(57)【要約】【課題】ＳＯxトラップ触媒の使用しうる期間を延ばす。【解決手段】ＮＯx吸蔵触媒１３上流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＳＯxを捕獲しうるＳＯxトラップ触媒１２を配置する。ＳＯxトラップ触媒１２によるＳＯxトラップ率が低下してきたときはＳＯxトラップ触媒１２に流入する排気ガス中に燃料を添加してＳＯxトラップ触媒１２内に空燃比が局所的にリッチとなる領域を形成し、この領域においてＳＯxトラップ触媒１２から放出されたＳＯxをＳＯxトラップ触媒１２の下流端から流出することなく下流側において再びＳＯxトラップ触媒１２内に捕獲させる。【選択図】図１
2008190445.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＳＯxを捕獲しうるＳＯxトラップ触媒を配置した内燃機関において、ＳＯxトラップ触媒のＳＯx捕獲能力を活用するためにＳＯxトラップ触媒の上流側に捕獲されているＳＯxを下流側に向けて移動すべきときにはＳＯxトラップ触媒に流入する排気ガス中の炭化水素の量を増大させてＳＯxトラップ触媒内に空燃比が局所的にリッチとなる領域を形成し、該領域においてＳＯxトラップ触媒から放出されたＳＯxがＳＯxトラップ触媒の下流端から流出することなく下流側において再びＳＯxトラップ触媒内に捕獲されるように炭化水素の増大量を設定し、それによりＳＯxトラップ率を回復してＳＯxトラップ触媒の延命を図るようにした内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
上記ＳＯxトラップ触媒は、ＳＯxトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＳＯxを捕獲し、排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯxトラップ触媒の温度が上昇すると捕獲したＳＯxが次第にＳＯxトラップ触媒の内部に拡散していく性質を有し、上記ＳＯxトラップ触媒の延命を図った後に再びＳＯxトラップ率が低下したときには排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯxトラップ触媒の温度を上昇させ、それによってＳＯxトラップ率を回復させるようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
ＳＯxトラップ触媒に捕獲されるＳＯx量を算出し、算出されたＳＯx量が予め定められたＳＯx量を越えたときに上記ＳＯxトラップ触媒の延命を図るようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
ＳＯxトラップ触媒から流出する排気ガス中のＳＯx濃度を検出するためのＳＯxセンサを具備しており、検出されたＳＯx濃度が予め定められた濃度を越えたときに上記ＳＯxトラップ触媒の延命を図るようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
ＳＯxトラップ触媒から流出する排気ガス中のＨＣ濃度を検出するためのＨＣ濃度センサを具備しており、検出されたＨＣ濃度に応じて上記炭化水素の量を制御するようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
ＳＯxトラップ触媒を排気ガスの流れに沿って複数の触媒領域に分割すると共に分割された各触媒領域について夫々ＳＯx捕獲量を算出し、最も下流に位置する触媒領域のＳＯx捕獲量が予め定められた量を越えたときにＳＯxトラップ触媒の延命を図るようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
ＳＯxトラップ触媒から流出するＳＯx量を算出し、ＳＯxトラップ触媒から流出する排気ガス中のＳＯx濃度を検出するためのＳＯxセンサを設け、算出されたＳＯx量と検出されたＳＯx濃度から各触媒領域について夫々算出されているＳＯx捕獲量を修正するようにした請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
ＳＯxトラップ触媒から流出するＳＯx量を算出し、ＳＯxトラップ触媒から流出する排気ガス中のＳＯx濃度を検出するためのＳＯxセンサを設け、算出されたＳＯx量と検出されたＳＯx濃度から予め定められた濃度以上の硫黄を含有した燃料が使用されているか否かを判断し、予め定められた濃度以上の硫黄を含有した燃料が使用されていると判断されたときには警告を発するようにした請求項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】
内燃機関に使用される燃料および潤滑油内にはイオウが含まれており、従って排気ガス中にはＳＯxが含まれている。ところがこのＳＯxは機関排気通路内に配置された排気ガス浄化用触媒等の後処理装置の性能や耐久性を大巾に低下させる働きがあり、従って排気ガス中のＳＯxは除去することが好ましい。
【０００３】
そこで機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＳＯxを捕獲しうるＳＯxトラップ触媒を配置した内燃機関が公知である（特許文献１参照）。このＳＯxトラップ触媒は、ＳＯxトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＳＯxを捕獲し、排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯxトラップ触媒の温度が上昇すると捕獲したＳＯxが次第にＮＯxトラップ触媒の内部に拡散し、その結果ＳＯxトラップ率が回復されるという性質を有する。そこでこの内燃機関ではＳＯxトラップ触媒によるＳＯxトラップ率を推定する推定手段を具備しており、ＳＯxトラップ率が予め定められた率よりも低下したときには排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯxトラップ触媒の温度を上昇させ、それによってＳＯxトラップ率を回復させるようにしている。
【特許文献１】特開２００５−１３３６１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところでこのＳＯxトラップ触媒では上流側から順にＳＯxが捕獲され堆積していくので上流側から順にＳＯxの捕獲能力が低下していく。ところがこのＳＯxトラップ触媒では上流側のＳＯx捕獲能力が低下すると下流側には十分なＳＯx捕獲能力があったとしてもＳＯxがＳＯxトラップ触媒をすり抜けてしまう場合がある。このようにＳＯxがＳＯxトラップ触媒をすり抜けるとＳＯxトラップ触媒に十分なＳＯx捕獲能力が残存しているにもかかわらずＳＯxトラップ率が低下したと判断され、即ちＳＯxトラップ触媒が使用に耐えられなくなったと判断され、この場合上述の内燃機関ではＳＯxトラップ率の回復処理が行われる。
【０００５】
しかしながらこの場合、ＳＯxトラップ触媒に残存している十分なＳＯx捕獲能力を活用すればＳＯxトラップ触媒が使用に耐えられなくなるまでの期間を引き延ばすことができる。即ち、ＳＯxトラップ触媒の延命を図ることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そこで本発明では、機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＳＯxを捕獲しうるＳＯxトラップ触媒を配置した圧縮着火式内燃機関において、ＳＯxトラップ触媒のＳＯx捕獲能力を活用するためにＳＯxトラップ触媒の上流側に捕獲されているＳＯxを下流側に向けて移動すべきときにはＳＯxトラップ触媒に流入する排気ガス中の炭化水素の量を増大させてＳＯxトラップ触媒内に空燃比が局所的にリッチとなる領域を形成し、該領域においてＳＯxトラップ触媒から放出されたＳＯxがＳＯxトラップ触媒の下流端から流出することなく下流側において再びＳＯxトラップ触媒内に捕獲されるように炭化水素の増大量を設定し、それによりＳＯxトラップ率を回復してＳＯxトラップ触媒の延命を図るようにしている。
【発明の効果】
【０００７】
ＳＯxトラップ触媒の延命を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド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、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、更に吸気ダクト６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が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１１内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。一方、排気マニホルド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、排気タービン７ｂの出口はＳＯxトラップ触媒１２の入口に連結される。また、ＳＯxトラップ触媒１２の出口は排気管１４を介してＮＯx吸蔵触媒１３に連結される。排気マニホルド５内には排気ガス中に炭化水素、例えば燃料を供給するための炭化水素供給弁１５が取付けられる。
【０００９】
排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路１６を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１６内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１７が配置される。また、ＥＧＲ通路１６周りにはＥＧＲ通路１６内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１８が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１８内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管１９を介してコモンレール２０に連結される。このコモンレール２０内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２１から燃料が供給され、コモンレール２０内に供給された燃料は各燃料供給管１９を介して燃料噴射弁３に供給される。
【００１０】
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス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を具備する。ＳＯxトラップ触媒１２にはＳＯxトラップ触媒１２の温度を検出するための温度センサ２２が取付けられ、排気管１４にはＳＯxトラップ触媒１２から流出した排気ガス中のＳＯx濃度又はＨＣ濃度を検出するためのセンサ２３が配置される。これら温度センサ２２およびセンサ２３の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、ＮＯx吸蔵触媒１３にはＮＯx吸蔵触媒１３の前後差圧を検出するための差圧センサ２４が取付けられており、この差圧センサ２４の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。
【００１１】
アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌ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、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、炭化水素供給弁１５、ＥＧＲ制御弁１７および燃料ポンプ２１に接続される。
【００１２】
まず初めに図１に示されるＮＯx吸蔵触媒１３について説明すると、このＮＯx吸蔵触媒１３は三次元網目構造のモノリス担体或いはペレット状担体上に担持されているか、又はハニカム構造をなすパティキュレートフィルタ上に担持されている。このようにＮＯx吸蔵触媒１３は種々の担体上に担持させることができるが、以下ＮＯx吸蔵触媒１３をパティキュレートフィルタ上に担持した場合について説明する。
【００１３】
図２（Ａ）および（Ｂ）はＮＯx吸蔵触媒１３を担持したパティキュレートフィルタ１３ａの構造を示している。なお、図２（Ａ）はパティキュレートフィルタ１３ａの正面図を示しており、図２（Ｂ）はパティキュレートフィルタ１３ａの側面断面図を示している。図２（Ａ）および（Ｂ）に示されるようにパティキュレートフィルタ１３ａはハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路６０，６１を具備する。これら排気流通路は下流端が栓６２により閉塞された排気ガス流入通路６０と、上流端が栓６３により閉塞された排気ガス流出通路６１とにより構成される。なお、図２（Ａ）においてハッチングを付した部分は栓６３を示している。従って排気ガス流入通路６０および排気ガス流出通路６１は薄肉の隔壁６４を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス流入通路６０および排気ガス流出通路６１は各排気ガス流入通路６０が４つの排気ガス流出通路６１によって包囲され、各排気ガス流出通路６１が４つの排気ガス流入通路６０によって包囲されるように配置される。
【００１４】
パティキュレートフィルタ１３ａは例えばコージライトのような多孔質材料から形成されており、従って排気ガス流入通路６０内に流入した排気ガスは図２（Ｂ）において矢印で示されるように周囲の隔壁６４内を通って隣接する排気ガス流出通路６１内に流出する。
このようにＮＯx吸蔵触媒１３をパティキュレートフィルタ１３ａ上に担持させた場合には、各排気ガス流入通路６０および各排気ガス流出通路６１の周壁面、即ち各隔壁６４の両側表面上および隔壁６４内の細孔内壁面上には例えばアルミナからなる触媒担体が担持されており、図３はこの触媒担体４５の表面部分の断面を図解的に示している。図３に示されるように触媒担体４５の表面上には貴金属触媒４６が分散して担持されており、更に触媒担体４５の表面上にはＮＯx吸収剤４７の層が形成されている。
【００１５】
本発明による実施例では貴金属触媒４６として白金Ｐｔが用いられており、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。
【００１６】
機関吸気通路、燃焼室２およびＮＯx吸蔵触媒１３上流の排気通路内に供給された空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比と称すると、ＮＯx吸収剤４７は排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯxを吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯxを放出するＮＯxの吸放出作用を行う。
【００１７】
即ち、ＮＯx吸収剤４７を構成する成分としてバリウムＢａを用いた場合を例にとって説明すると、排気ガスの空燃比がリーンのとき、即ち排気ガス中の酸素濃度が高いときには排気ガス中に含まれるＮＯは図３に示されるように白金Ｐｔ４６上において酸化されてＮＯ2となり、次いでＮＯx吸収剤４７内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら硝酸イオンＮＯ3-の形でＮＯx吸収剤４７内に拡散する。このようにしてＮＯxがＮＯx吸収剤４７内に吸収される。排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔ４６の表面でＮＯ2が生成され、ＮＯx吸収剤４７のＮＯx吸収能力が飽和しない限りＮＯ2がＮＯx吸収剤４７内に吸収されて硝酸イオンＮＯ3-が生成される。
【００１８】
これに対し、炭化水素供給弁１５から炭化水素を供給することによって排気ガスの空燃比をリッチ或いは理論空燃比にすると排気ガス中の酸素濃度が低下するために反応が逆方向（ＮＯ3-→ＮＯ2）に進み、斯くしてＮＯx吸収剤４７内の硝酸イオンＮＯ3-がＮＯ2の形でＮＯx吸収剤４７から放出される。次いで放出されたＮＯxは排気ガス中に含まれる未燃ＨＣ，ＣＯによって還元される。
【００１９】
このように排気ガスの空燃比がリーンであるとき、即ちリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときには排気ガス中のＮＯxがＮＯx吸収剤４７内に吸収される。しかしながらリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われるとその間にＮＯx吸収剤４７のＮＯx吸収能力が飽和してしまい、斯くしてＮＯx吸収剤４７によりＮＯxを吸収できなくなってしまう。そこで本発明による実施例ではＮＯx吸収剤４７の吸収能力が飽和する前に炭化水素供給弁１５から炭化水素を供給することによって排気ガスの空燃比を一時的にリッチにし、それによってＮＯx吸収剤４７からＮＯxを放出させるようにしている。
【００２０】
ところで排気ガス中にはＳＯx、即ちＳＯ2が含まれており、このＳＯ2がＮＯx吸蔵触媒１３に流入するとこのＳＯ2は白金Ｐｔ４６において酸化されてＳＯ3となる。次いでこのＳＯ3はＮＯx吸収剤４７内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、硫酸イオンＳＯ42-の形でＮＯx吸収剤４７内に拡散し、安定した硫酸塩ＢａＳＯ4を生成する。しかしながらＮＯx吸収剤４７が強い塩基性を有するためにこの硫酸塩ＢａＳＯ4は安定していて分解しづらく、排気ガスの空燃比を単に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。従ってＮＯx吸収剤４７内には時間が経過するにつれて硫酸塩ＢａＳＯ4が増大することになり、斯くして時間が経過するにつれてＮＯx吸収剤４７が吸収しうるＮＯx量が低下することになる。
【００２１】
ところでこの場合、ＮＯx吸蔵触媒１３の温度を６００℃以上のＳＯx放出温度まで上昇させた状態でＮＯx吸蔵触媒１３に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするとＮＯx吸収剤４７からＳＯxが放出される。ただし、この場合ＮＯx吸収剤４７からは少しずつしかＳＯxが放出されない。従ってＮＯx吸収剤４７から全ての吸収ＳＯxを放出させるには長時間に亘って空燃比をリッチにしなければならず、斯くして多量の燃料或いは還元剤が必要になるという問題がある。また、ＮＯx吸収剤４７から放出されたＳＯxは大気中に排出されることになり、このことも好ましいことではない。
【００２２】
そこで本発明ではＮＯx吸蔵触媒１３の上流にＳＯxトラップ触媒１２を配置してこのＳＯxトラップ触媒１２により排気ガス中に含まれるＳＯxを捕獲し、それによってＮＯx吸蔵触媒１３にＳＯxが流入しないようにしている。次にこのＳＯxトラップ触媒１２について説明する。
【００２３】
このＳＯxトラップ触媒１２は例えばハニカム構造のモノリス触媒からなり、ＳＯxトラップ触媒１２の軸線方向にまっすぐに延びる多数の排気ガス流通孔を有する。図４（Ａ）は、このようにＳＯxトラップ触媒１２をハニカム構造のモノリス触媒から形成した場合における各排気ガス流通孔の内周壁面上の、即ち基体上の表面部分の断面を図解的に示している。図４（Ａ）に示されるように基体５０の表面上にはコート層５１が形成されており、このコート層５１の表面上には貴金属触媒５２が分散して担持されている。
【００２４】
本発明による実施例では貴金属触媒５２として白金が用いられており、コート層５１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。即ち、ＳＯxトラップ触媒１２のコート層５１は強塩基性を呈している。
【００２５】
さて、排気ガス中に含まれるＳＯx、即ちＳＯ2は図４（Ａ）に示されるように白金Ｐｔ５２において酸化され、次いでコート層５１内に捕獲される。即ち、ＳＯ2は硫酸イオンＳＯ42-の形でコート層５１内に拡散し、硫酸塩を形成する。なお、上述したようにコート層５１は強塩基性を呈しており、従って図４（Ａ）に示されるように排気ガス中に含まれるＳＯ2の一部は直接コート層５１内に捕獲される。
【００２６】
図４（Ａ）においてコート層５１内における濃淡は捕獲されたＳＯxの濃度を示している。図４（Ａ）からわかるようにコート層５１内におけるＳＯx濃度はコート層５１の表面近傍が最も高く、奥部に行くに従って次第に低くなっていく。コート層５１の表面近傍におけるＳＯx濃度が高くなるとコート層５１の表面の塩基性が弱まり、ＳＯxの捕獲能力が弱まる。ここで排気ガス中に含まれるＳＯxのうちでＳＯxトラップ触媒１２に捕獲されるＳＯxの割合をＳＯxトラップ率と称すると、コート層５１の表面の塩基性が弱まればそれに伴なってＳＯxトラップ率が低下することになる。
【００２７】
このＳＯxトラップ率は初めは１００パーセントに近いが時間が経過すると急速に低下する。そこで本発明による実施例ではＳＯxトラップ率が予め定められた率よりも低下したときには排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯxトラップ触媒１２の温度を上昇させる昇温制御を行い、それによってＳＯxトラップ率を回復させるようにしている。
【００２８】
即ち、排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯxトラップ触媒１２の温度を上昇させるとコート層５１内の表面近傍に集中的に存在するＳＯxはコート層５１内におけるＳＯx濃度が均一となるようにコート層５１の奥部に向けて拡散していく。即ち、コート層５１内に生成されている硝酸塩はコート層５１の表面近傍に集中している不安定な状態からコート層５１内の全体に亘って均一に分散した安定した状態に変化する。コート層５１内の表面近傍に存在するＳＯxがコート層５１の奥部に向けて拡散するとコート層５１の表面近傍のＳＯx濃度が低下し、斯くしてＳＯxトラップ触媒１２の昇温制御が完了するとＳＯxトラップ率が回復することになる。
【００２９】
ＳＯxトラップ触媒１２の昇温制御を行ったときにＳＯxトラップ触媒１２の温度をほぼ４５０℃程度にすればコート層５１の表面近傍に存在するＳＯxをコート層５１内に拡散させることができ、ＳＯxトラップ触媒１２の温度を６００℃程度まで上昇させるとコート層５１内のＳＯx濃度をかなり均一化することができる。従ってＳＯxトラップ触媒１２の昇温制御時には排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯxトラップ触媒１２の温度を６００℃程度まで昇温させることが好ましい。
【００３０】
なお、このようにＳＯxトラップ触媒１２を昇温したときに排気ガスの空燃比をリッチにするとＳＯxトラップ触媒１２からＳＯxが放出されてしまう。従ってＳＯxトラップ触媒１２を昇温したときには排気ガスの空燃比をリッチにしないようにしている。
【００３１】
ところでＳＯxトラップ触媒１２に捕獲されたＳＯxの濃度は図４（Ａ）に示されるようにコート層５１の内部に向けて変化するがＳＯxトラップ触媒１２では更にコート層５１の表面部分におけるＳＯx濃度がＳＯxトラップ触媒１２の排気ガス流通方向における位置によって変化する。次にこのことについて図５（Ａ）〜（Ｃ）を参照しつつ説明する。
【００３２】
さて、図５（Ａ）〜（Ｃ）にはＳＯxトラップ触媒１２の表面部分、即ちコート層５１の表面部分に捕獲されたＳＯxの濃度が濃淡でもって示されており、更に図５（Ａ）〜（Ｃ）にはＳＯxトラップ触媒１２の表面部分、即ちコート層５１の表面部分に堆積したＳＯxの堆積量が曲線でもって示されている。なお、図５の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はこの順序で時間の経過に伴なう変化を示している。これら図５（Ａ）〜（Ｃ）から時間が経過するにつれてコート層５１の表面部分には上流側から順にＳＯxが堆積し、従って上流側から順にＳＯx捕獲能力がなくなっていくことがわかる。
【００３３】
さて、図５（Ｃ）に示される状態になるとそろそろＳＯxトラップ触媒１２からＳＯxが排出され始める。しかしながらこのときＳＯxトラップ触媒１２の下流側ではまだ十分なＳＯx捕獲能力が残っていることがわかる。従ってこのとき残存しているＳＯx捕獲能力を活用することができればＳＯxトラップ触媒１２からＳＯxが排出されることなくＳＯxをＳＯxトラップ触媒１２により捕獲することができる。
【００３４】
そこで本発明では残存しているＳＯx捕獲能力を活用するために例えば図５（Ｃ）に示される状態となったときにはＳＯxトラップ触媒１２に流入する炭化水素、例えば燃料の量を増大させてＳＯxトラップ触媒１２内に空燃比が局所的にリッチになる領域を形成し、この領域においてＳＯxトラップ触媒１２から放出されたＳＯxがＳＯxトラップ触媒１２の下流端から流出することなく下流側において再びＳＯxトラップ触媒１２内に捕獲されるようにしている。
【００３５】
即ち、ＳＯxトラップ触媒１２に流入する炭化水素の量が増大せしめられて例えばＳＯxトラップ触媒１２の上流端における空燃比が局所的にリッチになったとすると図４（Ｂ）に示されるようにリッチになった領域で過剰な炭化水素が白金５２上においてＳＯxを還元し、その結果硫酸塩ＳＯ42-の形で捕獲されているＳＯxがＳＯ2の形で放出される。このとき放出されたＳＯxは下流に向け進んで下流側のＳＯx捕獲能力のある場所で再びＳＯxトラップ触媒１２内に捕獲される。即ち、図４（Ｂ）からわかるようにＳＯxトラップ触媒１２の上流側に捕獲されているＳＯxが下流側に向けて移動せしめられることになる。
【００３６】
ＳＯxトラップ触媒１２の上流端に捕獲されているＳＯxの放出作用が進行するとＳＯxトラップ触媒１２の上流端では過剰の炭化水素がＳＯx還元のために消費されなくなるのでこの過剰の炭化水素はＳＯxの放出作用がそれほど進行していない下流側の領域でＳＯxを還元するために使用される。このようにしてＳＯxの放出作用が上流側から下流側に向けて進行し、放出されたＳＯxが下流側において再びＳＯxトラップ触媒１２内に捕獲される。その結果、図７に示されるようにＳＯxトラップ触媒１２の上流側におけるＳＯx捕獲能力が回復せしめられることになる。
【００３７】
このように本発明ではＳＯxトラップ率が低下しそうになると、或いはＳＯxトラップ率が低下しはじめると図７に示されるようにＳＯxが堆積している領域が下流側へ移動せしめられる。即ち、ＳＯxの堆積分布のピークが下流側へ移動せしめられる。その結果、ＳＯxトラップ率は回復し、斯くしてＳＯxトラップ触媒１２の延命が図られることになる。
【００３８】
ところでこのようなＳＯxトラップ触媒１２の延命処理を行う際に本発明による実施例では図６に示されるように炭化水素供給弁１５から燃料が供給される。このとき図６に示されるように排気ガスの平均空燃比は若干低下するがリーンに維持され、ＳＯxトラップ触媒１２の温度Ｔもさほど変化しない。ＳＯxトラップ触媒１２の延命処理を行う際に最も重要なことはＳＯxトラップ触媒１２からＳＯxが排出されないことであり、従って本発明では空燃比が局所的にリッチとなる領域においてＳＯxトラップ触媒１２から放出されたＳＯxがＳＯxトラップ触媒１２の下流端から流出することなく下流側において再びＳＯxトラップ触媒１２内に捕獲されるように炭化水素の増大量が設定されている。
【００３９】
ＳＯxトラップ触媒１２の延命処理が行われた後にＳＯxトラップ率が低下したときはＳＯxトラップ触媒１２を６００℃程度まで昇温させることによってＳＯxトラップ率が回復せしめられる。図８はこのＳＯxトラップ率回復のための再生制御を示している。図８に示されるようにこのときには排気ガスの空燃比がリーンのもとで炭化水素供給弁１５から燃料が供給され、この燃料の酸化反応熱でもってＳＯxトラップ触媒１２の温度Ｔが６００℃程度まで増大せしめられる。
【００４０】
次にＳＯxトラップ触媒１２に捕獲されたＳＯx量を推定し、推定されたＳＯx量に基づいて延命処理および再生制御を行うようにした実施例について説明する。
【００４１】
即ち、燃料中には或る割合でイオウが含まれており、従って排気ガス中に含まれるＳＯx量、即ちＳＯxトラップ触媒１２に捕獲されるＳＯx量は燃料噴射量に比例する。燃料噴射量は要求トルクおよび機関回転数の関数であり、従ってＳＯxトラップ触媒１２に捕獲されるＳＯx量も要求トルクおよび機関回転数の関数となる。本発明による実施例ではＳＯxトラップ触媒１２に単位時間当り捕獲されるＳＯx量ＳＯＸＡが要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図９（Ａ）に示されるようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００４２】
また、潤滑油内にも或る割合でイオウが含まれており、燃焼室２内で燃焼せしめられる潤滑油量、即ち排気ガス中に含まれていてＳＯxトラップ触媒１２に捕獲されるＳＯx量も要求トルクおよび機関回転数の関数となる。本発明による実施例では潤滑油に含まれていてＳＯxトラップ触媒１２に単位時間当り捕獲されるＳＯxの量ＳＯＸＢが要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図９（Ｂ）に示されるようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、ＳＯx量ＳＯＸＡおよびＳＯx量ＳＯＸＢの和を積算することによってＳＯxトラップ触媒１２に捕獲されているＳＯx量ΣＳＯＸが算出される。
【００４３】
また、本発明による実施例では図１０に示されるようにＳＯx量ΣＳＯＸと、ＳＯxトラップ触媒１２を再生すべきときの予め定められたＳＯx量ＳＯ（ｎ）との関係が予め記憶されており、ＳＯx量ΣＳＯＸが予め定められたＳＯ（ｎ）（ｎ＝１，２，３，…）を越えたときにＳＯxトラップ触媒１２の再生制御が行われる。なお、図１０においてはｎは何回目の再生制御であるかを示している。図１０からわかるようにＳＯxトラップ率を回復するための再生制御回数ｎが増大するにつれて予め定められた量ＳＯ（ｎ）が増大せしめられ、この予め定められた量ＳＯ（ｎ）の増大割合は再生制御回数ｎが増大するほど減少する。即ち、ＳＯ（２）に対するＳＯ（３）の増大割合はＳＯ（１）に対するＳＯ（２）の増大割合よりも減少する。
【００４４】
また、本発明ではＳＯxトラップ触媒１２の再生制御が行われる前にＳＯxトラップ触媒１２の延命処理が行われる。本発明による実施例では図１０に示されるようにＳＯx量ΣＳＯＸと、ＳＯxトラップ触媒１２を延命処理すべきときの予め定められたＳＯx量ＳＯ（ｍ）との関係が予め記憶されており、ＳＯx量ΣＳＯＸが予め定められたＳＯ（ｍ）（ｍ＝１，２，３，…）を越えたときにＳＯxトラップ触媒１２の延命処理が行われる。なお、図１０においてはｍは何回目の延命処理であるかを示している。
【００４５】
次に図１１を参照しつつＳＯxトラップ触媒１２の処理ルーチンについて説明する。
図１を参照するとまず初めにステップ７０において図９（Ａ），（Ｂ）から夫々単位時間当り捕獲されるＳＯx量ＳＯＸＡおよびＳＯＸＢが読み込まれる。次いでステップ７１ではこれらＳＯＸＡおよびＳＯＸＢの和がＳＯx量ΣＳＯＸに加算される。次いでステップ７２ではＳＯx量ΣＳＯＸが図１０に示される予め定められた量ＳＯ（ｍ）（ｍ＝１，２，３，…）に達したか否かが判別される。ＳＯx量ΣＳＯＸが予め定められた量ＳＯ（ｍ）に達していないときにはステップ７３に進む。
【００４６】
ステップ７３ではＳＯx量ΣＳＯＸが図１０に示される予め定められた量ＳＯ（ｎ）（ｎ＝１，２，３，…）に達したか否かが判別される。ＳＯx量ΣＳＯＸが予め定められた量ＳＯ（ｎ）に達していないときには処理サイクルを完了する。これに対し、ステップ７２においてＳＯx量ΣＳＯＸが予め定められた量ＳＯ（ｍ）に達したと判断されたときにはステップ７４に進んで延命処理のための延命制御が行われる。一方、ステップ７３においてＳＯx量ΣＳＯＸが予め定められた量ＳＯ（ｎ）に達したと判断されたときにはステップ７５に進んで再生制御が行われる。
【００４７】
図１２は図１１のステップ７４において実行される延命制御の一実施例を示している。なお、この実施例では図１に示されるセンサ２３として排気ガス中のＨＣ濃度を検出するＨＣ濃度センサが使用され、このＨＣ濃度センサ２３により検出されたＨＣ濃度に基づいて延命処理時にＳＯxトラップ触媒１２からＨＣが排出されないように炭化水素供給弁１５から添加される燃料量が制御される。
【００４８】
即ち、図１２を参照するとまず初めにステップ８０において基本燃料添加量Ｑｏが算出される。次いでステップ８１ではＨＣ濃度センサ２３の出力電圧Ｖが予め定められた設定値ＶＺを越えたか否か、即ちＨＣ濃度が予め定められた設定濃度を越えたか否かが判別される。Ｖ＞ＶＺのときにはステップ８２に進んで燃料添加量に対する補正量ΔＱから一定値が減算される。次いでステップ８４に進む。これに対し、Ｖ≦ＶＺのときにはステップ８３に進んで補正量ΔＱに一定値αが加算され、次いでステップ８４に進む。
【００４９】
ステップ８４では基本燃料添加量Ｑｏに補正量ΔＱが加算され、加算結果が燃料添加量Ｑとされる。次いでステップ８５では延命処理が完了したか否かが判別される。延命処理が完了していないときにはステップ８６に進んで燃料が添加され、ステップ８０に戻る。これに対し、延命処理が完了したときにはステップ８７に進んで補正量ΔＱがクリアされる。
【００５０】
図１３は図１１に示されるＳＯxトラップ触媒１２の処理ルーチンの別の実施例を示している。なお、この実施例では図１に示されるセンサ２３として排気ガス中のＳＯx濃度を検出するＳＯxセンサが使用され、ＳＯxセンサ２３により検出されたＳＯx濃度に基づいて延命制御および再生制御が選択的に行われる。
【００５１】
即ち、図１３を参照するとまず初めにステップ９０においてＳＯxセンサ２３の出力Ｖが読込まれる。次いでステップ９１ではＳＯxセンサ２３の出力電圧Ｖが予め定められた設定値ＶＸを越えたか否か、即ちＳＯx濃度が予め定められた設定濃度を越えたか否かが判別される。Ｖ＞ＶＸとなったとき、即ちＳＯxトラップ触媒１２からＳＯxが排出され始めたときにはステップ９２に進んで初めてＶ＞ＶＸになったか否かが判別される。初めてＶ＞ＶＸになったときにはステップ９４に進んで延命処理を行うための延命制御が行われる。
【００５２】
これに対し、Ｖ＞ＶＸになったのが初めてでないときにはステップ９３に進んで前回行われたのは再生制御であったか否かが判別される。前回行われたのが再生制御であったときにはステップ９４に進んで延命制御が行われる。これに対し、前回行われたのが再生制御でなかったときにはステップ９５に進んで再生制御が行われる。即ち、ＳＯxトラップ触媒１２の延命を図った後に再びＳＯxトラップ率が低下したときには排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯxトラップ触媒１２の温度が上昇せしめられ、それによってＳＯxトラップ率が回復される。
【００５３】
図１４から図２０はＳＯxトラップ触媒１２内のＳＯxの堆積分布をモデル化し、モデル化されたＳＯxの堆積分布に基づいて延命制御および再生制御を行うようにしたいくつかの実施例を示している。即ち、これらの実施例では図１４（Ａ）に示されるようにＳＯxトラップ触媒１２を排気ガスの流れに沿って複数の触媒領域Ｎｏ．１〜Ｎｏ．ｊに分割し、分割された各触媒領域Ｎｏ．１〜Ｎｏ．ｊについて夫々ＳＯx捕獲量を算出するようにしている。そこでまず初めに図１４（Ｂ）を参照しつつ各触媒領域Ｎｏ．１〜Ｎｏ．ｊについてのＳＯx捕獲量の算出方法について説明する。
【００５４】
まず初めに図１４（Ｂ）において使用されている記号について説明するとＳＯｉｎ（ｉ）は単位時間当り触媒領域Ｎｏ．ｉに流入するＳＯx量（ｇ／sec）を表しており、ＳＯｓｔ（ｉ）は単位時間当り触媒領域Ｎｏ．ｉに捕獲堆積するＳＯx量（ｇ／sec）を表しており、ＳＯｏｕｔ（ｉ）は単位時間当り触媒領域Ｎｏ．ｉから流出するＳＯx量（ｇ／sec）を表わしている。従ってＳＯｏｕｔ（ｉ）＝ＳＯｉｎ（ｉ）−ＳＯｓｔ（ｉ）となり、またＳＯｉｎ（ｉ）＝ＳＯｏｕｔ（ｉ−１）が成立つ。また、触媒領域Ｎｏ．ｉに堆積するＳＯx量はＳＯｓｔ（ｉ）の累積値ΣＳＯｓｔ（ｉ）となる。
【００５５】
さて最も上流に位置する触媒領域Ｎｏ．１に単位時間当り流入するＳＯx量ＳＯｉｎ（ｌ）は例えば図９（Ａ），（Ｂ）に示されるＳＯx捕獲量ＳＯＸＡとＳＯＸＢとの和から求めることができる。一方、各触媒領域Ｎｏ．ｉに単位時間当り堆積するＳＯx量ＳＯｓｔ（ｉ）はＳＯxトラップ触媒１２へのＳＯx吸蔵速度（ｇ／ｓ）の制限を受ける。このＳＯx吸蔵速度は図１５（Ａ）に示されるように堆積ＳＯx量ΣＳＯｓｔ（ｉ）が増大するほど低下する。また、このＳＯx吸蔵速度は触媒領域Ｎｏ．ｉの触媒床温Ｔ（ｉ）の関数であり、図１５（Ａ）に示されるＳＯx吸蔵速度に対する補正係数Ｋが図１５（Ｂ）に示されている。従って本発明による実施例では図１５（Ａ）に示されるＳＯx吸蔵速度に図１５（Ｂ）に示される補正係数Ｋを乗算することによって実際のＳＯx吸蔵速度が求められる。
【００５６】
触媒領域Ｎｏ．ｉに流入するＳＯx量ＳＯｉｎ（ｉ）が上述の実際のＳＯx吸蔵速度よりも小さければ流入した全ＳＯx量ＳＯｉｎ（ｉ）が触媒領域Ｎｏ．ｉに堆積され、触媒領域Ｎｏ．ｉに流入するＳＯx量ＳＯｉｎ（ｉ）が上述の実際のＳＯx吸蔵速度よりも大きければ流入したＳＯx量ＳＯｉｎ（ｉ）のうちの実際のＳＯx吸蔵速度に相当するＳＯx量が触媒領域Ｎｏ．ｉに堆積され、残りのＳＯxが下流側の触媒領域Ｎｏ．（ｉ＋１）に流入する。このような考え方で各触媒領域Ｎｏ．ｉについての堆積ＳＯx量ΣＳＯｓｔ（ｉ）が算出される。
【００５７】
図１６はＳＯxトラップ触媒１２を４つの触媒領域Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４に分割した場合の算出結果の一例を示している。なお、図１６において黒丸が各触媒領域Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４における計算ＳＯx堆積量を示している。図１６に示される例では最も下流に位置する触媒領域Ｎｏ．４のＳＯx捕獲量が予め定められた量ＳＯＺを越えたときにＳＯxトラップ触媒１２の延命処理が行われる。
【００５８】
図１７（Ａ），（Ｂ）はＳＯxトラップ触媒１２の延命処理時におけるＳＯx放出量を示している。なお、図１７（Ａ），（Ｂ）において各曲線は等放出量線を示している。図１７（Ａ）に示されるように各触媒領域Ｎｏ．ｉにおけるＳＯx放出量は添加燃料量が増大するほど増大すると共にＳＯx捕獲量ΣＳＯｓｔ（ｉ）が増大するほど増大し、図１７（Ｂ）に示されるように各触媒領域Ｎｏ．ｉにおけるＳＯx放出量は排気ガス量、即ち吸入空気量Ｇａが増大するほど増大すると共に触媒床温Ｔ（ｉ）が高くなるほど増大する。
【００５９】
延命処理時における各触媒領域Ｎｏ．ｉにおけるＳＯx堆積量ΣＳＯｓｔ（ｉ）の変化は図１７（Ａ），（Ｂ）に示される関係を用いて算出され、延命処理が完了したときの計算結果の一例が図１８に示されている。
【００６０】
図１９に別の実施例を示す。この実施例ではＳＯxトラップ触媒１２から流出するＳＯx量ＳＯｏｕｔ（ｊ）が算出され、ＳＯxトラップ触媒１２から流出する排気ガス中のＳＯx濃度がＳＯxセンサ２３により検出され、算出されたＳＯx量と検出されたＳＯx濃度から各触媒領域Ｎｏ．ｉについて夫々算出されているＳＯx堆積量ΣＳＯｓｔ（ｉ）が修正される。即ち、図１９においてＰが算出された排出ＳＯx量ＳＯｏｕｔ（ｊ）とし、Ｑが検出されたＳＯx濃度から求まる排出ＳＯx量であるとすると各触媒領域Ｎｏ．ｉにおける計算ＳＯx堆積量がＱを通る堆積量変化推定曲線Ｒまで上昇せしめられる。
【００６１】
図２０に更に別の実施例を示す。この実施例でもＳＯxトラップ触媒１２から流出するＳＯx量ＳＯｏｕｔ（ｊ）が算出され、ＳＯxトラップ触媒１２から流出する排気ガス中のＳＯx濃度がＳＯxセンサ２３により検出され、算出されたＳＯx量Ｐと検出されたＳＯx濃度から求まるＳＯx量Ｑから使用燃料の硫黄の含有量が推定される。即ち、ＮＯx吸蔵触媒１３を用いている場合には硫黄含有量の多い燃料の使用を停止しているがユーザーが誤まって硫黄含有量の多い燃料を用いた場合には図２０においてＱで示されるように検出ＳＯx量が計算ＳＯx量Ｐに比べて高くなる。
【００６２】
そこでこの実施例では検出ＳＯx量Ｑと計算ＳＯx量Ｐの差異の大きさから予め定められた濃度以上の硫黄を含有した燃料が使用されているか否かが判断され、予め定められた濃度以上の硫黄を含有した燃料が使用されていると判断されたときには警告が発せられる。例えばこのとき警告灯が点灯される。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】圧縮着火式内燃機関の全体図である。
【図２】パティキュレートフィルタの構造を示す図である。
【図３】ＮＯx吸蔵触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。
【図４】ＳＯxトラップ触媒の基体の表面部分の断面図である。
【図５】ＳＯx堆積量の時間的推移を示す図である。
【図６】延命処理のための燃料添加時の排気ガスの空燃比変化等を示すタイムチャートである。
【図７】ＳＯx堆積量を示す図である。
【図８】再生処理のための燃料添加時の排気ガスの空燃比変化等を示すタイムチャートである。
【図９】ＳＯx捕獲量ＳＯＸＡ，ＳＯＸＢのマップを示す図である。
【図１０】捕獲ＳＯx量ΣＳＯＸと、延命処理を行うべき捕獲ＳＯx量ＳＯ（ｍ）等との関係を示す図である。
【図１１】ＳＯxトラップ触媒を処理するためのフローチャートである。
【図１２】延命制御を行うためのフローチャートである。
【図１３】ＳＯxトラップ触媒を処理するためのフローチャートである。
【図１４】モデル化したＳＯxトラップ触媒を示す図である。
【図１５】ＳＯx吸蔵速度等を示す図である。
【図１６】計算によるＳＯx堆積量を示す図である。
【図１７】ＳＯx放出量を示す図である。
【図１８】計算によるＳＯx堆積量を示す図である。
【図１９】計算によるＳＯx堆積量を示す図である。
【図２０】計算によるＳＯx堆積量を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
４    吸気マニホルド
５    排気マニホルド
７    排気ターボチャージャ
１２    ＳＯxトラップ触媒
１３    ＮＯx吸蔵触媒
１４    炭化水素供給弁
【図１】
2008190445.tif 000003
【図２】
2008190445.tif 000004
【図３】
2008190445.tif 000005
【図４】
2008190445.tif 000006
【図５】
2008190445.tif 000007
【図６】
2008190445.tif 000008
【図７】
2008190445.tif 000009
【図８】
2008190445.tif 000010
【図９】
2008190445.tif 000011
【図１０】
2008190445.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2008190445.tif 000015
【図１４】
2008190445.tif 000016
【図１５】
2008190445.tif 000017
【図１６】
2008190445.tif 000018
【図１７】
2008190445.tif 000019
【図１８】
2008190445.tif 000020
【図１９】
2008190445.tif 000021
【図２０】
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