(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガス中のＮＯｘを浄化するための直接還元型ＮＯｘ触媒と、排気ガス中のＰＭを浄化するための触媒付きＤＰＦを、排気ガス通路に上流側から順に配置した排気ガス浄化システムにおいて、排気ガス中の酸素濃度を低くすると共に触媒温度を硫黄パージ温度以上に昇温する、前記直接還元型ＮＯｘ触媒の硫黄被毒に対する触媒劣化回復処理中に、前記直接還元型ＮＯｘ触媒と前記触媒付きＤＰＦの間にエアを供給するエア供給システムを設けたことを特徴とする排気ガス浄化システム。
【請求項２】
前記エア供給システムは、ターボチャージャのコンプレッサによって過給される空気の一部を前記直接還元型ＮＯｘ触媒と前記触媒付きＤＰＦの間にエアを供給することを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化システム。
【請求項３】
前記触媒付きＤＰＦは、酸化触媒をウォールフロータイプの壁表面に塗布して形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項４】
前記触媒付きＤＰＦは、酸化触媒とＰＭ酸化触媒をウォールフロータイプの壁表面に塗布して形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項５】
前記触媒付きＤＰＦの代わりに、上流側に酸化触媒を配置したＤＰＦを用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項６】
排気ガス中のＮＯｘを浄化するための直接還元型ＮＯｘ触媒と、排気ガス中のＰＭを浄化するための触媒付きＤＰＦを、排気ガス通路に上流側から順に配置した排気ガス浄化システムの制御方法において、排気ガス中の酸素濃度を低くすると共に触媒温度を硫黄パージ温度以上に昇温する、前記直接還元型ＮＯｘ触媒の硫黄被毒に対する触媒劣化回復処理中に、前記直接還元型ＮＯｘ触媒と前記触媒付きＤＰＦの間にエアを供給することを特徴とする排気ガス浄化システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気ガス中のＮＯｘを還元して浄化すると共に、排気ガスの粒子状物質を捕集して燃焼除去する排気ガス浄化システム及びその制御方法に関する。より詳細には、ＮＯｘの浄化用に直接還元型ＮＯｘ触媒を上流側に配置し、ＰＭの浄化用に酸化触媒付きＤＰＦを下流側に配置した排気ガス浄化システム及びその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジン等の自動車の内燃機関の排気ガスから、粒子状物質（パティキュレートマテリアル：以下ＰＭとする）とＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するための排気ガス浄化システムについて種々の研究や提案がなされており、ＰＭに対しては、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter ：以下ＤＰＦとする）と呼ばれるフィルタが開発され、また、ＮＯｘについては、ＮＯｘ還元触媒や三元触媒等が開発されている。
【０００３】
このＤＰＦには、ＰＭを捕集するＤＰＦに白金（Ｐｔ）等の酸化触媒をフィルタの表面に塗布した酸化触媒付きＤＰＦや、白金等の酸化触媒と酸化セリウム（ＣｅＯ2 ）等のＰＭ酸化触媒をフィルタの表面に塗布したＰＭ酸化触媒付きＤＰＦ等の触媒付きＤＰＦがある。
【０００４】
この酸化触媒付きＤＰＦでは、ＮＯ2 によるＰＭの酸化が、Ｏ2 による酸化よりもエネルギー障壁が低く低温で行うことが可能な点を利用して、酸化触媒により排気ガス中のＮＯを酸化し、発生したＮＯ2 で捕集されたＰＭを酸化してＣＯ2 とし、ＰＭを除去している。
【０００５】
また、ＰＭ酸化触媒付きＤＰＦでは、酸化セリウム等の触媒を有し、低温酸化域（３５０℃〜４５０℃程度）では、酸化触媒でＮＯをＮＯ2 に酸化し、このＮＯ2 でＰＭを酸化し、中温酸化域（４００℃〜６００℃程度）では、ＰＭ酸化触媒で排気ガス中のＯ2 を活性化させてＰＭを直接酸化し、ＰＭが排気ガス中のＯ2 で燃焼する温度以上の高温酸化域（６００℃程度以上）では排気ガス中のＯ2 によりＰＭを酸化している。
【０００６】
また、フィルタに酸化触媒を塗布せずに、フィルタの上流側に白金等の酸化触媒を配置し、上流側の酸化触媒で排気ガス中のＮＯを酸化し、発生したＮＯ2 で、下流側のＤＰＦに捕集されたＰＭを酸化してＣＯ2 とし、ＰＭを除去するものもある。
【０００７】
これらの触媒付きＤＰＦや酸化触媒前置のＤＰＦでは、触媒や、ＮＯ2 によるＰＭの酸化を利用することによって、ＰＭを酸化できる温度を下げて、ＰＭを捕集しながら酸化除去している。
【０００８】
しかしながら、これらの触媒付きＤＰＦや酸化触媒前置のＤＰＦでも、まだ、排気ガスを３５０℃程度に昇温させる必要があるため、アイドルや低負荷のエンジン運転状態では、排気ガス温度が不足して触媒が活性化しないため、上記の反応が起こらず、ＰＭが酸化されずにＤＰＦに堆積してしまう。そのため、噴射時期遅延や多段噴射等で排気ガス温度を上昇させたり、ポスト噴射や排気管内噴射によって酸化触媒に燃料を供給して燃焼させて、ＰＭを再燃焼温度以上に昇温させて燃焼させる等して、ＤＰＦの再生処理を行っている。このＤＰＦの再生に際しては、酸素濃度を比較的高くして酸化雰囲気で捕集されているＰＭをＰＭ燃焼温度にする必要がある。
【０００９】
一方、ＮＯｘ浄化用の触媒に関しては、その一つに特開２０００−２７４２７９号公報等で提案されている内燃機関の排気浄化装置に用いられているＮＯｘ吸蔵還元触媒がある。このＮＯｘ吸蔵還元触媒は、触媒担体上に白金等の貴金属触媒とバリウム（Ｂａ）等のアルカリ土類等を担持して形成され、高酸素濃度雰囲気下では、排気ガス中のＮＯは貴金属触媒の触媒作用により酸化されてＮＯ2 となり、硝酸イオンＮＯ3 - の形で触媒内に拡散し硝酸塩の形で吸収される。
【００１０】
そして、空燃比がリッチになり酸素濃度が低下すると硝酸イオン（ＮＯ3 - ）がＮＯ2 の形で放出され、貴金属触媒の触媒作用により、排気ガス中に含まれている未燃炭化水素（ＨＣ）やＣＯやＨ2 等の還元剤でＮＯ2 はＮ2 に還元される。この還元作用により、大気中にＮＯｘが放出されるのを阻止することができる。
【００１１】
そのため、特開２０００−２７４２７９号公報の排気浄化装置では、流入する排気ガスの空燃比がリーンである時にＮＯｘをＮＯｘ吸蔵還元型触媒に吸収させると共に、ＮＯｘ吸収能力が飽和に近くなると、排気ガスの空燃比を理論空燃比やリッチにする再生処理を行って、流入する排気ガスの酸素濃度を低下させることにより吸収したＮＯｘを放出させて、この放出されたＮＯｘを還元させ、ＮＯｘを浄化している。
【００１２】
しかしながら、この再生処理時においては、放出されるＮＯｘを貴金属触媒により還元する必要があるが、極めて大量のＮＯｘが短時間に放出されるので、適量の還元剤を供給しても、ＮＯｘの全量を確実に還元剤と貴金属触媒に接触させて、Ｎ2 に還元することは難しく、一部のＮＯｘが漏出してしまうので、ＮＯｘの低減に限界が生じるという問題がある。
【００１３】
更に、ディーゼルエンジンの燃料に含まれている硫黄分によって触媒機能が劣化してしまうので、長時間にわたってＮＯｘの浄化率を高く維持することが難しいという硫黄被毒の問題がある。
【００１４】
この硫黄被毒による劣化状態を回復するための硫黄パージには、触媒温度を６５０℃まで昇温することが必要であり、ディーゼルエンジンにおいては、この触媒温度を６５０℃以上にするためには、排気ガス温度を６００℃以上に昇温させる必要がある。しかし、吸気絞りやリッチ燃焼等の排気ガス昇温制御を行っても、エンジンの制御だけで触媒温度を６５０℃まで昇温させることは実際上は困難である。
【００１５】
一方、このＮＯｘ吸蔵還元触媒とは別に、フィンランド共和国への特許出願ＮＯ．１９９９２４８１やＮＯ．２００００６１７に記載されているＮＯｘを直接還元する触媒（以下、直接還元型ＮＯｘ触媒という。）がある。
【００１６】
この直接還元型ＮＯｘ触媒は、図７や図８に示すように、β型ゼオライト等の担体Ｔに触媒成分であるロジウム（Ｒｈ）やパラジウム（Ｐｄ）等の金属Ｍを担持させたもので、ディーゼルエンジン等の内燃機関の空燃比がリーン状態の排気ガスのように酸素濃度が高い雰囲気では、図７に示すように、ＮＯｘと接触して、ＮＯｘをＮ2 に還元すると共にこの触媒成分自体が酸化して酸化ロジウム等の酸化金属ＭＯｘとなる。この金属Ｍが全部酸化してしまうとＮＯｘの還元能力が無くなるので、ある程度酸化された時点で再生させる必要がある。
【００１７】
この再生は、空燃比が理論空燃比やリッチ状態の時のように、排気ガス中の酸素濃度を略ゼロ％に低い状態にして、図８に示すように、この酸化ロジウム等の酸化金属ＭＯｘを還元雰囲気で、未燃ＨＣやＣＯや水素Ｈ2 等の還元剤と接触させて還元して金属Ｍに戻すことにより行なう。
【００１８】
なお、この直接還元型ＮＯｘ触媒においては、酸化金属ＭＯｘを還元する反応は他の触媒に比較して低温（例えば２００℃以上）でも迅速に行なわれ、しかも、硫黄被毒の問題が少ないという利点がある。
【００１９】
そして、更に、金属Ｍの酸化作用を軽減し、ＮＯｘ還元能力の保持に寄与するセリウム（Ｃｅ）を配合し、下層に三元触媒を設けて酸化還元反応、特にリッチ状態におけるＮＯｘの還元反応を促進するようにしている。また、ＮＯｘの浄化率を向上させるために担体に鉄（Ｆｅ）を加える等している。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、硫黄被毒がＮＯｘ吸蔵還元触媒に比べて少ないとはいうものの、燃料中の硫黄分により徐々に硫黄被毒して劣化する。即ち、担体に加えた鉄に、排気ガス中の硫黄分がＳＯ2 として吸収されるので、この鉄によるＮＯｘの浄化性能の向上が阻害される一次的な硫黄被毒が生じたり、更に、還元剤を含まない一定の温度の酸化雰囲気中で鉄から排出されたＳＯ2 がＳＯ3 に変化して、セリウムと化合するので、このセリウムによるＮＯｘ還元能力の保持に対する寄与が減少したりする二次的な硫黄被毒が生じて、ＮＯｘの浄化率が低下する。
【００２１】
ただし、直接還元型ＮＯｘ触媒においては、この硫黄被毒に対する触媒劣化回復に必要な触媒温度（硫黄パージ温度）は４００℃程度であり、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の６５０℃に比較して低く、通常の運転状態でも容易に達成することができる。
【００２２】
この硫黄被毒による劣化が直接還元型ＮＯｘ触媒で進展すると、排気ガスの空燃比がリーン状態で酸素濃度が高い雰囲気であっても、ＮＯｘをＮ2 に還元する能力が低下しているためＮＯｘの浄化率が低下し、また、すぐにＮＯｘ還元能力が限界に近くまで低下するため、リッチ燃焼による再生処理を頻繁に行う必要が生じるので、燃費の悪化が生じる。
【００２３】
そのため、直接還元型ＮＯｘ触媒において、酸化金属ＭＯｘを還元雰囲気で、還元剤と接触させて還元して金属Ｍに戻す再生処理の他に、この硫黄被毒による劣化の進捗状態を監視し、劣化がある程度進捗した段階で、二次的な硫黄被毒を回避するために低酸素状態で、触媒の温度を４００℃程度の硫黄パージ温度以上にして硫黄分を除去する硫黄パージによる触媒劣化回復処理を行う必要があり、強制的にこの触媒劣化回復処理を行っている。
【００２４】
しかしながら、この硫黄パージにおいて、排気ガスを低酸素濃度にするリッチスパイク運転をすると、排気ガス中に未燃成分であるＨＣ、ＣＯが多量に生成され、外部に排出されてしまうので、排気ガス浄化の面から好ましくないという問題がある。
【００２５】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、上流側の直接還元型ＮＯｘ触媒における硫黄被毒に対する触媒劣化回復処理の際に、発生するＨＣ、ＣＯを利用して、下流側のＤＰＦに捕集されているＰＭを燃焼除去できる排気ガス浄化システム及びその制御方法を提供することにある。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成するための排気ガス浄化システムは、排気ガス中のＮＯｘを浄化するための直接還元型ＮＯｘ触媒と、排気ガス中のＰＭを浄化するための触媒付きＤＰＦを、排気ガス通路に上流側から順に配置した排気ガス浄化システムにおいて、排気ガス中の酸素濃度を低くすると共に触媒温度を硫黄パージ温度以上に昇温する、前記直接還元型ＮＯｘ触媒の硫黄被毒に対する触媒劣化回復処理中に、前記直接還元型ＮＯｘ触媒と前記触媒付きＤＰＦの間にエアを供給するエア供給システムを設けて構成される。
【００２７】
この「直接還元型ＮＯｘ触媒」とは、排気ガス中の酸素濃度が高い時に、触媒成分がＮＯｘ（窒素酸化物）をＮ2 （窒素）に還元すると共にこの触媒成分が酸化され、且つ、排気ガス中の酸素濃度が低下した時に、この触媒成分が還元される触媒のことをいい、この直接還元型ＮＯｘ触媒は、β型ゼオライト等の担体に触媒成分であるロジウム（Ｒｈ）やパラジウム（Ｐｄ）等の特別な金属を担持させて構成することができる。
【００２８】
そして、更に、この触媒成分の金属の酸化作用を軽減し、ＮＯｘ還元能力の保持に寄与させるためにセリウム（Ｃｅ）を配合し、酸化還元反応、特にリッチ状態における放出されたＮＯｘの還元反応を促進するために、下層に白金等を有する三元触媒を設けたり、また、ＮＯｘの浄化率を向上させるために担体に鉄（Ｆｅ）を加えたりして形成することができる。
【００２９】
この触媒劣化回復処理は、直接還元型ＮＯｘ触媒の硫黄被毒に対して、二次的な硫黄被毒を回避するために、排気ガス中の酸素濃度をほぼゼロにすると共に、排気ガス温度を昇温して触媒温度を硫黄が排出される硫黄パージ温度（約４００℃程度）以上に昇温する処理であり、吸気絞り等の吸気量制御や後噴射等の燃料噴射制御やＥＧＲ制御等によるリッチスパイク制御によって実施することができる。
【００３０】
また、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記エア供給システムは、ターボチャージャのコンプレッサによって過給される空気の一部を前記直接還元型ＮＯｘ触媒と前記触媒付きＤＰＦの間にエアを供給するように構成する。この構成により、比較的簡単なシステムで空気を供給することができる。
【００３１】
そして、上記の排気ガス浄化システムにおける前記触媒付きＤＰＦとしては、酸化触媒を有する様々な種類のＤＰＦを利用できるが、酸化触媒をウォールフロータイプの壁表面に塗布して形成した触媒付きＤＰＦや、酸化触媒とＰＭ酸化触媒をウォールフロータイプの壁表面に塗布して形成した触媒付きＤＰＦを用いることができる。また、前記触媒付きＤＰＦの代わりに、上流側に酸化触媒を配置したＤＰＦを用いることもできる。
【００３２】
そして、上記の目的を達成するための排気ガス浄化システムの制御方法は、排気ガス中のＮＯｘを浄化するための直接還元型ＮＯｘ触媒と、排気ガス中のＰＭを浄化するための触媒付きＤＰＦを、排気ガス通路に上流側から順に配置した排気ガス浄化システムの制御方法において、排気ガス中の酸素濃度を低くすると共に触媒温度を硫黄パージ温度以上に昇温する、前記直接還元型ＮＯｘ触媒の硫黄被毒に対する触媒劣化回復処理中に、前記直接還元型ＮＯｘ触媒と前記触媒付きＤＰＦの間にエアを供給することを特徴とする。
【００３３】
これらの構成によれば、直接還元型ＮＯｘ触媒では、触媒劣化回復処理の硫黄パージを行う際に、二次的な硫黄被毒を回避するために、リッチスパイク運転をして、排気ガスを低酸素状態にするので、未燃焼成分ＨＣ、ＣＯが多量に排出され、同時に、リッチスパイク運転により排気ガス温度が上昇し、直接還元型ＮＯｘ触媒の下流側では排気ガス温度が通常では４００℃以上に上昇する。
【００３４】
この時直接還元型ＮＯｘ触媒の下流側にエア供給を行うと、下流側の触媒付きＤＰＦの酸化触媒により、リッチスパイク運転で発生したＨＣ、ＣＯが酸化するので、この酸化により、ＤＰＦに捕集されているＰＭが昇温し、ＰＭは供給されるエア中のＯ2 で燃焼して除去され、ＤＰＦが再生される。
【００３５】
従って、この上流側の直接還元型ＮＯｘ触媒と下流側の触媒付きＤＰＦ（又は酸化触媒前置のＤＰＦ）を組み合わせてエア供給システムを設けた本発明の排気ガス浄化システムとその制御方法では、直接還元型ＮＯｘ触媒の触媒劣化回復処理の硫黄パージの際に、直接還元型ＮＯｘ触媒と触媒付きＤＰＦ（又は酸化触媒前置のＤＰＦ）の間にエアを供給することで、直接還元型ＮＯｘ触媒の硫黄パージで発生する未燃ＨＣ、ＣＯの外部への排出を防止でき、しかも、同時に触媒付きＤＰＦのＰＭを燃焼除去できる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システム及びその制御方法について説明する。
【００３７】
最初に、排気ガス浄化システムについて説明する。図１に示すように、この排気ガス浄化システム１０は、エンジン本体１の排気ガス通路２に、上流側から順に直接還元型ＮＯｘ触媒３と触媒付きＤＰＦ４を配置し、更に、この直接還元型ＮＯｘ触媒３と触媒付きＤＰＦ４との間にエア供給口５ａを有するエア供給システム５を設けて構成される。
【００３８】
この直接還元型ＮＯｘ触媒３は、図７や図８に示すように、β型ゼオライト等の担体Ｔにロジウム（Ｒｈ）やパラジウム（Ｐｄ）等の特別な金属Ｍを担持させて構成される。そして、更に、金属Ｍの酸化作用を軽減し、ＮＯｘ還元能力の保持に寄与するセリウム（Ｃｅ）を配合し、下層に白金等を有する三元触媒を設けて酸化還元反応、特にリッチ状態におけるＮＯｘの還元反応を促進するようにし、また、ＮＯｘの浄化率を向上させるために担体に鉄（Ｆｅ）を加えている。
【００３９】
そして、この直接還元型ＮＯｘ触媒３は、図７に示すように、ディーゼルエンジン等の内燃機関の空燃比がリーンの排気ガスのように酸素濃度が高い雰囲気では、ＮＯｘと接触して、ＮＯｘをＮ2 に還元すると共にこの金属Ｍ自体が酸化して酸化ロジウム（ＲｈＯｘ）等の酸化金属ＭＯｘとなり、図８に示すように、空燃比が理論空燃比やリッチ状態の時のように排気ガス中の酸素濃度が略ゼロ％の低い還元雰囲気の場合には、酸化金属ＭＯｘが、未燃ＨＣやＣＯやＨ2 等の還元剤と接触して還元されてロジウム等の元の金属Ｍに戻る性質を有するものである。
【００４０】
この触媒付きＤＰＦ４は、多孔質のコーディライト、あるいは、炭化ケイ素によって多数のガス通路（セル）が平行に形成され、この周囲を多孔質壁面で囲まれた多数の排気ガス通路の入口側と出口側を千鳥状に目封止して形成されるウォールフロータイプと呼ばれるハニカムフィルタや、セラミック繊維をステンレス多孔管に巻き付けて積層した繊維型フィルタ等で形成する。
【００４１】
そして、酸化触媒付きのＤＰＦの場合には、このフィルタの壁表面に白金（Ｐｔ）等の酸化触媒を塗布し、ＰＭ酸化触媒付きＤＰＦの場合には、このフィルタの壁表面に白金等の酸化触媒と酸化セリウム（ＣｅＯ2 ）等のＰＭ酸化触媒を塗布して形成される。
【００４２】
これらの触媒付きＤＰＦ４は、未燃ＨＣ、ＣＯを１９０℃〜２００℃の酸化雰囲気で燃焼することができる。
【００４３】
また、エア供給システム５は、触媒付きＤＰＦ４の直前のエア供給口５ａと、ターボ６のコンプレッサー６ａの後流側のエア吸入口５ｂを連結するエア供給配管５ｃと、このエア供給配管５ｃに設けられたエア供給弁５ｄとを有して構成される。
【００４４】
そして、エンジンの運転状態、主にトルクＱとエンジン回転数Ｎｅを検出するトルクセンサや回転数センサ等からなる運転状況検出装置２１が設けられる。また、排気ガス通路２の直接還元型ＮＯｘ触媒３の上流側には空燃比Ａｆを検知するための空燃比センサ２２が、また、直接還元型ＮＯｘ触媒３には触媒温度Ｔcat を検知するための触媒温度センサ２３が、更に、下流側にはＮＯｘ濃度Ｃnox を検知するＮＯｘセンサ２４が設けられる。また、排気ガス温度を検知するための温度センサ２５、２６が、直接還元型ＮＯｘ触媒３の上流側と、ＤＰＦ４の下流側に設けられる。
【００４５】
そして、運転状況検出装置２１等から得られるエンジン１のトルク（負荷）Ｑやエンジン回転数Ｎｅ等を入力とし、燃料噴射制御等のエンジン全般の制御を行うエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）と呼ばれる制御装置５０を有して構成され、この制御装置５０に直接還元型ＮＯｘ触媒３の触媒再生制御や触媒劣化回復制御やＤＰＦ再生制御等を行なう排気ガス浄化システム制御手段２００が設けられる。
【００４６】
なお、吸気通路７には、エアクリーナー３１と、ターボチャージャ６のコンプレッサ６ａと、インタークーラ３２と、吸気スロットル弁３３が設けられ、更にＥＧＲ装置４０として、ＥＧＲ弁４２とＥＧＲクーラ４３を有するＥＧＲ通路４１と冷却水用配管４４が設けられている。
【００４７】
図２に示すように、この排気ガス浄化システム制御手段２００は、触媒再生時期判定手段２１１や触媒再生処理制御手段２１２を含む触媒再生手段２１０と、硫黄パージ時期判定手段２２１や硫黄パージ処理制御手段２２２を含む触媒劣化回復手段２２０と、ＤＰＦ再生時期判定手段２３１やＤＰＦ再生処理制御手段２３２を含むＤＰＦ再生手段２３０を有して構成される。
【００４８】
この触媒再生手段２１０は、排気ガスの空燃比がリーン状態の酸素濃度が高い通常の運転状態で、ＮＯｘと接触してＮＯｘをＮ2 に還元して酸化金属ＭＯｘとなった直接還元型ＮＯｘ触媒３を、排気ガスの空燃比がリッチ状態の酸素濃度が低い状態で再生する手段であり、触媒再生時期判定手段２１１でこの触媒再生を行うタイミングを判定し、触媒再生時期であると判定した時に、触媒再生処理制御手段２１２で、空燃比が理論空燃比やリッチ状態の酸素濃度が略ゼロ％の状態の排気ガスを発生し、酸化金属ＭＯｘを還元雰囲気で未燃ＨＣやＣＯやＨ2 等の還元剤と接触させて還元して金属Ｍに戻す。
【００４９】
なお、この通常の運転状態とは、直接還元型ＮＯｘ触媒３の再生処理用の運転や触媒劣化回復処理用の運転や触媒付きＤＰＦ４の再生処理等を行っていない時の、エンジンに要求されるトルクや回転数で運転する運転のことをいい、この通常の運転状態では、排気ガス中のＮＯｘは直接還元型ＮＯｘ触媒３により、直接Ｎ2 に還元されて浄化され、排気ガス中のＰＭは触媒付きＤＰＦ４による捕集及び燃焼除去により浄化される。
【００５０】
この触媒再生時期判定手段２１１は、ＮＯｘを還元している時の直接還元型ＮＯｘ触媒３の下流側の排気ガス中のＮＯｘ濃度Ｃnox や、酸素濃度が高い状態の経過時間や、ＮＯｘを還元している時に直接還元型ＮＯｘ触媒３によって還元されるＮＯｘ量を推定演算した推定演算量等で、触媒再生時期であるか否かを判定する。
【００５１】
また、触媒再生処理制御手段２１２は、排気ガス中の酸素濃度を低下させる手段、即ち、空燃比Ａｆが１４．７以下のリッチスパイク運転を行う手段であり、内燃機関の燃焼室に供給される燃料の噴射を制御する燃料噴射制御や、吸入空気量を制御する吸気量制御や、ＥＧＲ装置のＥＧＲガス量を制御するＥＧＲ制御等のいずれか一つまたはその組み合わせで行い、空燃比センサ２２の検出値Ａｆに基づいて、この検出値Ａｆが所定の設定範囲内に入るようにフィードバック制御する。
【００５２】
なお、燃料噴射制御には、エンジンの燃焼室に噴射する燃料の主噴射のタイミングを変更する主噴射タイミング制御や主噴射の後に後噴射（ポスト噴射）を行なう後噴射制御等があり、吸気量制御には、吸気スロットル弁３３の弁開度を制御する吸気スロットル弁制御や、ターボチャージャ６のコンプレッサ６ａからの吸気量を制御するターボチャージャ吸気量制御等がある。
【００５３】
そして、触媒劣化回復手段２２０は、硫黄パージ時期判定手段２２１、硫黄パージ処理制御手段２２２を有して構成される。
【００５４】
この硫黄パージ時期判定手段２２１は、硫黄パージ制御を行うか、行わないかを判定する手段であり、燃料消費量と燃料中の硫黄濃度から、直接還元型ＮＯｘ触媒３に堆積される硫黄量Ｘ１を推定し、この推定した硫黄の堆積量Ｘ１を累積した累積値Ｘｔが、硫黄パージ開始判定値Ｘ１より大きい場合に、硫黄パージ制御を開始するとの判定を行い、小さければ硫黄パージ制御を開始しないとの判定を行う。
【００５５】
そして、硫黄パージ処理制御手段２２２は、硫黄の累積量Ｘｔが限界Ｘ１に達し多時に、硫黄パージする必要があるとして、排気ガス中の酸素濃度を低くすると共に触媒温度Ｔcat を硫黄パージ温度Ｔｒ以上に昇温するリッチスパイク運転制御を行う手段であり、これにより、触媒温度Ｔcat を硫黄パージ温度Ｔｒ以上に昇温して、リッチ状態で二次的な硫黄被毒を防止しながら、硫黄パージを行って、触媒の劣化回復を行うものである。なお、この硫黄パージ運転におけるリッチスパイク運転は、再生処理のリッチスパイク運転と同様に、燃料噴射制御や吸気量制御やＥＧＲ制御等のいずれか一つまたはその組み合わせで行うことができる。
【００５６】
そして、本発明においては、この硫黄パージ処理制御手段２２２は、ＤＰＦ再生処理制御を含み、このＤＰＦ再生処理制御では、エア供給弁５ｄを開弁操作して、触媒付きＤＰＦ４の上流側に、ターボチャージャ６のコンプレッサ６ａ下流の過給空気の一部Ａａを供給する。このエア供給により、硫黄パージ処理制御におけるリッチスパイク運転で発生する多量の未燃ＨＣ、ＣＯを、触媒付きＤＰＦ４の酸化触媒で酸化し、更に、これらのＨＣ、ＣＯの酸化により発生した熱により、触媒付きＤＰＦ４に捕集されているＰＭを昇温させて、エア供給によって供給されるＯ2 で、燃焼除去する。
【００５７】
つまり、硫黄パージの時に、リッチスパイク運転により排気ガス温度を上昇させ、直接還元型ＮＯｘ触媒３の触媒温度Ｔcat を硫黄パージ温度（約４００℃）以上に上昇させる。このとき、エア供給を行うことにより、リッチスパイク運転により発生した未燃ＨＣ、ＣＯを、触媒付きＤＰＦ４の酸化触媒の触媒作用により燃焼させることにより、触媒付きＤＰＦ４に捕集されたＰＭに流入する排気ガス温度を更に高く、一般的には５００℃程度にすることができるので、このＰＭを燃焼させて、触媒付きＤＰＦ４のＰＭを除去して再生することができる。
【００５８】
また、ＤＰＦ再生手段２３０は、ＤＰＦ再生時期判定手段２３１でＤＰＦの目詰まりが進捗して触媒付きＤＰＦ４の再生処理が必要であると判定したら、ＤＰＦ再生処理制御手段２３２で、再生処理制御を行って、触媒付きＤＰＦ４に捕集されたＰＭを燃焼除去する手段である。
【００５９】
このＤＰＦ再生時期判定手段２３１は、ＤＰＦ再生時期を判定する手段であり、エンジンの運転条件から触媒付きＤＰＦ４に堆積されるＰＭ量を推定して積算することでＰＭ蓄積量を算出し、このＰＭ蓄積量が予め設定した判定値を超えた時に、ＤＰＦ再生時期であると判定したり、あるいは、触媒付きＤＰＦ４の前後の排気圧力の差や比が判定値を超えた時に、ＤＰＦ再生時期であると判定する。
【００６０】
また、ＤＰＦ再生処理制御手段２３２は、コモンレール等の電子制御式燃料噴射システムを利用して、噴射時期遅延や多段噴射等で排気ガス温度を上昇させたり、ポスト噴射や排気管内噴射によってフィルタに塗布した酸化触媒に燃料を供給して燃焼させて、排気ガス温度をＰＭの再燃焼温度以上に昇温させる等して、触媒付きＤＰＦ４の再生処理を行う。
【００６１】
この再生処理は、リーン燃焼状態やエア供給システム５によるエア供給で、触媒付きＤＰＦ４に流入する排気ガス中の酸素濃度が高い状態で行われる。
【００６２】
次に、上記の構成の排気ガス浄化システム１０を、排気ガス浄化システム制御手段２００により制御して、排気ガス中のＮＯｘ除去を行なう排気ガス浄化システム制御フローについて説明する。この制御フローは図３〜図５に例示するフローチャート等に基づいて行なわれる。
【００６３】
この図３に示す排気ガス浄化システム制御フローは、ステップＳ１００の触媒再生制御とステップＳ２００の触媒劣化回復制御とステップＳ３００のＤＰＦ再生制御からなり、エンジン全般を制御する全体のフローの一部として構成されるものであり、メインのエンジン制御フローで呼ばれて、エンジン制御フローと並行して実行され、エンジン運転の終了に伴って実行を中断し、メインのエンジン制御フローに戻って、このエンジン制御フローと共に終了するものとして示してある。
【００６４】
そして、図３に示すように、この排気ガス浄化システム制御フローがスタートすると、ステップＳ１００の触媒再生制御とステップＳ２００の触媒劣化回復制御とステップＳ３００のＤＰＦ再生制御が並行して実行され、エンジンの運転終了等のこの制御フローを終了する場合が生じると、この各ステップの制御内で終了の割り込みが生じリターンして、このフローに戻り、更に、図示しないメインのエンジン制御フローにリターンし、このフローを終了する。
【００６５】
ステップＳ１００の触媒再生制御は、図４の触媒再生制御フローに示すように、ステップＳ１１０で、直接還元型ＮＯｘ触媒３によりＮＯｘを浄化する通常運転制御を所定の時間（例えば、触媒再生制御を行うか否かを判定する時間間隔に相当する時間）の間行った後、ステップＳ１２０で直接還元型ＮＯｘ触媒３が再生開始時期であるか否かを判定し、再生開始時期であれば、ステップＳ１３０の触媒再生処理制御を行ってから、また、再生開始時期でなければ、そのまま、ステップＳ１１０に戻り、この制御を繰り返す。そして、エンジンの運転終了等のこの制御フローを終了する場合が生じると、ステップＳ１４０の終了の割り込みが生じリターンして、図３の制御に戻る。
【００６６】
そして、ステップＳ２００の触媒劣化回復制御では、図５の触媒劣化回復制御フローに示すように、このフローがスタートすると、ステップＳ２０１で前回のエンジン運転で直接還元型ＮＯｘ触媒３に累積した硫黄の累積量Ｘｔをメモリーから読み込む。
【００６７】
そして、ステップＳ２０２で、通常運転制御を所定の時間（例えば、触媒劣化回復制御を行うか否かを判定する時間間隔に相当する時間）の間行った後、このステップＳ２０２のエンジン運転による硫黄の堆積量Ｘａを、燃料消費量及び燃料中の硫黄濃度から算出し、この堆積量Ｘａを累積量Ｘｔに加えて、新しい累積量Ｘｔとする（Ｘｔ＝Ｘｔ＋Ｘａ）。
【００６８】
次のステップＳ２０３では、硫黄パージ開始時期であるか否かを、累積量Ｘｔが所定のパージ開始判定値Ｘ１より大きいか否かで判定し、大きくない場合には、硫黄パージ開始時期に入っていないとして、ステップＳ２０２に戻る。
【００６９】
ステップＳ２０３の判定で累積量Ｘｔが所定のパージ開始判定値Ｘ１より大きい場合には、ステップＳ２０４の硫黄パージ運転制御を所定の時間の間行い、ステップＳ２０５で、直接還元型ＮＯｘ触媒３の入口側の排気ガス温度Ｔg1が所定の判定温度Ｔ１（例えば、４００℃）より大きい場合にはステップＳ２０６でエア供給を行ってから、また、小さい場合にはエア供給を行わずに、ステップＳ２０７に行く。なお、ステップＳ２０５の判定に排気ガス温度Ｔg1を用いたが, 代りに、触媒温度Ｔcat を用いることもできる。
【００７０】
このステップＳ２０４の硫黄パージ運転制御は、リッチスパイク運転を行って、触媒温度Ｔcat を硫黄パージ温度以上にすると共に、排気ガス中の酸素濃度をゼロに近くして、ＳＯ3 の発生を防止して、セリウムの二次的な硫黄被毒を防止しながら、触媒劣化回復処理を行うものである
また、ステップＳ２０６のエア供給は、硫黄パージ運転制御のリッチスパイク運転によって発生する未燃ＨＣ、ＣＯを触媒付きＤＰＦ４の酸化触媒の触媒作用によって酸化して浄化すると共に、この酸化によって生じる熱により触媒付きＤＰＦ４捕集されたＰＭを昇温し、このＰＭを供給されたエアＡａ中のＯ2 で酸化し、触媒付きＤＰＦ４を再生するものである。
【００７１】
次のステップＳ２０７では、硫黄パージで吐出される硫黄の吐出量Ｘｓを、排気ガス量と触媒温度Ｔcat （又は、排気ガス温度Ｔg1）と予め入力した硫黄吐出量マップデータとから算出し、この吐出量Ｘｓを累積量Ｘｔから減算して、ステップＳ２０４の硫黄パージ運転制御を行った後の累積量Ｘｔを求め、ステップＳ２０８の判定でこの累積量Ｘｔが所定の第２判定値Ｘ２（通常はゼロ）以下でない場合には、ステップＳ２０４に戻って、累積量Ｘｔが第２判定値Ｘ２以下になるまで硫黄パージ運転制御を継続し、ステップＳ２０８の判定で、この累積量Ｘｔが第２判定値Ｘ２以下になったら、硫黄パージが完了したと判定して、ステップＳ２０９で硫黄パージ運転を停止し、通常の運転に戻る。なお、この時累積量Ｘｔがマイナスの時はゼロとする。
【００７２】
なお、この図５のフローでは、ステップＳ２０７とステップＳ２０８により累積量Ｘｔが第２判定値Ｘ２以下になった時を硫黄パージ運転の終了の時としているが、燃料消費量と燃料中の硫黄濃度から算出した硫黄の累積量Ｘｔと、硫黄パージ運転開始時の排気ガス量と触媒温度Ｔcat （又は、排気ガス温度Ｔg1）と予め入力された硫黄パージ運転時間マップデータとから、硫黄パージ運転時間を算出して、この運転時間の間硫黄パージ運転制御を行うようにしてもよい。
【００７３】
このステップＳ２０９を終えると、ステップＳ２０２に戻り、このフローを繰り返す。そして、エンジンの運転終了等、この制御フローを終了する場合が生じると、ステップＳ２１０の終了の割り込みが生じ、ステップＳ２１１で、終了時の硫黄の累積量Ｘｔ、即ち、ステップＳ２０２やステップＳ２０７で算出された累積量Ｘｔをメモリーへ書込んでから、図３のＮＯｘ浄化システム制御フローにリターンし、このフローを終了する。
【００７４】
ステップＳ３００のＤＰＦ再生制御は、図６のＤＰＦ再生制御フローに示すように、ステップＳ３１０で、ＰＭを捕集する通常運転制御を所定の時間（例えば、ＤＰＦ再生制御を行うか否かを判定する時間間隔に相当する時間）の間行った後、ステップＳ３２０で触媒付きＤＰＦ４が再生開始時期であるか否かを判定し、再生開始時期であれば、ステップＳ３３０のＤＰＦ再生処理制御を行ってから、また、再生開始時期でなければ、そのまま、ステップＳ３１０に戻り、この制御を繰り返す。そして、エンジンの運転終了等のこの制御フローを終了する場合が生じると、ステップＳ３４０の終了の割り込みが生じリターンして、図３の制御に戻る。
【００７５】
そして、図４の触媒再生制御、図５の触媒劣化回復制御、図６のＤＰＦ再生制御が共に終了の割込みによりリターンして、図３の排気ガス浄化システム制御フローに戻ると、更に図示しないメインのエンジン制御フローに戻り、このエンジン制御フローの終了と共にこのＮＯｘ浄化システム制御フローも終了する。
【００７６】
なお、上記のフローには示していないが、触媒再生処理制御、触媒パージ運転制御、ＤＰＦ再生処理制御の何れかが重なる時は、予め設定された優先順序によってどれか一つを優先して行うものとする。
【００７７】
これらの構成の排気ガス浄化システム１０とその制御方法によれば、ＮＯｘ浄化用の直接還元型ＮＯｘ触媒３とＰＭ浄化用の触媒付きＤＰＦ４を排気ガス通路２の上流側から順に配置し、これらの間にエア供給を行うエア供給システム５を設けることにより、直接還元型ＮＯｘ触媒３の硫黄パージによる劣化回復処理時に、エアを触媒付きＤＰＦ４に供給して、硫黄パージのリッチスパイク運転で発生する未燃ＨＣ，ＣＯを酸化して浄化すると共に、この酸化によって発生する熱で、触媒付きＤＰＦ４に捕集され堆積されたＰＭをＰＭ再燃焼温度以上に昇温し、燃焼除去できる。
【００７８】
なお、上記では、ＤＰＦとして触媒付きＤＰＦを例にして説明したが、触媒付きＤＰＦの代わりに、酸化触媒をＤＰＦの前に配置するタイプのＤＰＦに対しても、本発明を適用することができる。
【００７９】
この酸化触媒前置のＤＰＦの場合には、前置する酸化触媒は、コーディエライト、炭化ケイ素、ステンレス等で形成されるハニカム構造に設けられた、上流側から下流側に貫通する多数のガス通路（セル）の壁面に、アルミナ、ゼオライト、シリカ等に白金等を担持させた貴金属触媒をコーティングして形成される。
【００８０】
そして、エアは、この酸化触媒の上流側に供給され、未燃ＨＣ、ＣＯはこの酸化触媒で酸化され、酸化によって発生した熱により排気ガスが昇温し、この昇温した排気ガスにより、下流側のＤＰＦが昇温し、このＤＰＦに捕集されたＰＭが供給されたエア中のＯ2 により酸化されるので、これによりＤＰＦが再生することになる。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る排気ガス浄化システム及びその制御方法によれば、次のような効果を奏することができる。
【００８２】
ＮＯｘ浄化用の触媒として直接還元型ＮＯｘ触媒を選択し、また、ＰＭ浄化用のＤＰＦとして、触媒付きＤＰＦや酸化触媒前置のＤＰＦを選択して、排気ガス通路の上流側から順に配置し、更に、直接還元型ＮＯｘ触媒の硫黄パージによる劣化回復処理時に、これらの間にエア供給を行うエア供給システムを設けることにより、エア供給により、硫黄パージのリッチスパイク運転で発生する未燃ＨＣ，ＣＯを酸化して浄化することができる。
【００８３】
また、同時に、この未燃ＨＣ，ＣＯを酸化によって発生する熱で、触媒付きＤＰＦや酸化触媒前置のＤＰＦに捕集され堆積されたＰＭをＰＭ再燃焼温度以上に昇温することができ、供給されたエア中のＯ2 で燃焼除去できる。
【００８４】
従って、ＮＯｘ浄化用の直接還元型ＮＯｘ触媒の触媒劣化回復時に、ＰＭ浄化用のＤＰＦの再生処理を行うことができるので、ＤＰＦの再生制御の回数を少なくすることができて、ＤＰＦ再生処理による燃料の消費量の増加を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の排気ガス浄化システムを備えたエンジンの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態の排気ガス浄化システム制御手段の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態の排気ガス浄化システム制御フローの一例を示すフローチャートである。
【図４】図３の触媒再生制御フローの一例を示すフローチャートである。
【図５】図３の触媒劣化回復制御フローの一例を示すフローチャートである。
【図６】図３のＤＰＦ再生制御フローの一例を示すフローチャートである。
【図７】直接還元型ＮＯｘ触媒の高酸素濃度状態における反応を示す模式図である。
【図８】直接還元型ＮＯｘ触媒の低酸素濃度状態における反応を示す模式図である。
【符号の説明】
１    ディーゼルエンジン
２    排気ガス通路
３    直接還元型ＮＯｘ触媒
４    触媒付きＤＰＦ
５    エア供給システム
６    ターボチャージャ
６ａ  コンプレッサ
Ａａ  エア
【図１】
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【図２】
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【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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