(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に設けられ、燃料中の硫黄成分を吸蔵し、高温且つ排気空燃比がリッチ空燃比であるとき前記吸蔵した硫黄成分を放出可能な第１の触媒と、
排気通路のうち前記第１の触媒よりも下流に設けられ、酸素貯留機能を有した第２の触媒と、
前記第２の触媒に空気を供給する空気供給手段と、
前記第１の触媒から硫黄成分が放出される機関運転状態となる前に前記空気供給手段を作動させて前記酸素貯留機能により前記第２の触媒に酸素を貯留させる空気供給制御手段と、
を備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、内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは、排気中の硫黄成分により発生する硫化水素（Ｈ2Ｓ）の大気中への排出を防止する技術に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
一般に、燃料中にはＳ（サルファ）成分（硫黄成分）が含まれており、このＳ成分は酸素と反応してＳＯx（硫黄酸化物）となり、該ＳＯxは例えば硫酸塩Ｘ−ＳＯ4として触媒（三元触媒、ＮＯx触媒等）に吸蔵される（Ｓ被毒）。このように触媒に吸蔵されたＳＯxは、特開平７−２１７４７４号公報等に開示されるように、触媒が所定の高温となり且つ排気空燃比がリッチ空燃比状態（酸素濃度が低下した還元雰囲気）とされることで二酸化硫黄（ＳＯ2）に還元され放出（Ｓパージ）されることが知られている。
【０００３】
ところで、吸蔵されたＳＯx量が多く且つリッチ空燃比のリッチ化度合が大きいと、ＳＯ2とともにＨ2Ｓが生成され、該Ｈ2Ｓも大気中に排出される。しかしながら、良く知られているようにＨ2Ｓには異臭を放つという特性があり、当該Ｈ2Ｓの排出を抑えることが課題となっていた。
そこで、Ｎｉ（ニッケル）やＣａ（カルシウム）等の硫化物を生成し易い物質を触媒に添加することで触媒本体にＳＯxが吸蔵されないように図り、これにより触媒が所定の高温となり且つ排気空燃比がリッチ空燃比状態となったときにおいてＨ2Ｓの生成を抑える技術が例えば特開平７−１９４９７８号公報に開示されている。
【０００４】
また、Ｈ2Ｓの捕獲と酸化とを行うＨ2Ｓトラップを触媒下流に設ける技術が例えば特開平８−２９４６１８号公報に開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記特開平７−１９４９７８号公報に開示された技術では、ＮｉやＣａ等により生成された硫化物は触媒内に残留し続けることになり、例えば触媒の劣化を早めることになり好ましいことではない。さらに、ＮｉやＣａ等による硫化物の生成能力には限界があり、当該限界を越えるとやはり上記従来のような問題が発生することになる。
【０００６】
また、上記特開平８−２９４６１８号公報に開示された技術では、リッチ空燃比運転が継続されると、捕獲されたＨ2Ｓが酸化されずにＨ2Ｓトラップに堆積することになり、Ｈ2Ｓトラップの捕獲能力を越えたときには、Ｈ2Ｓが捕獲されないままに排出される虞があり好ましいことではない。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、Ｈ2Ｓの排出を抑えた内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、請求項１の発明では、高温且つ排気空燃比がリッチ空燃比であるときに当該吸蔵した硫黄成分を放出可能な第１の触媒の下流に酸素貯留機能を有する第２の触媒が設けられており、さらに第２の触媒に空気を供給する空気供給手段が設けられている。そして、第１の触媒から硫黄成分が放出される機関運転状態となる前に当該空気供給手段を作動させて酸素貯留機能により第２の触媒に酸素を貯留させる空気供給制御手段を備えている。
【０００８】
このため、第１の触媒が高温とされ且つ排気空燃比がリッチ空燃比とされた場合、吸蔵された硫黄成分が放出され、Ｈ2Ｓが生成される場合があるが、かかる前に、空気供給手段が空気供給制御手段により作動し、下流に設けられた第２の触媒に空気が供給されて当該空気中の酸素が第２の触媒に貯留され、該貯留された酸素によってＨ2Ｓが良好に酸化される。これにより排ガスが異臭を放つことが確実に防止される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき説明する。
図１を参照すると、車両に搭載された本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図が示されており、以下同図に基づいて本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を説明する。
【００１０】
機関本体（以下、単にエンジンという）１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とされている。そして、この筒内噴射型のエンジン１は、容易にして理論空燃比（ストイキオ）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）が実現可能とされており、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されている。
【００１１】
同図に示すように、エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ４とともに電磁式の燃料噴射弁６が取り付けられており、これにより、燃焼室８内に燃料を直接噴射可能とされている。
燃料噴射弁６には、燃料パイプを介して燃料タンクを擁した燃料供給装置（共に図示せず）が接続されている。より詳しくは、燃料供給装置には、低圧燃料ポンプと高圧燃料ポンプとが設けられており、これにより、燃料タンク内の燃料を燃料噴射弁６に対し低燃圧或いは高燃圧で供給し、該燃料を燃料噴射弁６から燃焼室内に向けて所望の燃圧で噴射可能とされている。この際、燃料噴射量は高圧燃料ポンプの燃料吐出圧と燃料噴射弁６の開弁時間、即ち燃料噴射時間とから決定される。
【００１２】
シリンダヘッド２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１０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１０の他端にはスロットル弁１１が接続されており、該スロットル弁１１にはスロットル開度θthを検出するスロットルセンサ１１ａが設けられている。
【００１３】
また、シリンダヘッド２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１２の一端がそれぞれ接続されている。
図中符号１３は、クランク角を検出するクランク角センサであり、該クランク角センサ１３はエンジン回転速度Ｎeを検出可能とされている。
【００１４】
なお、当該筒内噴射型のエンジン１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。
同図に示すように、排気マニホールド１２には排気管（排気通路）１４が接続されており、この排気管１４にはエンジン１に近接した小型の近接三元触媒２０、吸蔵型ＮＯx触媒（第１の触媒）３０及び三元触媒（第２の触媒）３２を介してマフラー（図示せず）が接続されている。つまり、本発明の排気浄化装置では吸蔵型ＮＯx触媒３０の下流に三元触媒３２を有している。また、排気管１４の吸蔵型ＮＯx触媒３０直上流部には排気温度を検出する高温センサ１６が設けられている。
【００１５】
吸蔵型ＮＯx触媒３０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３０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、吸蔵材としてはバリウム（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。
【００１６】
三元触媒３２は通常使用される三元触媒であり、内部に酸素を貯留する機能を有している。
また、大気開放口４６からフィルタ４７を介して２次エア管路４０が延びており、その先端は吸蔵型ＮＯx触媒３０と三元触媒３２との間の排気通路に臨んで開口している。該２次エア管路４０にはエアポンプ４２、絞切弁４５が介装されており、該エアポンプ４２を作動させるとともにソレノイド４４を作動させ絞切弁４５を開弁することで、大気中の空気が排気通路を介して三元触媒３２内に２次エアとして供給可能とされている（空気供給手段）。これにより、三元触媒３２内に当該２次エア中の酸素が十分に貯留可能とされる。
【００１７】
さらに、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備えたＥＣＵ（電子コントロールユニット）５０が設置されており、このＥＣＵ５０により、エンジン１を含めた本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の総合的な制御が行われる。ＥＣＵ５０の入力側には、上述したスロットルセンサ１１ａ、高温センサ１６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。
【００１８】
一方、ＥＣＵ５０の出力側には、点火コイルを介して上述した点火プラグ４や燃料噴射弁６、エアポンプ４２、ソレノイド４４等が接続されており、これら点火コイル、燃料噴射弁６、エアポンプ４２、ソレノイド４４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駆動信号が出力される。燃料噴射弁６、点火コイルに関していえば、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とになり、燃料噴射弁６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４によって適正なタイミングで点火が実施される。
【００１９】
ところで、ＥＣＵ５０では、スロットルセンサ１１ａからのスロットル開度情報θthとクランク角センサ１３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、さらに、当該目標平均有効圧Ｐeとエンジン回転速度情報Ｎeとに応じて燃料噴射モード設定マップ（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、燃料は圧縮行程で噴射され、一方、目標平均有効圧Ｐeが大きくなり或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、燃料は吸気行程で噴射される。吸気行程噴射モードには、リーン空燃比とされる吸気リーンモード、理論空燃比とされるストイキオフィードバックモード、及び、リッチ空燃比を含むオープンループモード（Ｏ／Ｌモード）とがある。
【００２０】
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、上記適正量の燃料噴射量は該目標Ａ／Ｆに基づいて決定される。
また、上記高温センサ１６により検出された排気温度情報からは吸蔵型ＮＯx触媒３０の温度、即ち触媒温度Ｔcatが推定される。詳しくは、高温センサ１６を吸蔵型ＮＯx触媒３０に直接設置できないことに起因して発生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とに応じて予め実験等により温度差マップ（図示せず）が設定されており、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。
【００２１】
以下、このように構成された本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の作用について説明する。つまり、吸蔵型ＮＯx触媒３０にはＮＯxの他にＳＯxも吸蔵されるのであるが、当該ＳＯxの放出制御（Ｓパージ制御）に伴う２次エアの導入制御手順について説明する。
図２を参照すると、ＥＣＵ５０が実行する２次エア導入制御ルーチンのフローチャートが示されており、以下当該フローチャートに沿って説明する（空気供給制御手段）。
【００２２】
先ず、ステップＳ１０では、ＮＯx触媒がＳ（サルファ）により劣化したか否か、即ち吸蔵型ＮＯx触媒３０に吸蔵されたＳＯxの量（被毒Ｓ量Ｑs）が所定量Ｑs1に達したか否かを判別する。ここに、被毒Ｓ量Ｑsは推定により求められる値であり、以下、被毒Ｓ量Ｑsの推定手法（検出方法）について簡単に説明する。
【００２３】
被毒Ｓ量Ｑsは、基本的には燃料噴射積算量Ｑfに基づき設定されるものであり、燃料噴射制御ルーチン（図示せず）の実行周期毎に次式により演算される。
Ｑs＝Ｑs(n-1)＋ΔＱf・Ｋ−Ｒs …(1)
ここに、Ｑs(n-1)は被毒Ｓ量の前回値であり、ΔＱfは実行周期当たりの燃料噴射積算量、Ｋは補正係数、Ｒsは実行周期当たりの放出Ｓ量、即ち再生量を示している。
【００２４】
つまり、現在の被毒Ｓ量Ｑsは、実行周期当たりの燃料噴射積算量ΔＱfを補正係数Ｋで補正して積算するとともに、該積算値から実行周期当たりの放出Ｓ量Ｒsを減算することで求められる。
補正係数Ｋは、例えば、次式(2)に示すように、空燃比Ａ／Ｆに応じたＳ被毒係数Ｋ1、燃料中のＳ含有量に応じたＳ被毒係数Ｋ2及び触媒温度Ｔcatに応じたＳ被毒係数Ｋ3の３つの補正係数の積からなっている。
【００２５】
Ｋ＝Ｋ1・Ｋ2・Ｋ3 …(2)
また、実行周期当たりの放出Ｓ量Ｒsは次式(3)から演算される。
Ｒs＝α・Ｒ1・Ｒ2・dＴ  …(3)
ここに、αは単位時間当たりの再生率（設定値）であり、dＴは燃料噴射制御ルーチンの実行周期を示しており、Ｒ1及びＲ2はそれぞれ触媒温度Ｔcatに応じた再生能力係数及び空燃比Ａ／Ｆに応じた再生能力係数を示している。
【００２６】
そして、ステップＳ１０の判別結果が偽（Ｎｏ）で、上記のようにして求めた被毒Ｓ量Ｑsが未だ所定量Ｑs1に達していないと判定される場合には、次にステップＳ１２に進む。
ステップＳ１２では、触媒温度ＴcatがＳパージ可能な所定の高温Ｔcat1（例えば、６５０℃）に達しているか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で触媒温度Ｔcatが所定の高温Ｔcat1以上である場合には、次にステップＳ１４に進む。
【００２７】
ステップＳ１４では、上述した燃料噴射モード設定マップに基づき、運転状態がリッチ空燃比運転であるか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）、即ち、燃料噴射モードがＯ／Ｌモードであって車両が加速走行中等で現在リッチ空燃比運転を実施していると判定された場合には、次にステップＳ１６に進む。
ステップＳ１６では、２次エアの導入を行う。詳しくは、エアポンプ４２が作動させられるとともにソレノイド４４が作動されて絞切弁４５が開弁状態とされ、大気中の空気が排気通路を経て三元触媒３２に供給される。
【００２８】
つまり、触媒温度Ｔcatが所定の高温Ｔcat1以上であり、且つ、運転状態がリッチ空燃比運転中であって排気空燃比がリッチ空燃比であるような機関運転状態は、吸蔵型ＮＯx触媒３０に吸蔵されたＳＯxのＳパージが自然に実施されＨ2Ｓ（硫化水素）が生成されるような状況と考えられ、このような場合には、吸蔵型ＮＯx触媒３０の下流に位置する三元触媒３２に空気を供給し酸素を貯留させるのである。これにより、生成されたＨ2Ｓが三元触媒３２を通過する際に上記貯留された酸素によって良好に酸化されることになる。故に、排ガスが異臭を放つようなことが確実に防止される。
【００２９】
なお、リッチ空燃比の度合や被毒Ｓ量Ｑs等に応じてＨ2Ｓの生成量は変化すると考えられるため、この際当該リッチ空燃比の度合や被毒Ｓ量Ｑs等に応じて２次エアの導入量、即ちソレノイド４４を制御することにより絞切弁４５の開度を可変設定するようにしてもよい。
ステップＳ１２またはステップＳ１４の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、Ｓパージが実施されることなくＨ2Ｓが生成されることはないため、ステップＳ３４において２次エアは停止状態とされる。
【００３０】
一方、ステップＳ１０の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、被毒Ｓ量Ｑsが所定量Ｑs1に達したと判定された場合には、次にステップＳ２０に進み、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３０に吸蔵されたＳＯxの放出、即ちＳパージの実施が許可される。
Ｓパージが開始されると、上述したようにＨ2Ｓが生成されると考えられる。故に、次のステップＳ２２において、先ず上記ステップＳ１６と同様に２次エアの導入を開始する。これにより、三元触媒３２に酸素が十分に貯留される。
【００３１】
そして、ステップＳ２４及びステップＳ２６においてＳパージの本制御、即ち吸蔵型ＮＯx触媒３０の昇温と空燃比のリッチ空燃比化（リッチスパイクという）を行う。
詳しくは、ステップＳ２４では、吸蔵型ＮＯx触媒３０の昇温を行うべく排ガスの昇温処理を行う。
【００３２】
排ガスの昇温処理としては、点火時期リタードによって燃焼を緩慢にする方法の他、当該筒内噴射型のエンジン１にあっては燃料噴射時期を複数回（例えば２回）に分割する分割噴射（例えば２段噴射）による方法がある。
２段噴射は、主噴射を圧縮行程或いは吸気行程で行うとともに副噴射を膨張行程（特に、膨脹行程中期又はそれ以降）で行い、副噴射によって供給される燃料が主噴射による主燃焼の余剰酸素と混合し再燃焼することを利用して排ガスを昇温させるというものである。
【００３３】
なお、実際には、この昇温処理では温度フィードバック制御が行われ、触媒温度ＴcatがＳパージに適した所定の高温Ｔcat1（例えば、６５０℃と７００℃の間）に保持されることになるが、ここでは詳細な説明を省略する。
そして、ステップＳ２６において、目標Ａ／ＦをＳパージに適した所定のリッチ空燃比（例えば、値１２）とする。昇温処理として２段噴射を実施している場合には、主噴射と副噴射とを合わせた全体Ａ／Ｆを所定のリッチ空燃比に設定する。なお、この際、主噴射と副噴射との燃料比率が可変制御されて適正な空燃比制御が行われるが、ここでは説明を省略する。
【００３４】
次のステップＳ２８では、吸蔵型ＮＯx触媒３０からＳＯxが放出され、被毒Ｓ量Ｑsが上記式(1)に基づき所定量Ｑs0未満となったか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）で、未だ被毒Ｓ量Ｑsが所定量Ｑs0以上である場合には、ステップＳ２４及びステップＳ２６を繰り返し実行し、Ｓパージを継続する。
このようにＳパージが継続されると、上述したようにＨ2Ｓが生成されることになる。しかしながら、当該Ｈ2Ｓは三元触媒３２を通過する際に該三元触媒３２に２次エアの供給により貯留された酸素によって良好に酸化される。故に、この場合にも上記同様に排ガスが異臭を放つようなことが確実に防止されることとなる。
【００３５】
なお、被毒Ｓ量Ｑsの変化に応じてＨ2Ｓの生成量も変化すると考えられるため、この際、当該被毒Ｓ量Ｑsの変化に応じて２次エアの導入量、即ちソレノイド４４を制御することにより絞切弁４５の開度を可変制御するようにしてもよい。
一方、ステップＳ２８の判別結果が真（Ｙｅｓ）となり、被毒Ｓ量Ｑsが所定量Ｑs0未満となった場合には、ステップＳ３０に進み、Ｓパージモードを終了する。詳しくは、２次エアの導入については継続したまま昇温処理とリッチスパイクとを中止する。
【００３６】
そして、ステップＳ３２においてＳパージモードが終了されてから所定時間ｔ1が経過したか否かを判別し、判別結果が真（Ｙｅｓ）で所定時間ｔ1が経過したと判定されたら、ステップＳ３４において、２次エアの導入が停止される。
このように２次エアの停止をＳパージモードの終了時点よりも遅延させるのは、応答遅れを考慮したためである。これにより、制御信号の発信後に遅れて生成されるＨ2Ｓが、継続供給される２次エア中の酸素によって十分に酸化されることになり、排ガスが異臭を放つようなことが極めて確実に防止されることになる。
【００３７】
なお、上記実施形態では、吸蔵型ＮＯx触媒３０をＮＯxの吸蔵、放出と還元の双方を実現可能なＮＯx触媒としたが、当該吸蔵型ＮＯx触媒３０をＮＯxの吸蔵、放出の機能のみを有したＮＯx触媒とし、下流の三元触媒３２にＮＯxの還元機能を持たせるようにしてもよい。つまり、三元触媒３２にＨ2Ｓの酸化機能とＮＯxの還元機能との２つの役割を持たせるようなものであってもよい。
【００３８】
また、上記実施形態では、吸蔵型ＮＯx触媒３０の下流に三元触媒３２を設け、該三元触媒３２に２次エアを導入するようにしたが、これに限られず、ＳＯxを吸蔵し且つ放出可能な触媒の下流に酸素貯蔵能力を有する触媒を設け、当該酸素貯蔵能力を有する触媒に２次エアを供給できる構成であれば、触媒の数や種類は如何なるものであってもよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の請求項１の内燃機関の排気浄化装置によれば、第２の触媒に貯留された酸素によってＨ2Ｓを良好に酸化することができ、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置を示す概略構成図である。
【図２】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の２次エア導入制御ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１  エンジン（内燃機関）
４  点火プラグ
６  燃料噴射弁
１１  スロットル弁
１１ａ  スロットルセンサ
１３  クランク角センサ
１６  高温センサ
３０  吸蔵型ＮＯx触媒（第１の触媒）
３２  三元触媒（第２の触媒）
４０  ２次エア管路（空気供給手段）
４２  エアポンプ（空気供給手段）
４４  ソレノイド（空気供給手段）
４５  絞切弁（空気供給手段）
５０  電子コントロールユニット（ＥＣＵ）
【図１】
0004228154.tif 000002
【図２】
0004228154.tif 000003