最終的なＮＯＸ吸蔵可能量Ｑｅから初期のＳＯＸ吸蔵量Ｓ０を減算することにより算出することができる。
図１８に、ＳＯＸ吸蔵量に対するＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵可能量のグラフを示す。ＳＯＸ吸蔵量が多くなるほど、ＮＯＸ吸蔵可能量が小さくなることが分かる。図１８に示す関係に基づいて、ＳＯＸ吸蔵量を関数にするＮＯＸ吸蔵可能量のマップを予め作成しておいて電子制御ユニット３０に記憶させる。任意の時刻ｔ１におけるＳＯＸ吸蔵量Ｓｔ１を算出することにより、時刻ｔ１におけるＮＯＸ吸蔵可能量Ｑｔ１を検出することができる。時刻ｔ１におけるＮＯＸ吸蔵可能量Ｑｔ１からＳＯＸ放出制御を開始したときの初期のＮＯＸ吸蔵可能量Ｑ０を減算することにより、時刻ｔ１におけるＮＯＸ回復量Ｎｔ１を算出することができる。
または、図１６および図８を参照して、ＮＯＸ回復量Ｎｔ１は、積算ＳＯＸ放出量Ｍｔ１に対応する。時刻ｔ１までの積算ＳＯＸ放出量Ｍｔ１から、時刻ｔ１までのＮＯＸ回復量Ｎｔ１を算出することができる。または、図１５に示すフローチャートのステップ１１５において、Δｔの間のＳＯＸ放出量からΔｔの間に回復したＮＯＸ回復量を算出し、このＮＯＸ回復量を積算することにより時刻ｔ１までのＮＯＸ回復量Ｎｔ１を算出しても構わない。
算出された回復可能なＮＯＸ吸蔵可能量ＮｅとＮＯＸ回復量Ｎｔ１とを式（２０）に代入することにより、半径ｒ１と半径ｒ２との比を算出することができる。半径ｒ１と半径ｒ２との比を式（７）に代入することにより、補正後のＳＯＸ放出速度Ｒｔ１＊を算出することができる。
次に、本実施の形態における第２の放出モデルについて説明する。本実施の形態における第２の放出モデルにおいては、実施の形態２の第２の放出モデルと同様に、触媒金属４６を中心に球を画定する。球の体積をＳＯＸ放出量に対応させる。更に、ＳＯＸ放出量をＮＯＸ回復量に置き換えて、半径ｒ１および半径ｒ２の比を算出する。
本実施の形態における第２の放出モデルの場合には、次式により半径ｒ１と半径ｒ２との比を求めることができる。
ｒ２／ｒ１＝（Ｎｔ１／Ｎｅ）１／３  …（２１）
式（２１）にて算出された値を式（７）に代入することにより、補正後のＳＯＸ放出速度Ｒｔ１＊を算出することができる。
本実施の形態においては、精度良くＳＯＸ放出速度を算出することができる。補正後のＳＯＸ放出速度の式を用いてＳＯＸ放出量を算出することにより、より正確なＳＯＸ放出量を算出することができる。または、ＮＯＸ吸蔵触媒に吸蔵されているＳＯＸ吸蔵量を精度良く算出することができる。
また、本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置は、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＳＯＸ量を、ＮＯＸ量に置き換えて管理および制御することができる。
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１または２と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、請求の範囲に含まれる変更が意図されている。
【図１】
2010128562.tif 000003
【図２】
2010128562.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2010128562.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年2月22日(2011.2.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時には排気ガス中に含まれるＮＯＸを吸蔵し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯＸを放出するＮＯＸ触媒装置を配置し、ＮＯＸ触媒装置に吸蔵されたＳＯＸ量が予め定められた許容量を超えたときに、ＮＯＸ触媒装置の温度をＳＯＸ放出可能な温度まで上昇させた後に、ＮＯＸ触媒装置に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにするＳＯＸ放出制御により吸蔵されたＳＯＸを放出させる内燃機関の排気浄化装置であって、
ＮＯＸ触媒装置は、ＳＯＸ放出制御を行っているときのＮＯＸ触媒装置の温度に依存して、ＳＯＸ放出制御を行っても最終的に残留する残留ＳＯＸ吸蔵量を有し、
今回のＳＯＸ放出制御において、各時刻のＳＯＸ吸蔵量と今回のＳＯＸ放出制御の残留ＳＯＸ吸蔵量との差に基づいて、各時刻のＳＯＸ放出速度を算出することを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
ＳＯＸ放出制御の各時刻において算出したＳＯＸ放出速度に基づき、ＳＯＸ放出制御を開始してから現時刻までに放出された積算ＳＯＸ放出量を算出し、
ＳＯＸ放出制御を開始したときのＳＯＸ吸蔵量から前記残留ＳＯＸ吸蔵量を減算した放出可能なＳＯＸ量が第１の半径の円の面積に対応するとしたときに、前記積算ＳＯＸ放出量に対応する面積の円の半径が第２の半径として算出され、算出された現時刻のＳＯＸ放出速度を第１の半径と第２の半径との比に基づいて補正することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
ＮＯＸ触媒装置は、前記残留ＳＯＸ吸蔵量が残留したときにＮＯＸを吸蔵できる最終的なＮＯＸ吸蔵可能量を有し、
ＳＯＸ放出制御の各時刻において算出したＳＯＸ放出速度に基づき、ＳＯＸ放出制御を開始してから現時刻までに回復したＮＯＸ回復量を算出し、
前記最終的なＮＯＸ吸蔵可能量からＳＯＸ放出制御を開始したときのＮＯＸ吸蔵可能量を減算した回復可能なＮＯＸ吸蔵可能量が第１の半径の円の面積に対応するとしたときに、前記ＮＯＸ回復量に対応する面積の円の半径が第２の半径として算出され、算出された現時刻のＳＯＸ放出速度を第１の半径と第２の半径との比に基づいて補正することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
ＳＯＸ放出制御の各時刻において算出したＳＯＸ放出速度に基づき、ＳＯＸ放出制御を開始してから現時刻までに放出された積算ＳＯＸ放出量を算出し、
ＳＯＸ放出制御を開始したときのＳＯＸ吸蔵量から前記残留ＳＯＸ吸蔵量を減算した放出可能なＳＯＸ量が第１の半径の球の体積に対応するとしたときに、前記積算ＳＯＸ放出量に対応する体積の球の半径が第２の半径として算出され、算出された現時刻のＳＯＸ放出速度を第１の半径と第２の半径との比に基づいて補正することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
ＮＯＸ触媒装置は、前記残留ＳＯＸ吸蔵量が残留したときにＮＯＸを吸蔵できる最終的なＮＯＸ吸蔵可能量を有し、
ＳＯＸ放出制御の各時刻において算出したＳＯＸ放出速度に基づき、ＳＯＸ放出制御を開始してから現時刻までに回復したＮＯＸ回復量を算出し、
前記最終的なＮＯＸ吸蔵可能量からＳＯＸ放出制御を開始したときのＮＯＸ吸蔵可能量を減算した回復可能なＮＯＸ吸蔵可能量が第１の半径の球の体積に対応するとしたときに、前記ＮＯＸ回復量に対応する体積の球の半径が第２の半径として算出され、算出された現時刻のＳＯＸ放出速度を第１の半径と第２の半径との比に基づいて補正することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【国際調査報告】
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