(57)【要約】【課題】機関に硫黄固化剤を供給してＮＯＸ吸蔵還元触媒の硫黄被毒を抑制しながら、パティキュレートの大気放出を防止する。【解決手段】機関１の排気通路５にＮＯＸ吸蔵還元触媒２０を設けリーン空燃比排気中のＮＯＸを吸蔵させる。機関１には燃料とともに燃焼により燃料中の硫黄と反応して固体の硫酸塩を形成する硫黄固化剤を供給する。生成した固体硫酸塩粒子をＮＯＸ吸蔵還元触媒上流側に配置したパティキュレートフィルタ５ｂで捕集し、フィルタ５ｂの捕集量が増大した場合には、フィルタ５ｂの温度を上昇させるとともに、機関１を理論空燃比またはリッチ空燃比で運転する。これによりフィルタ５ｂから硫酸塩がＳＯＸの形で脱離するが、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比が理論空燃比以下であるため、放出されたＳＯＸはＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸収されないため、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の硫黄被毒が防止される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配置された、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯＸを吸着、吸収またはその両方にて選択的に吸蔵保持し、流入する排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比となったときに、吸蔵したＮＯＸを排気中の還元成分を用いて還元浄化するＮＯＸ吸蔵還元触媒と、前記ＮＯＸ吸蔵還元触媒の上流側排気通路に配置された、硫黄分を含む排気微粒子を捕集するパティキュレート捕集手段と、
前記パティキュレート捕集手段から放出された硫黄酸化物が前記下流側のＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されることを防止しながら、前記パティキュレート捕集手段に捕集された排気微粒子を硫黄酸化物の形でパティキュレート捕集手段から放出させるＳＯＸ放出手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記ＳＯＸ放出手段は、前記パティキュレート捕集手段を理論空燃比またはリッチ空燃比雰囲気下で所定温度以上の温度に維持することにより、前記パティキュレート捕集手段に捕集された排気微粒子を硫黄酸化物として放出させる、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記排気微粒子は、燃焼時にＳＯＸと反応して固体硫酸塩を形成する硫黄固化剤を前記機関に供給することにより生成された固体硫酸塩を含む排気微粒子である、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
更に、前記パティキュレート捕集手段と前記ＮＯＸ吸蔵還元触媒との間の排気通路に配置された、排気中のＳＯＸ濃度を検出するＳＯＸセンサと、前記ＳＯＸセンサで検出した排気ＳＯＸ濃度に応じて前記ＳＯＸ放出手段を制御する制御手段を備えた、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
更に、前記パティキュレート捕集手段と前記ＮＯＸ吸蔵還元触媒との間の排気通路に配置された、排気空燃比を検出する空燃比センサと、前記空燃比センサで検出した排気空燃比に応じて前記ＳＯＸ放出手段を制御する制御手段を備えた、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、詳細にはＮＯＸ吸蔵還元触媒を備えた排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気通路に、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯＸを吸着、吸収またはその両方にて選択的に吸蔵保持し、流入する排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比となったときに、吸蔵したＮＯＸを排気中の還元成分を用いて還元浄化するＮＯＸ吸蔵還元触媒をを用いた排気浄化装置が知られている。このような排気浄化装置では、機関がリーン空燃比運転されているときのリーン空燃比の排気中のＮＯＸをＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵させることにより排気から除去し、機関が理論空燃比またはリッチ空燃比で運転されるときの機関排気中の還元成分を用いてＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵したＮＯＸを還元浄化することにより、排気中のＮＯＸが大気に放出されることを防止している。
【０００３】
ＮＯＸ吸蔵還元触媒を用いた排気浄化装置では、燃料中の硫黄によるＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ浄化能力の低下、すなわち硫黄被毒が問題になる場合がある。
ガソリン、軽油などの燃料はわずかに硫黄を含有しているため燃焼後の排気中には微量のＳＯＸ（ＳＯ２、ＳＯ３等の硫黄酸化物）が含まれている。排気中のＳＯＸは、ＮＯＸと全く同様にＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵され、しかも一旦吸蔵されてしまうと、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯＸが還元浄化される温度条件ではＮＯＸ吸蔵還元触媒から脱離しない。
【０００４】
このため、ＮＯＸ吸蔵還元触媒をＳＯＸを含む排気中で使用すると、ＮＯＸの吸蔵、還元浄化を繰り返すに連れてＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＳＯＸ量は徐々に増大してしまい、吸蔵したＳＯＸ分だけ吸蔵できるＮＯＸの量が低下する。これによりＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵能力、すなわちＮＯＸ浄化能力が低下する、いわゆる硫黄被毒（またはＳ被毒）が生じるのである。
【０００５】
この硫黄被毒の問題を解決するために、排気中のＳＯＸがＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されることを抑制する方法が考案されている。
例えば、特許文献１は、燃料に添加剤を混入することにより排気中のＳＯ２やＳＯ３などのガス成分を固体硫酸塩に転換してＮＯＸ吸蔵還元触媒への吸蔵を抑制する方法を開示している。
【０００６】
特許文献１の方法では、燃料中にバリウムなどの金属化合物を含む添加剤（硫黄固化剤）を添加して機関の燃焼室に供給して燃焼させることにより、燃料中の硫黄と反応させ、固体粒子の形の硫酸塩（例えば硫酸バリウムＢａＳＯ４）を形成している。
上記により形成される硫酸塩は固体粒子であるため、気体の硫黄酸化物とは異なりＮＯＸ吸蔵還元触媒には吸蔵されることがない。従って、長時間使用してもＮＯＸ吸蔵還元触媒のＳＯＸ吸蔵量が増大せず、ＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ浄化能力の低下（硫黄被毒）が生じない。
【０００７】
【特許文献１】
特許第３１５４１０５号公報
【特許文献２】
特開平６−３１７１４３号公報
【特許文献３】
特開平９−５３４４２号公報
【特許文献４】
特開平１０−３０６７１７号公報
【特許文献５】
特開平２００１−３０３９３７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特許文献１のように、燃焼により発生するＳＯＸを固形化して固体硫酸塩からなる排気微粒子として機関から排出する方法をとると、機関の全体の排気微粒子（パティキュレート）排出量が増大してしまう問題がある。
【０００９】
排気中の微粒子を捕集するパティキュレートフィルタを排気通路に設ければ上記問題は一応解決するものの、パティキュレートフィルタに捕集された排気微粒子の量が増大すると排気抵抗が増大するため、機関性能に影響が生じる。
一方、パティキュレートフィルタに捕集された固体硫酸塩をパティキュレートフィルタから除去することによりパティキュレートフィルタを再生することも可能である。しかし、パティキュレートフィルタを再生するためにはパティキュレートフィルタを高温にして捕集された固体硫酸塩を硫黄酸化物の形にしてフィルタから脱離させる必要があるが、例えばＮＯＸ吸蔵還元触媒への固体硫酸塩の侵入を防止するためにはパティキュレートフィルタはＮＯＸ吸蔵還元触媒の上流側に配置することが好ましい。
【００１０】
このようにパティキュレートフィルタをＮＯＸ吸蔵還元触媒の上流側に配置した場合、再生時にパティキュレートフィルタの固体硫酸塩を硫黄酸化物（ＳＯＸ）の形で脱離させると、フィルタから脱離したガス状のＳＯＸがＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入することとなり、ＮＯＸ吸蔵還元触媒にＳＯＸが吸蔵されてしまう問題がある。
本発明は上記問題に鑑み、硫黄分を含む排気微粒子を捕集してＮＯＸ吸蔵還元触媒への排気微粒子の流入と大気への排気微粒子の放出とを防止する際に、排気微粒子の捕集による排気抵抗の増大や、捕集した排気微粒子の処理によるＮＯＸ吸蔵還元触媒の硫黄被毒を防止することが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、内燃機関の排気通路に配置された、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯＸを吸着、吸収またはその両方にて選択的に吸蔵保持し、流入する排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比となったときに、吸蔵したＮＯＸを排気中の還元成分を用いて還元浄化するＮＯＸ吸蔵還元触媒と、前記ＮＯＸ吸蔵還元触媒の上流側排気通路に配置された、硫黄分を含む排気微粒子を捕集するパティキュレート捕集手段と、前記パティキュレート捕集手段から放出された硫黄酸化物が前記下流側のＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されることを防止しながら、前記パティキュレート捕集手段に捕集された排気微粒子を硫黄酸化物の形でパティキュレート捕集手段から放出させるＳＯＸ放出手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１２】
すなわち、請求項１の発明ではＮＯＸ吸蔵還元触媒上流側に配置されたパティキュレート捕集手段により硫黄分を含む排気微粒子を捕集する。これにより、排気微粒子のＮＯＸ吸蔵還元触媒への流入や大気への排出が防止される。
また、ＳＯＸ放出手段は、パティキュレート捕集手段に捕集されたパティキュレートを、ＳＯＸの形で捕集手段から放出させるとともに、放出されたＳＯＸがＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されることを防止する。これにより、ＮＯＸ吸蔵還元触媒のＳＯＸ被毒が生じることを防止しながら、パティキュレート捕集により機関の排気抵抗が増大することを防止できる。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、前記ＳＯＸ放出手段は、前記パティキュレート捕集手段を理論空燃比またはリッチ空燃比雰囲気下で所定温度以上の温度に維持することにより、前記パティキュレート捕集手段に捕集された排気微粒子を硫黄酸化物として放出させる、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１４】
すなわち、請求項２の発明ではパティキュレート捕集手段に捕集された排気微粒子は、例えば機関排気を理論空燃比またはリッチ空燃比にするとともに、パティキュレート捕集手段の温度を上昇させることにより、パティキュレート捕集手段から硫黄酸化物（ＳＯＸ）の形で脱離、放出される。このＳＯＸは排気とともに下流側のＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入するが、排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比に維持されているため、排気中のＳＯＸはＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されずにそのまま触媒を通過する。これにより、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の硫黄被毒を防止しながらパティキュレート捕集手段から硫黄成分を含むパティキュレートを脱離させることが可能となる。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、前記排気微粒子は、燃焼時にＳＯＸと反応して固体硫酸塩を形成する硫黄固化剤を前記機関に供給することにより生成された固体硫酸塩を含む排気微粒子である、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項３の発明では機関に硫黄固化剤を供給することにより、機関排気中のＳＯＸ量を低減し、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の硫黄被毒の発生を防止している。また、硫黄固化剤により生成された固体硫酸塩はパティキュレート捕集手段により捕集されるため、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の硫黄被毒を防止しつつパティキュレートの大気への放出を防止することができる。
【００１６】
請求項４に記載の発明によれば、更に、前記パティキュレート捕集手段と前記ＮＯＸ吸蔵還元触媒との間の排気通路に配置された、排気中のＳＯＸ濃度を検出するＳＯＸセンサと、前記ＳＯＸセンサで検出した排気ＳＯＸ濃度に応じて前記ＳＯＸ放出手段を制御する制御手段を備えた、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１７】
すなわち、請求項４の発明ではパティキュレート捕集手段の下流側にＳＯＸセンサが設けられている。パティキュレート捕集手段に捕集された排気微粒子はＳＯＸ放出手段によりＳＯＸの形で捕集手段から放出されるため、ＳＯＸ放出手段によるＳＯＸ放出操作が行われると、パティキュレート捕集手段に排気微粒子が残留している間下流側の排気中のＳＯＸ濃度が増大する。また、パティキュレート捕集手段に捕集された排気微粒子の全量の脱離、放出が完了すると捕集手段下流側の排気のＳＯＸ濃度は低下する。このため、ＳＯＸセンサによりパティキュレート捕集手段下流側の排気ＳＯＸ濃度を監視することにより、ＳＯＸ放出手段によるＳＯＸ放出操作の終了タイミングを判定することが可能となる。
【００１８】
請求項５に記載の発明によれば、更に、前記パティキュレート捕集手段と前記ＮＯＸ吸蔵還元触媒との間の排気通路に配置された、排気空燃比を検出する空燃比センサと、前記空燃比センサで検出した排気空燃比に応じて前記ＳＯＸ放出手段を制御する制御手段を備えた、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１９】
すなわち、請求項５の発明では請求項４の発明と同様に空燃比センサで検出したパティキュレート捕集手段下流側の排気空燃比により、ＳＯＸ放出手段によるＳＯＸ放出操作の終了タイミングが判定される。ＳＯＸ放出時にはパティキュレート捕集手段は高温に維持されるため、硫黄分を含む排気微粒子以外にパティキュレート捕集手段に捕集された煤、未燃燃料などが燃焼する。この燃焼により排気中の酸素が消費されるため、燃焼が続く間はパティキュレート捕集手段下流側の排気の空燃比はリッチ方向にシフトするようになる。また、排気微粒子の燃焼が終了すると捕集手段下流側の排気空燃比はリーン方向にシフトする。このため、パティキュレート捕集手段下流側に配置した空燃比センサで排気空燃比を監視することにより、ＳＯＸ放出手段によるＳＯＸ放出操作の終了タイミングを判定することが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明を自動車用ガソリン機関に適用した実施形態の装置全体の基本構成概略を示す図である。
図１において、１は機関本体（図には１気筒のみを示す）、１ａは気筒燃焼室、３は吸気通路、３ａは吸気弁、５は排気通路、５ａは排気弁、７は点火プラグ、９はピストンを、それぞれ示している。また、４０は機関燃焼室１ａに直接燃料を噴射する燃料噴射弁である。
【００２１】
本実施形態では、機関１は負荷条件に応じて運転空燃比が変更されるが、その運転領域の大部分で理論空燃比よりリーンな空燃比で運転される、いわゆるリーンバーンエンジンとされている。
本実施形態では、排気通路５の機関１に近い位置には排気中の微粒子（パティキュレートマター、或いはＰＭ）を捕集するパティキュレートフィルタ（ＰＦ）５ｂが配置され、その下流側にはＮＯＸ吸蔵還元触媒２０が配置されている。
【００２２】
パティキュレートフィルタ（ＰＦ）５ｂは、例えば金属メッシュ、セラミック多孔質からなる公知の構成のフィルタとされ、通過する排気中の微粒子（ＰＭ）を捕集する。本実施形態では、いずれの公知の形式のパティキュレートフィルタをも使用することができる。
ＮＯＸ吸蔵還元触媒は、機関１の排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯＸを選択的に吸収または吸着して保持（吸蔵）することによりリーン空燃比の排気からＮＯＸを除去し、機関１の排気空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比になったときに、排気中に含まれる炭化水素やＣＯなどの還元成分を用いて吸蔵したＮＯＸをＮ２に還元、浄化して放出する。
【００２３】
リーン空燃比運転中、ＮＯＸ吸蔵還元触媒２０に吸蔵したＮＯＸの量が増大すると、ＮＯＸ吸蔵還元触媒２０のＮＯＸ吸蔵能力は吸蔵したＮＯＸの量に応じて低下する。ＮＯＸ吸蔵還元触媒２０の排気中のＮＯＸの除去効率（浄化率）はＮＯＸ吸蔵還元触媒の吸蔵能力とともに低下するため、ＮＯＸ吸蔵還元触媒２０の排気浄化率は触媒２０に吸蔵したＮＯＸ量が増大するにつれて低下する。そして、ＮＯＸ吸蔵還元触媒が吸蔵可能な最大量のＮＯＸを吸蔵した状態（飽和状態）では、ＮＯＸ吸蔵還元触媒２０は排気中のＮＯＸを全く吸蔵することができなくなりＮＯＸ吸蔵還元触媒２０のＮＯＸ浄化率はゼロになる。
【００２４】
ＮＯＸ除去効率低下を防止するために、本実施形態ではＮＯＸ吸蔵還元触媒２０のＮＯＸ吸蔵量がある程度まで増大したとき（或いは、ＮＯＸの浄化率がある程度まで低下したとき）にはリーン空燃比運転中の機関１を短時間リッチ空燃比で運転するリッチスパイク操作を行う。
リッチスパイクを行うことにより、一時的に機関１の排気空燃比はリッチ空燃比になり、酸素濃度が低下するとともに排気中の未燃炭化水素やＣＯ２、還元成分であるＣＯ等の量が増大する。これらの成分はＮＯＸ吸蔵還元触媒２０に吸蔵されたＮＯＸと反応し、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯＸがＮ２に還元浄化され、ＮＯＸ吸蔵還元触媒２０から脱離する。
【００２５】
この、リッチスパイク操作によりＮＯＸ吸蔵還元触媒２０に吸蔵されたＮＯＸの量が減少するため、ＮＯＸ吸蔵還元触媒はＮＯＸ吸蔵能力を回復するようになる。
ところが、ガソリンには微量の硫黄分が含まれているため機関１の排気には通常だと硫黄の燃焼により生じたＳＯＸ（ＳＯ２、ＳＯ３等の硫黄酸化物）が含まれている。
【００２６】
ＳＯＸはＮＯＸと同じように吸着または吸収によりＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵される。しかも、一旦吸蔵されたＳＯＸはＮＯＸの還元浄化のためのリッチスパイク操作ではＮＯＸ吸蔵還元触媒から脱離しない。
このため、リーン空燃比運転中適切な間隔でリッチスパイク操作を行ってもＮＯＸ吸蔵還元触媒のＳＯＸ吸蔵量は増大を続けることになる。ＳＯＸの吸蔵量が増大した場合もＮＯＸ吸蔵量と同様にＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ吸蔵能力は低下し、ＮＯＸ浄化能力もそれに応じて低下する。この、ＳＯＸ吸蔵量の増大によるＮＯＸ吸蔵還元触媒のＮＯＸ浄化率の低下を本明細書では「硫黄被毒」または「Ｓ被毒」と呼んでいる。
【００２７】
ＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＳＯＸは高温かつリッチな排気をＮＯＸ吸蔵還元触媒に供給することにより脱離させることができる。しかし、硫黄被毒を解消するためには、通常の運転時より排気温度をかなり上昇させたリッチ空燃比運転をある程度の時間行う必要があるため、機関の発生トルクの変動や燃料消費の増大を生じる問題や、運転中に充分に硫黄被毒を解消できない場合が生じる。
【００２８】
このため、一旦生じてしまった硫黄被毒を解消させることよりも、排気中のＳＯＸを低減してＮＯＸ吸蔵還元触媒の硫黄被毒を抑制する方が実際的である。
そこで、本実施形態では硫黄固化剤を機関に供給して燃料とともに燃焼させることにより、排気中のＳＯＸ量を低減するようにしている。
本実施形態で使用する硫黄固化剤は、例えばカリウム（Ｋ）、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、鉄（Ｆｅ）、セリウム（Ｃｅ）などの金属を含む化合物であり、溶剤または液体燃料に溶解した液体として機関燃焼室に供給される。
硫黄固化剤は、燃焼時に選択的に燃料中の硫黄分と反応して排気中に金属硫酸塩を生成する。これらの金属硫酸塩は通常の排気温度では固体粒子となるため、ＮＯＸ吸蔵還元触媒に流入しても触媒には吸蔵されずそのまま触媒を通過する。一方、硫酸塩が生成された分だけ排気中のガス状のＳＯＸ（ＳＯ２、ＳＯ３等）の量は低減するため、硫黄固化剤を機関に供給することにより、ＮＯＸ吸蔵還元触媒のＳＯＸ吸蔵量増大による硫黄固被毒を予防することが可能となる。
【００２９】
図１において、４５は機関１の燃料タンク、４３は高圧燃料ポンプを示す。また、４１は各気筒の燃料噴射弁４０に接続された共通のコモンレールである。コモンレール４１には、高圧燃料ポンプ４３により燃料タンク４５内の燃料が加圧供給され、コモンレール４１から各気筒の燃料噴射弁４０に分配供給される。
本実施形態では、燃料タンク４５、燃料ポンプ４３等の燃料系統とは別に硫黄固化剤の供給系統が設けられている。図１に５１で示すのは、硫黄固化剤を適宜な濃度で溶解した燃料または可燃性溶剤からなる添加剤を貯留する添加剤タンク、５３はタンク内の添加剤を高圧に加圧してコモンレール４１に注入する添加剤ポンプである。コモンレール４１に注入された添加剤は、燃料タンク４５から供給される燃料とコモンレール４１内で混合し、燃料噴射弁４０から燃焼室に噴射される。
【００３０】
図１に３０で示すのは、機関１の電子制御ユニット（ＥＣＵ）である。本実施形態ではＥＣＵ３０は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ、入出力ポートを双方向性バスで接続した公知のマイクロコンピュータとして構成される。ＥＣＵ３０は、燃料ポンプ４３の吐出量を制御してコモンレール４１内の燃料圧力を運転条件に応じて変化させる噴射圧制御、燃料噴射弁４０の開弁時期、期間を制御して燃料噴射量、時期を制御する燃料噴射制御などの基本制御と前述したＮＯＸ吸蔵還元触媒からのＮＯＸ脱離のためのリッチスパイク操作を行っているほか、本実施形態では、後述するパティキュレートフィルタ５ｂの再生操作を行う。
【００３１】
これらの制御のため、ＥＣＵ３０には機関回転数、運転者のアクセルペダル踏み込み量（アクセル開度）、吸気管圧力等がそれぞれ対応するセンサ（図示せず）から入力されているほか、本実施形態では排気通路５のパティキュレートフィルタ５ｂ出口に配置されたＳＯＸセンサ３５から、パティキュレートフィルタ５ｂ出口排気中のＳＯＸ成分濃度に対応する信号が入力されている。
【００３２】
前述のように、硫黄固化剤を燃焼室に供給することにより、排気中のＳＯＸは低減されるものの排気中には固体金属硫酸塩から成る微粒子が生成されることになる。硫黄固化剤により生成された固体金属硫酸塩はＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されることなく通過するが、実際には触媒に流入する排気中に金属硫酸塩の微粒子が含まれていると、例えばＮＯＸ吸蔵還元触媒の表面に金属硫酸塩が付着してしまい、触媒表面が金属硫酸塩で覆われて触媒と排気との接触面積が減少する場合がある。
【００３３】
更に、下流側に触媒に付着せずに排気中の金属硫酸塩がそのまま大気に放出されると、排気微粒子の排出量が増大し排気性状が悪化する問題がある。
そこで本実施形態では、前述したパティキュレートフィルタ５ｂをＮＯＸ吸蔵還元触媒２０上流側の排気通路に配置し、硫黄固化剤の供給により生成された排気中の固体金属硫酸塩の微粒子をフィルタ５ｂに捕集するようにしている。
【００３４】
パティキュレートフィルタ５ｂにより排気中の金属硫酸塩微粒子を捕集することにより、大気へのパティキュレートの放出が防止されるとともにＮＯＸ吸蔵還元触媒への微粒子の付着が防止されるため、ＮＯＸ吸蔵還元触媒の硫黄被毒とパティキュレートの排出量の増大との両方を抑制することが可能となる。
ところが、硫黄固化剤を燃焼させる運転を継続するとパティキュレートフィルタ５ｂに捕集されたパティキュレートの量が徐々に増大し、パティキュレートフィルタ５ｂの排気抵抗が増加するため、機関１の性能低下が生じる場合がある。
【００３５】
通常、パティキュレートフィルタの捕集パティキュレート量が増大した場合には、パティキュレートフィルタ上でパティキュレートを燃焼させることによりパティキュレートフィルタからパティキュレートを除去し、排気抵抗を当初の値まで低減することができる。しかし、本実施形態では燃焼によりパティキュレートフィルタを再生（排気抵抗の低減）を行うと、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（金属硫酸塩粒子）の酸化によりガス状の硫黄酸化物（ＳＯＸ）が発生する。
【００３６】
前述したように、ＳＯＸはＮＯＸ吸蔵還元触媒に吸蔵されるとＮＯＸ吸蔵能力を低下させ、吸蔵量が増大するとＮＯＸ吸蔵還元触媒の硫黄被毒を発生させる。このため、単にパティキュレートフィルタ５ｂ上のパティキュレートを燃焼させてパティキュレートフィルタを再生したのでは、ＮＯＸ吸蔵還元触媒２０の硫黄被毒が生じる。
【００３７】
そこで、本実施形態では上記問題を解決するために、以下の方法でＮＯＸ吸蔵還元触媒２０にＳＯＸが吸蔵されることを防止しつつパティキュレートフィルタ５ｂの再生を行うようにしている。
すなわち、本実施形態ではパティキュレートフィルタ５ｂの再生操作を実行すべき時には、機関１を理論空燃比またはリッチ空燃比で運転する。これにより、ＮＯＸ吸蔵還元触媒２０には理論空燃比またはリッチ空燃比の排気が流入するようになる。
【００３８】
前述したように、ＮＯＸ吸蔵還元触媒２０は流入する排気の空燃比がリーン空燃比の場合にのみ排気中のＳＯＸを吸蔵する。このため、パティキュレートフィルタ５ｂ再生操作時にＮＯＸ吸蔵還元触媒２０に流入する排気の空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比にすることにより、パティキュレートフィルタ５ｂから脱離、放出されたＳＯＸは吸蔵されることなくＮＯＸ吸蔵還元触媒２０を通過する。このため、ＮＯＸ吸蔵還元触媒２０にＳＯＸが吸蔵されることを防止しつつパティキュレートフィルタ５ｂの再生を行うことができる。
【００３９】
図２は上記パティキュレートフィルタ５ｂの再生操作を説明するフローチャートである。本操作はＥＣＵ３０により一定時間毎に実行されるルーチンとして行われる。
図２の操作では、まずステップ２０１で現在パティキュレートフィルタ５ｂの再生操作実行条件が成立しているか否かが判定される。本実施形態では、再生操作実行条件は、例えば機関の排気マニホルドの圧力を検出し、予め定めた運転状態における排気圧力が所定値以上に上昇したこととされる。パティキュレート捕集量が増大しパティキュレートフィルタ５ｂの排気抵抗が増大すると排気圧力もそれに応じて増大する。このため、予め定めた運転状態で背圧が所定値以上に成った場合にパティキュレートフィルタ５ｂに所定量以上のパティキュレートが捕集されたと判断できるためである。
【００４０】
再生操作実行条件は、上記排気圧力が所定値以上になったこと以外にも、例えば前回再生操作を完了してからの燃料噴射の積算値または走行距離が所定値以上になったこととしてもよい。機関で発生する金属硫酸塩の量は機関に供給された燃料量（硫黄固化剤量）に比例して増大する。燃料噴射量の積算値または走行距離は機関に供給された燃料の積算値に比例すると考えられるため、パティキュレートフィルタ５ｂに捕集された金属硫酸塩の量を表す指標として使用することができる。
【００４１】
ステップ２０１で再生操作実行条件が成立した場合には、次にステップ２０３に進み、リッチ空燃比フラグＡＲの値を１にセットする。本実施形態では、フラグＡＲの値が１にセットされると、ＥＣＵ３０は機関１の燃料噴射量を増量し機関の燃焼空燃比を理論空燃比以下（理論空燃比またはリッチ空燃比）になるようにする。これにより、パティキュレートフィルタ５ｂとＮＯＸ吸蔵還元触媒２０とには理論空燃比以下の排気が流入するようになる。
【００４２】
ステップ２０３実行後、ステップ２０５ではフラグＸＲの値が１にセットされる。ＸＲはパティキュレートフィルタ５ｂの再生操作実行フラグであり、ＸＲの値が１にセットされると、ＥＣＵ３０はパティキュレートフィルタ５ｂの再生操作を実行する。
再生操作は、具体的にはパティキュレートフィルタ５ｂの温度を上昇させることにより行われる。パティキュレートフィルタ５ｂの温度昇温は、例えばパティキュレートフィルタ５ｂ入口に設けた電気ヒータ或いは燃焼式のヒータによりフィルタ５ｂに流入する排気の温度を上昇させても良いし、或いは機関１の負荷を増大して排気温度を上昇させることによっても良い。
【００４３】
これにより、パティキュレートフィルタ５ｂが昇温し、捕集された金属硫酸塩の脱離温度に到達すると、金属硫酸塩が硫黄酸化物（ＳＯＸ）の形でパティキュレートフィルタ５ｂから脱離する。パティキュレートフィルタ５ｂから脱離したＳＯＸは排気とともに下流側のＮＯＸ吸蔵還元触媒２０に流入する。しかし、本実施形態では再生操作時には必ず排気空燃比を理論空燃比以下に維持するようにしているため、排気中のＳＯＸはＮＯＸ吸蔵還元触媒２０には吸蔵されない。これにより、ＮＯＸ吸蔵還元触媒２０にＳＯＸが吸蔵されることを防止しつつパティキュレートフィルタ５ｂの再生を行うことができる。
【００４４】
次いでステップ２０７は再生操作が完了したか否かの判定を示す。再生操作はパティキュレートフィルタ５ｂが捕集したパティキュレートの全量がＳＯＸの形でパティキュレートフィルタから脱離したときに終了する。再生操作が完了したか否かは、例えば再生操作開始から所定時間が経過したか否かにより判断しても良いが、本実施形態では、パティキュレートフィルタ５ｂ出口の排気通路に配置したＳＯＸセンサ３５で検出した排気ＳＯＸ濃度に基づいて判定している。
【００４５】
すなわち、再生操作が開始されるとパティキュレートフィルタ５ｂに捕集された金属硫酸塩がＳＯＸの形で排気に放出されるため、パティキュレートフィルタ５ｂ出口排気のＳＯＸ成分濃度が上昇する。パティキュレートフィルタ５ｂ下流側排気のＳＯＸ濃度の上昇は、パティキュレートフィルタ５ｂからのＳＯＸ放出が続く限り継続し、パティキュレートフィルタ５ｂに捕集された金属硫酸塩の全量が脱離し終わると低下する。
【００４６】
本実施形態では、パティキュレートフィルタ５ｂの再生操作開始後、一旦上昇したパティキュレートフィルタ出口排気のＳＯＸ成分濃度が、予め定めた値まで下降したときに再生操作が完了したと判断している。
ステップ２０７で再生操作が完了すると（すなわち、再生操作開始後一旦上昇した排気ＳＯＸ濃度が所定値まで下降すると）、ステップ２０９と２１１とではフラグＡＲとＸＲとの値がそれぞれ０にセットされ、機関の運転空燃比は理論空燃比以下の空燃比から通常の空燃比に復帰するとともに、パティキュレートフィルタ５ｂの昇温のための加熱操作が停止される。
【００４７】
このように、パティキュレートフィルタ５ｂ出口の排気ＳＯＸ濃度をＳＯＸセンサ３５で検出し、ＳＯＸ濃度に基づいて再生操作（ＳＯＸ放出操作）の終了時期を判定することにより、必要な時間だけ過不足なくパティキュレートフィルタ５ｂを加熱することができ、パティキュレートを完全に脱離させるとともに、脱離完了後直ちに加熱を停止することが可能となる。
【００４８】
なお、ＳＯＸセンサ３５の代わりにパティキュレートフィルタ５ｂ出口の排気通路に配置した空燃比センサの出力基づいて再生操作の完了の有無を判定することも可能である。
例えば、パティキュレートフィルタ５ｂには金属硫酸塩以外にも未燃炭化水素や煤などのパティキュレートが捕集される。パティキュレートフィルタ５ｂの温度が上昇するとこれらの未燃炭化水素や煤もパティキュレートフィルタ５ｂ上で燃焼し、二酸化炭素の形で排気に放出されるようになる。このため、パティキュレートフィルタ上では酸素が消費され、再生操作が開始されるとパティキュレートフィルタ５ｂ出口の排気空燃比は開始前に較べて低下する。
【００４９】
この空燃比低下は、パティキュレートフィルタ５ｂに捕集された未燃燃料や煤などのパティキュレートの全量が燃焼し終わると再びパティキュレートフィルタ５ｂ入口の排気空燃比まで上昇する。
従って、ＳＯＸセンサの代わりに、空燃比センサで検出したパティキュレートフィルタ５ｂ出口の排気空燃比を用いて再生操作完了の有無を判定する場合には、空燃比センサで検出したパティキュレートフィルタ５ｂ出口の排気空燃比を監視し、再生操作開始後一旦低下した排気空燃比が所定の判定値まで上昇したときに再生操作が完了したと判断するようにすれば良い。
【００５０】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明によれば、硫黄分を含む排気微粒子を捕集してＮＯＸ吸蔵還元触媒への排気微粒子の流入と大気への排気微粒子の放出とを防止する排気浄化装置において、排気微粒子の捕集による排気抵抗の増大や、捕集した排気微粒子の処理によるＮＯＸ吸蔵還元触媒の硫黄被毒を防止することを可能とする共通の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を自動車用内燃機関に適用した場合の実施形態の概略構成を示す図である。
【図２】図１の実施形態のパティキュレートフィルタの再生操作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１…内燃機関本体
２０…ＮＯＸ吸蔵還元触媒
３０…電子制御ユニット（ＥＣＵ）
３５…ＳＯＸセンサ
４０…燃料噴射弁
４３…燃料ポンプ
４５…燃料タンク
５１…添加剤タンク
５３…添加剤ポンプ
【図１】
2004176664.tif 000003
【図２】
2004176664.tif 000004