(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられて排気中のイオウ成分を吸蔵すると共に高温で且つ排気空燃比がリッチのときに吸蔵されたイオウ成分を放出する特性を有する触媒と、該触媒に吸蔵されたイオウ成分が放出される状態になった頻度を算定する頻度算定手段と、前記触媒に吸蔵されたイオウ成分を放出可能な高温状態で排気空燃比をリッチ化してイオウ成分を放出させると共に前記頻度算定手段が算定する頻度に応じて排気空燃比のリッチ化の度合または変化速度を制御する再生制御手段とを具えたことを特徴とする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、排気通路に排気中のイオウ成分を吸蔵すると共に高温で且つ排気空燃比がリッチのときに吸蔵されたイオウ成分を放出する特性を持つ触媒を有する内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内燃機関をリーン空燃比で運転して燃費の向上を図るようにした希薄燃焼内燃機関が実用化されている。この希薄燃焼内燃機関では、リーン空燃比で運転すると、三元触媒がその浄化特性から排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を充分に浄化できないという問題があり、最近では、リーン空燃比で運転中に排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、ストイキオまたはリッチ空燃比で運転中に吸蔵されたＮＯｘを放出還元する吸蔵型ＮＯｘ触媒が採用されてきている。
【０００３】
この吸蔵型ＮＯｘ触媒は、内燃機関の酸素の過剰状態で排気ガス中のＮＯｘを硝酸塩（Ｘ−ＮＯ3 ）として吸蔵し、吸蔵したＮＯｘを一酸化炭素（ＣＯ）の過剰状態で放出して窒素（Ｎ2 ）に還元させる特性（同時に炭酸塩Ｘ−ＣＯ3 が生成される）を有した触媒である。ところが、燃料中にはイオウ（Ｓ）成分が含まれており、このＳ成分は酸素と反応して硫黄酸化物（ＳＯｘ）となり、このＳＯｘがＮＯｘの代わりに硫酸塩として硝酸塩の代わりに吸蔵型ＮＯｘ触媒に吸蔵されてしまい、触媒の浄化効率が低下してしまうという問題がある。しかしながら、触媒に吸蔵されたＳＯｘは、空燃比をリッチ状態にして触媒を高温状態にすることで、ＳＯ2 として放出（Ｓパージ）されることがわかっている。例えば、特開平７−２１７４７４号公報に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＳＯ2 が放出されると、排気ガスが高温で且つ一酸化炭素や炭化水素等が多く存在する還元雰囲気のもとでは、例えば、下記各化学反応式に従って硫化水素（Ｈ2Ｓ）が発生する。
ＳＯ2 ＋３Ｈ2 →Ｈ2Ｓ＋２Ｈ2Ｏ
ＳＯ2 ＋２ＣＯ＋Ｈ2 →Ｈ2Ｓ＋ＣＯ2 
３ＳＯ2 ＋Ｃ3Ｈ6→３Ｈ2Ｓ＋３ＣＯ2 
このＨ2Ｓは、一般に知られるように強い臭気を発するために極力発生しないようにすることが望ましい。
【０００５】
しかしながら、前述した公報に開示された技術では、吸蔵されたＳＯｘがＳＯ2 として瞬時に多量に放出されることになるため、この放出されたＳＯ2 と触媒周辺のＨ2 、ＣＯ、ＨＣ等との化学反応が急速に進行することになり、Ｈ2Ｓが急激に大量に生成されてしまうことになる。このようにＨ2Ｓが急激に大量に生成されると、Ｈ2Ｓ濃度が局所的に高まることになり、大気中に排出された排気ガスが極めて強い臭気を放ち好ましいことではない。
【０００６】
なお、特開平１１−１０７８０９号公報に開示された「エンジンの制御装置」には、ＮＯｘ触媒の再生制御に関して、Ｈ2Ｓは排気ガス温度が高いときに発生するために、排気空燃比のリッチ化の度合をストイキ程度に小さくする技術が開示されている。ところが、前述したように、触媒に吸蔵されたＳＯｘは、空燃比をリッチ状態にして触媒を高温状態にすることで効率よく放出されるものであり、温度を基準にリッチ化の程度をストイキにするだけでは、Ｈ2Ｓの大量生成は抑制できても、触媒の再生時間が極端に長くなってしまうという問題がある。また、触媒からのＨ2Ｓの生成特性は、温度以外の触媒状態によっても変化するがこの公報にはこのような点は何ら考慮されておらず、改良の余地が十分にある。
【０００７】
このような点について、本発明者らは研究を進めた結果、触媒からのイオウ成分の放出時におけるＨ2Ｓの生成は、触媒がイオウ成分を放出する状態になった頻度に相関があるとの知見が得られた。従って、本発明は上述した問題を解決するために、イオウ成分を放出可能な状態になった頻度に応じて排気空燃比のリッチ化の度合または変化速度を制御することで、触媒からのＳＯｘの放出に伴って生成されるＨ2Ｓの濃度を低く抑えて排気ガスの異臭を防止する一方で、触媒の再生時間の長時間化を抑制して安定した触媒装置の再生を可能とした内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための本発明の内燃機関の排気浄化装置では、内燃機関の排気通路に排気中のイオウ成分を吸蔵すると共に高温で且つ排気空燃比がリッチのときに吸蔵されたイオウ成分を放出する特性を有する触媒を設け、頻度算定手段がこの触媒に吸蔵されたイオウ成分が放出される状態になった頻度を算定し、再生制御手段がこの触媒に吸蔵されたイオウ成分を放出可能な高温状態で排気空燃比をリッチ化してイオウ成分を放出させると共に頻度算定手段が算定する頻度に応じて排気空燃比のリッチ化の度合または変化速度を制御するようにしている。
【０００９】
触媒がイオウ成分を放出する状態になった頻度は、触媒からＨ2Ｓが生成される特性と相関があり、この頻度に応じて排気空燃比のリッチ化の度合または変化速度を制御することで、触媒からＨ2Ｓが一度に大量発生するのを防止して放出濃度を低く抑え、排気ガスの異臭を防止する一方で、触媒の再生時間の長時間化を抑制して安定した触媒装置の再生が可能となる。
【００１０】
この場合、再生制御手段は、頻度算定手段により算定したイオウ成分の放出頻度が予め設定された所定頻度より少ない場合に、触媒を高温状態で排気空燃比をリッチ化してイオウ成分を放出させるようにすることが燃費悪化の抑制及び安定した触媒再生の面で好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１２】
図１に本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成、図２に本実施形態の排気浄化装置によるＳパージ制御のフローチャート、図３にＳパージ制御のタイムチャート、図４にＳ再生頻度とＮＯｘ排出量との関係を表すグラフ、図５にＳ再生頻度に対する昇温設定温度を表すグラフ、図６に触媒温度推定値に対する反映係数を表すグラフ、図７にＳパージ制御における目標Ａ／Ｆの時間変化に対するＨ2Ｓ発生量の時間変化を表すタイムチャート、図８に本発明の他の実施形態に係るＳ再生頻度に応じた目標Ａ／ＦとＳパージ時間及びＮＯｘパージ時間の設定マップ、図９にＳパージ制御における目標Ａ／Ｆの時間変化に対するＨ2Ｓ発生量の時間変化を表すタイムチャート、図１０に一般走行において本実施形態を使用したときと使用しなかったときの触媒温度の時間頻度を表すグラフを示す。
【００１３】
本実施形態の内燃機関（以下、エンジンと称する。）は、例えば、燃料噴射モード（運転モード）を切換えることで、吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射モード）または圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射モード）を実施可能な筒内噴射型火花点火式直列４気筒ガソリンエンジンである。そして、この筒内噴射型のエンジン１１は、容易にして理論空燃比（ストイキ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）が実現可能となっており、特に圧縮行程噴射モードでは、超リーン空燃比での運転が可能となっている。
【００１４】
本実施形態において、図１に示すように、エンジン１１のシリンダヘッド１２には、各気筒毎に点火プラグ１３と共に電磁式の燃料噴射弁１４が取付けられており、この燃料噴射弁１４によって燃焼室１５内に燃料を直接噴射可能となっている。この燃料噴射弁１４には、図示しない燃料パイプを介して燃料タンクを擁した燃料供給装置（燃料ポンプ）が接続されており、燃料タンク内の燃料が高燃圧で供給され、この燃料を燃料噴射弁１４から燃焼室１５内に向けて所望の燃圧で噴射する。この際、燃料噴射量は燃料ポンプの燃料吐出圧と燃料噴射弁１４の開弁時間（燃料噴射時間）とから決定される。
【００１５】
シリンダヘッド１２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド１６の一端がそれぞれ接続されている。そして、吸気マニホールド１６の他端にはドライブバイワイヤ（ＤＢＷ）方式の電動スロットル弁１７が接続されており、このスロットル弁１７にはスロットル開度θthを検出するスロットルセンサ１８が設けられている。また、シリンダヘッド１２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１９の一端がそれぞれ接続されている。
【００１６】
そして、エンジン１１には、クランク角を検出するクランク角センサ２０が設けられており、このクランク角センサ２０はエンジン回転速度Ｎｅを検出可能となっている。なお、上述した筒内噴射型エンジン１１は既に公知のものであり、その構成の詳細についてはここでは説明を省略する。
【００１７】
また、エンジン１１の排気マニホールド１９には排気管（排気通路）２１が接続されており、この排気管２１にはエンジン１１に近接した小型の三元触媒２２及び排気浄化触媒装置２３を介して図示しないマフラーが接続されている。そして、この排気管２１における三元触媒２２と排気浄化触媒装置２３との間の部分には、排気浄化触媒装置２３の直上流、即ち、後述する吸蔵型ＮＯｘ触媒２５のに直上流に位置して排気温度を検出する高温センサ２４が設けられている。
【００１８】
この排気浄化触媒装置２３は、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５と三元触媒２６との２つの触媒を有して構成されており、三元触媒２６の方が吸蔵型ＮＯｘ触媒２５よりも下流側に配設されている。なお、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が三元触媒の機能を十分に有している場合には、この吸蔵型ＮＯｘ触媒２５だけであってもよい。この吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、酸化雰囲気においてＮＯｘを一旦吸蔵させ、主としてＣＯの存在する還元雰囲気中においてＮＯｘを放出してＮ2 （窒素）等に還元させる機能を持つものである。詳しくは、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、貴金属として白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）等を有した触媒として構成されており、吸蔵剤としてはバリウム（Ｂａ）等のアルカリ金属、アルカリ土類金属が採用されている。そして、排気浄化触媒装置２３の下流にはＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ２７が設けられている。
【００１９】
更に、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を有するＥＣＵ（電子コントロールユニット）２８が設けられており、このＥＣＵ２８によりエンジン１１を含めた本実施形態の排気浄化装置の総合的な制御が行われる。即ち、ＥＣＵ２８の入力側には、上述した高温センサ２４やＮＯｘセンサ２７等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力する。一方、ＥＣＵ２８の出力側には、点火コイルを介して上述した点火プラグ１３や燃料噴射弁１４等が接続されており、これら点火コイル、燃料噴射弁１４等には、各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量や点火時期等の最適値がそれぞれ出力される。これにより、燃料噴射弁１４から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ１３によって適正なタイミングで点火が実施される。
【００２０】
実際に、ＥＣＵ２８では、図示しないアクセル開度センサからのアクセル開度情報とクランク角センサ２０からのエンジン回転速度情報Ｎｅとに基づいてエンジン負荷に対応する目標筒内圧、即ち目標平均有効圧Ｐｅを求めるようにされており、更に、この目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じてマップ（図示せず）より燃料噴射モードを設定するようにされている。例えば、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとが共に小さいときには、燃料噴射モードは圧縮行程噴射モードとされて燃料が圧縮行程で噴射され、一方、目標平均有効圧Ｐｅが大きくなり、あるいはエンジン回転速度Ｎｅが大きくなると燃料噴射モードは吸気行程噴射モードとされ、燃料が吸気行程で噴射される。
【００２１】
そして、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとから制御目標となる目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）が設定され、適正量の燃料噴射量がこの目標Ａ／Ｆに基づいて決定される。また、高温センサ２４により検出された排気温度情報からは触媒温度Ｔcat が推定される。詳しくは、高温センサ２４と吸蔵型ＮＯｘ触媒２５とが多少なりとも離れて配置されていることに起因する誤差を補正するために、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じて温度差マップが予め実験等により設定されており、触媒温度Ｔcat は、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとが決まると一義に推定されるようにされている。
【００２２】
以下、このように構成された本実施形態の内燃機関の排気浄化装置の作用について説明する。
【００２３】
排気浄化触媒装置２３の吸蔵型ＮＯｘ触媒２５では、リーンモードにおける超リーン燃焼運転時のような酸素濃度過剰雰囲気で、排気中のＮＯｘから硝酸塩が生成され、これによりＮＯｘが吸蔵されて排気の浄化が行われる。一方、三元触媒２６では、酸素濃度が低下した雰囲気で、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵した硝酸塩と排気中のＣＯとが反応して炭酸塩が生成されると共にＮＯｘが放出される。従って、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５へのＮＯｘの吸蔵が進むと、空燃比のリッチ化あるいは追加の燃料噴射を行うなどして酸素濃度を低下させてＣＯを排気中に供給し、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘを放出させて機能を維持する。
【００２４】
ところで、燃料や潤滑油内に含まれるイオウ成分（ＳＯｘ）も排気中に存在し、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、酸素濃度過剰雰囲気で、ＮＯｘの吸蔵とともにＳＯｘも吸蔵する。つまり、イオウ成分は酸化されてＳＯｘになり、このＳＯｘの一部は吸蔵型ＮＯｘ触媒２５上でさらに元来ＮＯｘ吸蔵用である吸蔵剤と反応して硫酸塩となってＮＯｘに代わって吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵される。
【００２５】
また、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、酸素濃度が低下すると吸蔵されたＳＯｘを放出する傾向を有している。つまり、酸素濃度が低下してＣＯが過剰となった雰囲気では、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵した硫酸塩の一部と排気中のＣＯとが反応して炭酸塩が生成され易くなると共にＳＯｘが脱離され易くなる。しかし、硫酸塩は硝酸塩よりも塩としての安定度が高く、酸素濃度が低下した雰囲気になっただけではその一部しか分解されないため、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に残留する硫酸塩の量は時間とともに増加する。これにより、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の吸蔵能力が時間と共に低下し、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５としての性能が悪化することになる（Ｓ被毒）。
【００２６】
ＮＯｘ吸蔵能力を再生するためには吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＳＯｘ量を推定してＳ被毒状況を推定し、Ｓ被毒がある程度以上進行すると、触媒を昇温させ、且つ、空燃比をリッチ化してＳＯｘを放出するようにする方法もあるが、本実施形態では、触媒温度Ｔcat がＳ再生頻度に相関する触媒昇温設定温度以上となった場合に、再生制御手段が触媒を昇温させ且つ空燃比をリッチ化して吸蔵したＳＯｘを放出し、ＮＯｘ吸蔵能力を回復するようにしている。
【００２７】
この再生制御手段は、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＳＯｘを放出する再生度合が所定範囲に保たれるように制御する。即ち、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の温度が活性温度（例えば、２５０〜３５０℃）より高く、且つ、吸蔵されたＳＯｘを脱離するのに適した温度（例えば、６５０〜８００℃）あるいはそれより低く設定された設定温度（例えば、６００℃）以上となった場合に、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５を昇温させると共に空燃比をリッチ化してＳＯｘを放出するようにしている。つまり、ある程度もともとの触媒温度が高いときにアシスト的に僅かに昇温手段を作動させることによりＳ再生速度を速く触媒温度域に到達させ、少ない昇温度合（少ない燃費悪化度合）で効率よくＳＯｘを放出させるものである。
【００２８】
また、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＳＯｘに対して、この吸蔵型ＮＯｘ触媒２５を昇温させると共に空燃比をリッチ化にしてＳＯｘを放出するとき、ＳＯｘはＳＯ2 として放出されることから排気ガスが高温で且つ水素や一酸化炭素や炭化水素等が多く存在する還元雰囲気のもとでは、硫化水素（Ｈ2Ｓ）が発生して臭気を放ってしまう。そして、リッチ度合が大きいほど水素等の還元剤も多くＳＯ2 からＨ2Ｓが急激に多量に生成される。このため、本実施形態では、再生制御手段がＳ再生頻度に応じて排気空燃比のリッチ化の度合または変化速度を制御するようにしている。
【００２９】
ここで、Ｓパージ制御について、図２に示すフローチャート及び図３に示すタイムチャートに基づいて詳細に説明する。図２に示すように、まず、ステップＳ１では、高温センサ２４により検出された排気温度情報から吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒温度Ｔcat を推定する。この場合、前述したように、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じて設定された温度差マップに基づいて、高温センサ２４と実際の触媒温度との誤差が補正される。
【００３０】
次に、ステップＳ２にて、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５のＳ被毒からの再生（Ｓ再生）度合を表すＳ再生頻度を算出（頻度算定手段）するが、以下にその算出方法について説明する。このＳ再生頻度は下記式（１）に基づいて算出する。
Ｓ再生頻度（ｓ／km）＝７００℃換算Ｓ再生時間／走行距離    ・・（１）
ここで、７００℃換算Ｓ再生時間とは、推定された触媒温度Ｔcat におけるＳ再生時間を吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒温度Ｔcat が７００℃のときのＳ再生時間に換算した時間の合計であり、この７００℃換算Ｓ再生時間を走行距離で除算することで、走行距離１kmあたりのＳ再生時間、つまり、Ｓ再生頻度を求めることができ、このＳ再生頻度が大きくなるとＳＯｘが良く放出（パージ）され、Ｓ被毒から良く再生されているということである。
【００３１】
この７００℃換算Ｓ再生時間の具体的な算出方法としては、下記式（２）に基づいて算出する。
７００℃換算Ｓ再生時間(n) ＝７００℃換算Ｓ再生時間(n-1) ＋Ｓ再生速度係数×計算周期×Ａ／Ｆ係数    ・・（２）
ここで、Ｓ再生速度係数は、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の温度によりＳ再生速度が異なることを補正するためのもので、各触媒温度でのＳ再生時間を７００℃相当のＳ再生時間に換算するためのものである。Ｓ再生速度は吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の温度が高くなるにつれて指数関数的に増加するので、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒温度Ｔcat が５８０℃以下の低温時では０とし、それよりも高温時では、指数関数により近似した下式（３）をもって算出する。
Ｓ再生速度係数＝exp ｛−ｋｋ×（１／Ｔ1 ）−（１／Ｔ0 ）｝・・（３）
ここで、ｋｋは、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５のＳ再生反応に応じて設定される所定の係数、Ｔ1 は、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒温度Ｔcat （Ｋ）、Ｔ0 は、９７３（７００＋２７３）（Ｋ）である。
なお、本実施形態では、ＥＣＵ２８内では指数関数による計算は行わずに予め計算した値を記憶した触媒温度に対するＳ再生速度係数マップから求めるようにしている。また、前述したＡ／Ｆ係数は、Ａ／ＦによるＳ再生度合を示すもので、空燃比がリーンモードまたは燃料カット時では０とし、それ以外のモードでは１とする。なお、よく細かく分類して、Ａ／Ｆ係数を空燃比がリーンモードまたは燃料カット時では１／４とし、ストイキＦ／Ｂモードでは２／３とし、リッチ（Ｏ／Ｌ）モードでは１としてよい。
【００３２】
なお、Ｓ再生頻度は、所定値Ｄ（例えば、１．５ｓ／km）以上でリセットされ、７００℃換算Ｓ再生時間を０ｓ、走行距離を０kmとする。つまり、Ｓ再生頻度が所定値Ｄ以上であれば、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は十分にパージされているとして再生を停止する。Ｓ再生頻度をリセットする際のしきい値Ｄの設定方法としては、次のようにすればよい。即ち、図４に示すように、Ｓ再生頻度が高いほどＮＯｘ排出値は小さくなることがわかっており、ＮＯｘの排出規制値以下となるようにＳ再生頻度を設定すればよい。このしきい値Ｄは、触媒特性やＮＯｘ排出規制値にも影響されるが、一般的に概ね１．５ｓ／km以上に設定すればよいことがわかっている。
【００３３】
このようにＳ再生頻度が求められたら、ステップＳ３にて、昇温設定温度ＺＳＴＥＭＰ（℃）を算出する。この場合、図５に示すように、Ｓ再生頻度に対するＺＳＴＥＭＰのマップが予め設定されている。このマップによれば、Ｓ再生頻度が低いときには、ＺＳＴＥＭＰは６００℃に設定され、Ｓ再生頻度の上昇に伴ってＺＳＴＥＭＰが上昇し、所定値Ｄで８００℃としている。即ち、昇温設定温度ＺＳＴＥＭＰはＳ再生頻度に基づいて変更されるようになっている。
【００３４】
そして、ステップＳ４において、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒温度Ｔcat がＺＳＴＥＭＰ以上であるかどうかを判定し、触媒温度Ｔcat がＺＳＴＥＭＰ以上であれば、Ｓ再生頻度がある程度低いと同時に吸蔵型ＮＯｘ触媒２５がある程度昇温されており、Ｓパージしやすい状態にあると推定されるため、ステップＳ５に移行し、制御モードをＳパージモードに切り換える。これにより吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＳＯｘの除去（Ｓパージ制御）が開始される。
【００３５】
即ち、ステップＳ６では、点火時期を制御、つまり、リタード（遅角）させることで吸蔵型ＮＯｘ触媒２５を昇温する。つまり、点火時期リタードにより吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に流入する排気を十分に昇温させることにより、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５はＳパージ制御に適した温度（例えば、６５０℃〜８００℃）まで迅速に昇温されることになる。この場合、点火時期は下記式（４）によりリタードするように設定される。
点火時期＝ベース点火時期−ＺＳＳＡ×反映係数              ・・（４）
ここで、ＺＳＳＡは、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じて設定されたリタードマップに基づいて設定されるものであり、燃焼限界となるリタード量に余裕量を考慮した量として設定される。また、反映係数は、図６に示すように、触媒温度推定値、つまり、触媒温度Ｔcat に対応したマップに基づいて設定される。なお、この反映係数は燃料のカット時やスロットル開度が所定値以上のときは０としている。
【００３６】
続いて、ステップＳ７では、空燃比が所定のリッチＡ／Ｆとなるように制御する。この場合、目標Ａ／Ｆを所定のリッチＡ／Ｆに向けて徐々に変化させる処理が行われ、目標Ａ／Ｆの変化速度はＳ再生度合い（Ｓ再生頻度）に応じてＳ再生頻度が低いほどリッチ化の速度が遅くなるように設定される。
【００３７】
Ｓパージ制御によって放出されるＳＯ2 は、上述したように、還元雰囲気のもとで反応してＨ2Ｓを発生するのであるが、このようにＳ再生度合い（Ｓ再生頻度）に応じてＳ再生時の目標空燃比を徐々にリッチ化すると、このＳＯ2 の放出量が一気に増加してＨ2Ｓが多量に発生し易いＳパージ制御の開始時において、ＣＯやＨＣの供給量を制限するようにでき、ＳＯ2 の放出量を抑制してＨ2Ｓの発生濃度を低く抑えることができる。
【００３８】
つまり、図７に、ステップＳ１からステップＳ４の実施結果、ステップＳ５以降でのＳパージ制御の実施時における目標Ａ／Ｆの時間変化（ａ）とＨ2Ｓの発生濃度の時間変化（ｂ）とがタイムチャートとして示してある。この場合、従来のように目標Ａ／ＦをＳパージ制御の開始から直ぐ（もしくは徐々に変化させている場合においても、数サイクル程度の速い変化）に所定のリッチ空燃比ＡＦ1（例えば、値１２）とした場合を破線で示し、本実施形態のようにＳ再生頻度に応じて目標Ａ／Ｆを最初はストイキオ近傍のリッチ化度合の小さな値とし、徐々に所定のリッチ空燃比ＡＦ1に向けて移行させた場合を実線で示してある。このタイムチャートからわかるように、従来の制御（破線）では、Ｓパージ制御の開始直後に一時的に大量のＨ2Ｓが発生していたが、本実施形態の制御（実線）では、Ｓパージ制御の開始直後に大量のＨ2Ｓの発生現象はなく、Ｓパージ開始直後のＨ2Ｓの発生濃度を低くすると共にこのまま保持することができ、Ｈ2Ｓ濃度を低く抑えて排気ガスが異臭を放つことを確実に防止することができる。
【００３９】
また、特に、目標Ａ／Ｆを徐々に所定のリッチ空燃比ＡＦ1に向けて移行させることにより、Ｈ2Ｓの発生濃度を低く値のまま保持してＳＯ2 の放出を効率よく促進することができ、目標Ａ／Ｆを所定のリッチ空燃比ＡＦ1に早期に到達させることが可能となる。これにより、Ｓパージ制御の長期化を極力防止し、燃費の悪化を好適に防止しながら、Ｈ2Ｓ濃度を低く抑えることができる。
【００４０】
そして、図２に戻り、ステップＳ８では、触媒温度Ｔcat が所定値Ｋ（例えば、６５０℃）よりも低い状態が所定の設定時間Ｃ（例えば、４５sec ）経過したら、ステップＳ９にて、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の昇温をやめると共に空燃比をリーン化してこのルーチンを抜ける。つまり、Ｓパージモードにしても触媒温度Ｔcat がイオウ成分の脱離に最適な温度（例えば、６５０℃以上）へなかなか近づかない場合に、燃費悪化を抑制するためにＳパージモードを停止させるようにしている。一方、触媒温度Ｔcat が所定時間Ｃが経過するまでに所定値Ｋ以上になれば、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の昇温及び空燃比のリッチ化を継続する。
【００４１】
このようにしてＳパージモードでは、Ｓパージ制御のルーチンを繰り返すが、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＳＯｘが放出されると、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５のＳ再生頻度が大きくなり、図５のマップに基づいてＺＳＴＥＭＰも上昇する。そして、ＺＳＴＥＭＰが触媒温度Ｔcat を越えると、ステップＳ４において、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒温度Ｔcat がＺＳＴＥＭＰより低くなって制御のルーチンを抜けてステップＳ９に進み、Ｓパージ制御を停止する。
【００４２】
なお、上述したように、三元触媒２６は内部に酸素を貯留する機能を有しているため、吸蔵型ＮＯｘ 触媒２５において発生したＨ2Ｓは、この三元触媒２６の内部の酸素によって良好に酸化処理される。これによっても排気ガスが異臭を放つことが確実に防止される。
【００４３】
ところで、上述した実施形態では、Ｓパージ制御時において、目標Ａ／ＦをＳ再生頻度に応じて徐々に所定のリッチ空燃比ＡＦ1に向けて移行させるようにしたが、これに限られるものではない。つまり、他の実施形態として、例えば、上記ステップＳ７において、Ｓパージ制御が開始された時点で、図８に示すマップからまずＳパージ制御の目標Ａ／Ｆを固定値として求め（図８にて右側のグラフ）、この目標Ａ／Ｆに応じてＳパージ制御時間ｔsを一義に設定するようにしてもよい（図８にて左側のグラフ）。
【００４４】
つまり、図９に実線で示すように、Ｓパージ制御が開始された時点で目標Ａ／ＦをＳ再生頻度に応じてＳ再生頻度が低いほど所定のリッチ空燃比ＡＦ1よりもリッチ化度合の小さな値に設定し、この目標Ａ／Ｆを一定に保持したまま、Ｓパージ制御時間ｔsにわたってＳパージ制御を実施するようにしてもよい。
【００４５】
このようにしても、図９に実線で示すように、ＳＯ2 の放出時間は長くなるものの、従来、Ｓパージ制御の開始直後にＨ2Ｓが一時的に大量に発生していたのを抑えてＨ2Ｓの発生濃度（破線）を十分に低くするようにでき、Ｈ2Ｓ濃度を低く抑えて排ガスが異臭を放つことを確実に防止することができる。
【００４６】
なお、上述した実施形態では、Ｓパージ制御時にＳ再生頻度に応じて目標Ａ／Ｆを所定のリッチ空燃比ＡＦ1に向けて連続して滑らかに移行させたが、複数に分けて段階的（段階状）にリッチ空燃比ＡＦ1に移行させてもよい。また、Ｓ再生頻度に応じてリッチ化の度合と変化速度の両方を制御するようにしてもよい。更に、空燃比をリッチ化させる手法は目標Ａ／Ｆ変更する方式に限られるものではなく、例えば、Ｏ2 センサを利用したストイキフィードバック制御において、フィードバック制御用の積分ゲイン（係数）をリッチ側に大きくリーン側に小さく変更する方法を用いてもよい。そして、この場合は積分ゲインや比例ゲインの速度をＳ再生頻度に応じて設定することで平均空燃比をＳ再生頻度に応じて徐々にリッチ化させたり、ゲイン値そのものをＳ再生頻度に応じて設定することで平均空燃比自体がＳ再生頻度に応じてリッチ空燃比になるように制御すればよい。
【００４７】
ここで、上述したＳパージモードへの切換制御を図３のタイムチャートに基づいて具体的に説明する。図３に示すように、ＳパージモードがＯＦＦで、Ｓ再生頻度が低いとき、昇温設定温度ＺＳＴＥＭＰは６００℃に設定されている。そして、ドライバの運転状態、例えば、加速時あるいは高速道路や山岳道路などを走行して触媒温度Ｔcat が上昇し、この触媒温度Ｔcat がＺＳＴＥＭＰを越えると、ＳパージモードがＯＮ（ステップＳ４でＹｅｓ）なる。すると、点火時期をリタードして吸蔵型ＮＯｘ触媒２５を昇温すると共に空燃比をリッチ化するため、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＳＯｘが放出される。そして、Ｓパージモードが継続するとＳ再生が進み、７００℃換算Ｓ再生時間が増加してＳ再生頻度が大きくなり、このＳ再生頻度が大きくなると、図４のマップに基づいてＺＳＴＥＭＰが上昇し、触媒温度Ｔcat を越える。
【００４８】
すると、ＳパージモードがＯＦＦ（ステップＳ４でＮｏ）となり、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の昇温をやめるため、触媒温度Ｔcat が低下する。その後、触媒温度Ｔcat が低い状態で走行距離が延びると、Ｓ再生頻度が小さくなると共に、ＺＳＴＥＭＰが低下して６００℃に戻る。
【００４９】
また、ドライバの運転状態により触媒温度Ｔcat が再び上昇し、触媒温度Ｔcat がＺＳＴＥＭＰを越えるとＳパージモードがＯＮ（ステップＳ４でＹｅｓ）される。このとき、ドライバが市街地のような場所で加減速を繰り返す運転状態を行っていると、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５はＳＯｘを放出するのに必要な高温状態になりにくい。即ち、この場合、触媒温度Ｔcat は最初ＺＳＴＥＭＰ（６００℃）を越えたものの６５０℃よりも低い状態が継続することとなり、この温度域ではＳ再生はされるもののＳ再生効率が低い。そのため、この状態の継続時間が設定時間Ｃを経過したら、ＳパージモードをＯＦＦ（ステップＳ４でＮｏ）とすることで、点火時期リタード及びリッチ化を中止しＳ再生効率が低い温度域では燃費の悪化を抑制できる。
【００５０】
なお、Ｓパージモードにて、空燃比をリッチ空燃比モードとしてリーン空燃比モードへの移行を禁止しているが、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が高温であるときには、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の熱劣化対策のために既にリーン空燃比モードは禁止となっている場合もある。
【００５１】
また、Ｓパージを行うときに点火時期リタードに応じてスロットル弁１７を作動してベーススロットル開度に対してスロットル開度θthを調整し、吸入空気量を操作しており、これによって点火時期リタードによるトルク低下分を補いトルクがほぼ一定となるように制御している。この場合、スロットル開度は下記式（５）により設定される。
スロットル開度＝ベーススロットル開度−ＺＳＥＴＶ×反映係数・・（５）ここで、ＺＳＥＴＶは、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じて設定されたスロットル開度補正マップに基づいて設定されるものであり、また、反映係数は、前述したように、図６に示すマップに基づいて設定される。なお、この場合、補正された点火時期（リタード後の点火時期）に対するスロットル開度θthのマップにより設定してもよい。
【００５２】
このように本実施形態では、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＳＯｘを放出する再生度合が所定範囲に保たれるように制御、つまり、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒温度Ｔcat が活性温度（例えば、２５０〜３５０℃）より高く、且つ、吸蔵されたＳＯｘを脱離するのに適した温度（例えば、６５０℃〜８００℃）あるいはそれより低く設定された昇温設定温度ＺＳＴＥＭＰ以上となった場合に、点火時期をリタードして吸蔵型ＮＯｘ触媒２５を昇温させると共に空燃比をリッチ化してＳＯｘを放出する。
【００５３】
そして、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５がＳパージ制御やＮＯｘパージ制御（ＮＯｘパージのためにリッチ化したときに触媒も高温になっていてイオウ成分が放出される場合）、自然Ｓパージ（運転者の加速等の自然な運転により触媒が高温傘リッチとなってイオウ成分が放出される場合））等にてイオウ成分を放出する状態になった頻度は、この吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＨ2Ｓが生成される特性と相関があることを発見し、このイオウ成分を放出する状態になった頻度（Ｓ再生頻度）に応じて排気空燃比のリッチ化の度合または変化速度を制御している。つまり、図７の例では、Ｓ再生頻度に応じて目標Ａ／Ｆを最初はストイキオ近傍のリッチ化度合の小さな値とし、徐々に所定のリッチ空燃比ＡＦ1に向けて移行させるようにしているし、図８の例では、Ｓ再生頻度が低いリッチ化の度合を低くするようにしている。これらの場合、Ｓ再生頻度が低くなるに伴って触媒再生時間は多少長くなるものの大きく長くなるものではない。
【００５４】
従って、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５がある程度高温状態にあるときに、アシスト的に吸蔵型ＮＯｘ触媒２５を昇温してＳＯｘ放出に適した触媒温度域においてＳＯｘを放出して再生している。そのため、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が低温状態でＳＯｘの放出に最適な温度まで昇温するのに長時間を要するような場合に無理にＳ再生を実施するものではない。これによって長時間のリッチ化及び点火時期リタード、及び低温から大きく昇温しなければならないための大幅なリタードを行う必要がなく、燃費の悪化を抑制できる。
【００５５】
そして、このＳ再生時に、目標Ａ／Ｆの変更直後に大量のＨ2Ｓの発生現象はなく、このときのＨ2Ｓの発生濃度を低くすると共にＨ2Ｓを低い濃度のまま保持することができ、Ｈ2Ｓ濃度を低く抑えて排気ガスが異臭を放つことを確実に防止する一方で、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の再生時間の長時間化を抑制して安定した触媒の再生が可能となる。
【００５６】
なお、図１０に一般的な走行時において本実施形態によるアシスト的な昇温によるＳ再生制御を使用したときと、使用しなかったときの吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の触媒ベット温度の時間頻度の比較を示す。本制御を使用することにより、Ｓ再生速度が速くＳ再生に適した６５０℃以上の時間頻度が大きく増加し、よりＳ再生速度の速い７００℃以上の時間頻度も増加しており、効率よくＳ再生できていることがわかる。
【００５７】
また、Ｓパージモードで触媒温度Ｔcat がイオウ成分の脱離に最適な温度（例えば、６５０℃以上）へ近づかない場合、設定時間Ｃを経過した後にＳパージモードを停止させるようにしている。従って、例えば、車両が市街地のような場所で加減速を繰り返す運転状態のときは、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５がＳＯｘを放出するのに最適な高温状態になりにくいため、設定時間Ｃの経過を待ってＳパージモードを中止させており、これによってＳ再生効率が良くない温度帯ではリッチ化及び昇温の継続に制限を設けることにより燃費の悪化を抑制できる。
【００５８】
なお、本実施形態では、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の温度が活性温度を２５０℃〜３５０℃とし、吸蔵されたＳＯｘを脱離するのに適した温度を６５０℃から８００℃（より好ましくは７００℃以上）、昇温設定温度ＺＳＴＥＭＰを６００℃から開始してＳ再生頻度により変化させるようにしたが、各温度は吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の特性、あるいはエンジン形態や排気温度などにより適宜設定すればよいものである。
【００５９】
また、本発明は、Ｓ再生時に、再生制御手段は推定頻度に基づいて排気空燃比のリッチ化の度合または変化速度を制御することが特徴であるため、本実施形態のように、Ｓパージ制御を開始する条件としてＳ再生頻度を用いなくてもよい。例えば、ＮＯｘ吸蔵能力を再生するために吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＳＯｘ量（Ｓ被毒量）が所定量以上になったことを条件としてＳパージ制御を開始するようにしてもよい。また、本発明の触媒昇温も、上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、例えば、膨張行程に追加燃料噴射を行う２段噴射や吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の上流の排気管２１内に直接燃料を噴射するようなものであってもよく、更に、電気加熱触媒等の加熱手段を用いてもよい。また、リッチ化手段としても前述の２段噴射あるいは排気管２１内への直接燃料噴射を用いてもよい。また、運転状態によっては、すでに触媒が高温となっている場合には昇温手段をあらためて作動させなくてもよい場合もある。
【００６０】
また、触媒温度の求め方としては、上述の実施形態のように、高温センサ２４から求める方法の他に、目標平均有効圧Ｐｅ（エンジン負荷）とエンジン回転速度Ｎｅのマップとして予め実験的に触媒温度をＥＣＵ２８にメモリさせた値から求めてもよい。また、より簡略化して車速に対するマップとして予め実験的に触媒温度をＥＣＵ２８にメモリさせた値から求めてもよい。この場合、精度は多少低下するが、高温センサ２４を用いる必要がないためにコストが低減されるメリットがある。
【００６１】
更に、上述の実施形態では、エンジン１１を筒内噴射型ガソリンエンジンとしたが、これに限られず、吸気管噴射型ガソリンエンジンであってもよく、また、上記実施形態では、三元触媒２２を設けて排気ガスの浄化効率を向上させているが、必ずしも三元触媒２２を設けなくてもよく、三元触媒２０がなくても本発明を好適に実現可能である。また、イオウ成分を吸蔵して放出する触媒としては吸蔵型ＮＯｘ触媒２５を上述の実施形態において取り上げたが、触媒としてはその他のものであってもよく、吸着したＮＯｘを直接接触還元する吸着片ＮＯｘ触媒やイオウ成分を吸蔵しやすいタイプの三元触媒であってもよい。更には、エンジンとしては、ディーゼルエンジンに適用することも可能である。
【００６２】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、触媒に吸蔵されたイオウ成分が放出される状態になった頻度に応じて排気空燃比のリッチ化の度合または変化速度を制御するようにしたので、触媒からＨ2Ｓが一度に大量に発生するのを防止して放出濃度を低く抑え、排気ガスの異臭を防止する一方で、触媒の再生時間の長時間化を抑制して安定した触媒装置の再生を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】本実施形態の排気浄化装置によるＳパージ制御のフローチャートである。
【図３】Ｓパージ制御のタイムチャートである。
【図４】Ｓ再生頻度とＮＯｘ排出量との関係を表すグラフである。
【図５】Ｓ再生頻度に対する昇温設定温度を表すグラフである。
【図６】触媒温度推定値に対する反映係数を表すグラフである。
【図７】Ｓパージ制御における目標Ａ／Ｆの時間変化に対するＨ2Ｓ発生量の時間変化を表すタイムチャートである。
【図８】本発明の他の実施形態に係るＳ再生頻度に応じた目標Ａ／ＦとＳパージ時間及びＮＯｘパージ時間の設定マップである。
【図９】Ｓパージ制御あいはＮＯｘパージ制御における目標Ａ／Ｆの時間変化に対するＨ2Ｓ発生量の時間変化を表すタイムチャートである。
【図１０】一般走行において本実施形態を使用したときと使用しなかったときの触媒温度の時間頻度を表すグラフである。
【符号の説明】
１１  エンジン（内燃機関）
２１  排気管（排気通路）
２２  三元触媒
２３  排気浄化触媒装置（触媒）
２４  高温センサ
２５  吸蔵型ＮＯｘ触媒
２６  三元触媒
２７  ＮＯｘセンサ
２８  電子コントロールユニット，ＥＣＵ（頻度算定、手段再生制御手段）
【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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【図９】
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【図１０】
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