JP2008190461A - 排ガス浄化装置及び排ガス浄化装置の脱硫方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯｘトラップ触媒に吸蔵された硫黄成分を除去する場合においても排ガスをよりクリーンにしながら排ガス浄化性能を向上できるようにした、排ガス浄化装置及び排ガス浄化装置の脱硫方法を提供する。
【解決手段】内燃機関１の排ガス通路１３に設けられ、リーン雰囲気において排ガス中の窒素酸化物及び硫黄成分を吸蔵するＮＯｘトラップ触媒１５と、空燃比を調整する空燃比調整手段３１と、所定の脱硫処理実行条件が成立した場合には、排ガスの空燃比を理論空燃比よりも僅かにリッチ化してＮＯｘトラップ触媒から硫黄成分を放出させる脱硫処理を行うように制御する脱硫処理実行手段３４と、脱硫処理実行手段３４により脱硫処理が行われる際に、空燃比を所定のリーン期間だけ理論空燃比よりもリーン化するように制御するリーン化実行手段３５とをそなえて構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸蔵して排ガスを浄化するＮＯｘトラップ触媒をそなえた排ガス浄化装置及び排ガス浄化装置の脱硫方法に関する。

従来より、内燃機関の排ガスに含まれるＮＯｘを浄化するための触媒として、酸素過剰な雰囲気（酸化雰囲気）においてＮＯｘを触媒内に吸蔵し、酸素濃度が低い雰囲気（還元雰囲気）において吸蔵されているＮＯｘを放出する機能を有するＮＯｘトラップ触媒（吸蔵型ＮＯｘ触媒）が用いられている。
このようなＮＯｘトラップ触媒は、酸化雰囲気において、排ガスに含まれるＮＯｘを硝酸塩として触媒上に吸蔵するようになっている。

このようなＮＯｘトラップ触媒を用いた排ガス浄化装置では、ＮＯｘトラップ触媒上のＮＯｘ吸蔵量が飽和状態に近づくと、ＮＯｘトラップ触媒の周辺雰囲気を酸素濃度が低い還元雰囲気にして燃料等の不完全燃焼により生じるＣＯ等を還元剤にしてＮＯｘトラップ触媒に供給するようになっている。これにより、ＮＯｘトラップ触媒に吸蔵された硝酸塩と排気中のＣＯ等の還元剤とが反応してＮＯｘトラップ触媒からＮＯｘを放出させるとともに放出したＮＯｘを還元して無害なＮ₂にした上で大気中に排出するようになっている。

ところで、一般に排ガス中にはサルファ（硫黄）成分が含まれており、ＮＯｘトラップ触媒はＮＯｘとともに硫黄酸化物（ＳＯｘ）という硫黄成分も吸蔵する性質を有している。
ところが、ＮＯｘトラップ触媒上の硫黄成分は硝酸塩よりも化学的安定性が高く、ＮＯｘトラップ触媒の周辺雰囲気を還元雰囲気にしてもＮＯｘトラップ触媒からは僅かな量の硫黄成分しか放出されない。このため、ＮＯｘトラップ触媒に残留する硫黄成分の量は時間とともに増加し、これにより、ＮＯｘトラップ触媒の触媒としての性能が低下してしまう。このようにＮＯｘトラップ触媒中に硫黄成分が吸蔵され触媒の性能が低下することをＳ被毒という。

このため、従来よりＮＯｘトラップ触媒のＳ被毒を解消する技術が提案されている。
例えば、特許文献１の技術では、ＮＯｘトラップ触媒に吸蔵された硫黄成分は高温下においては、還元剤とよく反応してＮＯｘトラップ触媒から放出されるという性質に着目し、内燃機関の膨張行程に追加燃料を噴射するなどしてＮＯｘトラップ触媒を昇温させて高温にするとともに大量の一酸化炭素（ＣＯ）を還元剤としてＮＯｘトラップ触媒に供給することにより、ＮＯｘトラップ触媒に吸蔵された硫黄成分とＣＯとを反応させてＮＯｘトラップ触媒から硫黄成分を放出させる制御（Ｓパージ運転）を行うようになっている。
特開平１１−２２９８６４号公報

ところで、Ｓパージ運転を行う際には、ＮＯｘトラップ触媒を高温にした上で、還元剤としてのＣＯ，ＨＣ，Ｈ₂をＮＯｘトラップ触媒に供給する必要がある。
特許文献１の技術においては、空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定して内燃機関で燃料を不完全燃焼させることによりＣＯを発生させてＮＯｘトラップ触媒に供給するようにしている。

図５は、横軸に排ガスの空燃比をとり、縦軸にそれぞれ排ガス中のＣＯ濃度，ＮＨ₃濃度，ＮＯｘ濃度をとったグラフである。図５に示すように、Ｓパージ運転の際に空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定した場合には、排ガス中のＮＯｘ濃度が低下する反面、排ガス中のＣＯ濃度が増加する。

ところが、空燃比を理論空燃比よりもリッチ側にすると、ＮＯｘトラップ触媒でアンモニア（ＮＨ₃）が発生し、排ガス中のＮＨ₃濃度が増加することが判っている。
つまり、ＮＨ₃は、ＮＯｘトラップ触媒において以下の化学反応式（１），（２）により発生すると考えられる。
ＮＯ＋ＨＣ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋ＮＨ₃・・・（１）
２ＮＯ＋５Ｈ₂→２Ｈ₂Ｏ＋２ＮＨ₃・・・（２）
即ち、ＮＯｘトラップ触媒が還元雰囲気となると、ＮＯｘトラップ触媒に吸蔵されているＮＯｘや、ＣＯとともに排ガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）及び水（Ｈ₂Ｏ）等により上式（１），（２）の反応が生じることが考えられる。なお、上式（２）中の水素（Ｈ₂）は排気通路において以下の化学反応式（３），（４）により生成される。
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂・・・（３）
ＨＣ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋ＣＯ＋Ｈ₂・・・（４）

このように、Ｓパージ運転を行う際には、排ガス中に生成されるＮＨ₃が大気中に排出されてしまう虞がある。特に、Ｓパージ運転によりＮＯｘトラップ触媒から硫黄成分を十分に放出させるためには、比較的長い時間（例えば数分程度）Ｓパージ運転を継続する必要がある。しかし、Ｓパージ運転を比較的長時間行えば、その分、大量のＮＨ₃が生成され、ＮＨ₃を多く含む排ガスが大気に放出されることになる。つまり、ＮＨ₃に起因して排ガスに悪臭が生じるという不都合が生じてしまうことになるため、Ｓパージ運転を行う際に生成されるＮＨ₃を低減することが望まれている。

また、Ｓパージ運転中においてＮＨ₃の生成を低減するためには、例えば、空燃比をリーン側に変更する手法が考えられる。しかしながら、図５に示すように理論空燃比よりもリーンな空燃比では、ＮＯｘトラップ触媒に十分な量の還元剤（ＣＯ）が供給されず、吸蔵型ＮＯｘから十分に硫黄成分を放出させることができない。つまりＮＯｘトラップ触媒のＳ被毒を効率的に解消することができない。

本発明はこのような課題に鑑み創案されたもので、ＮＯｘトラップ触媒に吸蔵された硫黄成分を除去する場合においても排ガスをよりクリーンにしながら排ガス浄化性能を向上できるようにした、排ガス浄化装置及び排ガス浄化装置の脱硫方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の排ガス浄化装置（請求項１）は、内燃機関の排ガス通路に設けられ、排ガスの空燃比がリーンであるリーン雰囲気において該排ガス中の窒素酸化物及び硫黄成分を吸蔵するＮＯｘトラップ触媒と、該排ガスの空燃比を調整する空燃比調整手段と、所定の脱硫処理実行条件が成立した場合には、該排ガスの空燃比を理論空燃比よりも僅かにリッチ化して該ＮＯｘトラップ触媒に吸蔵された硫黄成分を放出させる脱硫処理を行うように該空燃比調整手段を制御する脱硫処理実行手段と、該脱硫処理実行手段により該脱硫処理が行われる際に、該排ガスの空燃比を所定のリーン期間だけ理論空燃比よりもリーン化するように該空燃比調整手段を制御するリーン化実行手段とをそなえていることを特徴としている。

また、該リーン化実行手段は、該脱硫処理実行手段により該脱硫処理が行われる際に、所定のリッチ期間毎に周期的に該リーン期間だけ空燃比を理論空燃比よりもリーン化するように該空燃比調整手段を制御することが好ましい（請求項２）。

また、該リーン化実行手段は、該内燃機関の運転状態に基づいて、該リッチ期間を設定することが好ましい（請求項３）。
例えば、脱硫処理を実行する際において、内燃機関の回転数や負荷が大きい場合には、その分、排ガスの流量が大きくなり、それに比例してアンモニアの生成量を多くなることが考えられるため、リッチ化期間をより短く設定することによって、ＮＯｘトラップ触媒におけるアンモニアの生成を効果的に抑制しうるようにすればよい。

また、該リーン化実行手段は、該内燃機関の運転状態に基づいて、該リーン期間を設定することが好ましい（請求項４）。
例えば、脱硫処理を実行する際において、内燃機関の回転数や負荷が大きい場合には、その分、排ガスの流量が大きくなり、それに比例してアンモニアの生成量を多くなることが考えられるため、リーン期間をより長く設定することによって、ＮＯｘトラップ触媒におけるアンモニアの生成を効果的に抑制しうるようにすればよい。
また、該リーン化実行手段は、該内燃機関の運転状態に基づいて、該リーン期間における該排ガスの空燃比を設定することが好ましい（請求項５）。

脱硫処理を実行する際において、内燃機関の回転数や負荷が大きい場合には、その分、排ガス流量が大きくなり、それに比例してアンモニアの生成量を多くなることが考えられるため、リーン期間における排ガスの空燃比をよりリーンに設定することによって、ＮＯｘトラップ触媒におけるアンモニアの生成を効果的に抑制しうるようにすればよい。
また、一般に、ＮＯｘトラップ触媒は、一定の温度領域内において温度が高くなるほど、触媒が活性してアンモニアの生成量が多くなることが考えられる。このため、リーン化実行手段は、温度領域内において温度が高くなるほどリーン期間を長く設定したり、リーン期間における排ガスの空燃比をよりリーン側に設定したりするように構成することも好ましい。

また、該脱硫処理実行条件には、該ＮＯｘトラップ触媒の温度が所定温度以上であること、が含まれることが好ましい（請求項６）。
また、該ＮＯｘトラップ触媒に吸蔵されている硫黄成分の量を推定する硫黄吸蔵量推定手段をそなえ、該脱硫処理実行条件には、該硫黄吸蔵量推定手段により推定された該硫黄成分の吸蔵量が所定量以上であることが含まれることが好ましい（請求項７）。

また、請求項８記載の本発明の排ガス浄化装置の脱硫方法によれば、内燃機関の排ガス通路に設けられ、排ガスの空燃比がリーンであるリーン雰囲気において該排ガス中の窒素酸化物及び硫黄成分を吸蔵するＮＯｘトラップ触媒と、該排ガスの空燃比を調整する空燃比調整手段と、を備えた排ガス浄化装置において、該ＮＯｘトラップ触媒に吸蔵された硫黄成分を放出する脱硫処理を行う排ガス浄化装置の脱硫方法であって、所定の脱硫処理実行条件が成立した場合に該排ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチ化するリッチ化ステップと、該リッチ化ステップが実行される際に、該排ガスの空燃比を所定のリーン期間だけ理論空燃比よりもリーン化するパーシャルリーン化ステップとを有することを特徴としている。

本発明の排ガス浄化装置（請求項１）及び本発明の排ガス浄化装置の脱硫方法（請求項８）によれば、ＮＯｘトラップ触媒に吸蔵された硫黄成分を除去する場合においてアンモニアの生成を低減して排ガスをよりクリーンにして排ガスの悪臭を抑制することができる。また、還元剤としての一酸化炭素をＮＯｘトラップ触媒に十分に供給でき、ＮＯｘトラップ触媒から硫黄成分を除去することができる。したがって、排ガス浄化性能を向上できる。

本発明の排ガス浄化装置（請求項２）によれば、ＮＯｘトラップ触媒に残留した硫黄成分の放出とアンモニアの生成の抑制とを連続的に実行することができる。
本発明の排ガス浄化装置（請求項３）によれば、内燃機関の運転状態に応じてリーン期間を設定することにより、効果的にＮＯｘトラップ触媒に残留した硫黄成分の放出とアンモニアの生成の抑制とを実行することができる。

本発明の排ガス浄化装置（請求項４）によれば、内燃機関の運転状態に応じてリッチ期間を設定することにより、効果的にＮＯｘトラップ触媒に残留した硫黄成分の放出とアンモニアの生成の抑制とを実行することができる。
本発明の排ガス浄化装置（請求項５）によれば、内燃機関の運転状態に応じてリーン期間における排ガスの空燃比を設定することにより、効果的にＮＯｘトラップ触媒に残留した硫黄成分の放出とアンモニアの生成の抑制とを実行することができる。

本発明の排ガス浄化装置（請求項６）によれば、ＮＯｘトラップ触媒の温度が所定温度以上である状態で脱硫処理を行うことにより、効果的にＮＯｘトラップ触媒から硫黄成分を除去することができる。
本発明の排ガス浄化装置（請求項７）によれば、硫黄吸蔵量推定手段により推定された硫黄成分の吸蔵量が所定量以上であることが脱硫処理実行条件に含まれることにより、ＮＯｘトラップ触媒の触媒性能がＳ被毒により所定レベルに低下した状態で脱硫処理を行って触媒性能を回復することができるとともに、Ｓ被毒の程度が小さい場合に不必要な脱硫処理を行うことを防止することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１〜図４はいずれも本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置及び排ガス浄化装置の脱硫方法を説明するためのものであって、図１はその全体構成を模式的に示す構成図、図２は燃料噴射制御に用いるマップ図、図３は脱硫処理にかかる手順を示すフローチャート、図４は作用及び効果を示すもので横軸に時間をとり、縦軸にそれぞれ空燃比，ＣＯ濃度，ＮＨ₃濃度をとったグラフである。

図１に示すように、エンジン１のシリンダヘッド２には点火プラグ３が取り付けられると共に、電磁式の燃料噴射弁４が取り付けられている。燃焼室５内には燃料噴射弁４から燃料が直接噴射されるようになっている。エンジン１のシリンダ６にはピストン７が上下方向に摺動自在に支持され、ピストン７の頂面には半球状に窪んだキャビティ８が形成されている。シリンダヘッド２には、吸気弁１１及び排気弁１２が備えられている。

吸気ポート９は、吸気弁１１を介して燃焼室５と連通しているが、吸気弁１１の駆動により開閉されるようになっている。また、吸気ポート９には図示しない吸気管、サージタンク、エアクリーナ、スロットルバルブ等が接続されている。
一方、排気ポート１０は、排気弁１２を介して燃焼室５と連通しているが、排気弁１２の駆動により開閉されるようになっている。

即ち、エンジン１は、吸気ポート９から燃焼室５内に流入した吸気流がピストン７上面のキャビティ８により逆タンブル流を形成し、圧縮行程後期に燃料を噴射して逆タンブル流を利用しながら燃焼室５の頂部中央に配設された点火プラグ３の近傍のみに少量の燃料を集め、点火プラグ３から離隔した部分で極めてリーンな空燃比状態とし、点火プラグ３の近傍のみを理論空燃比又はリッチな空燃比とすることで、安定した層状燃焼（層状超リーン燃焼）を実現しながら燃料消費を抑制することが可能となっている。

もちろん、層状燃焼の他にエンジン１から高出力を得る必要がある場合には、燃料噴射弁４からの燃料を吸気行程に噴射することにより燃焼室５全体に燃料を混合し、予混合燃焼を行えるようになっている。当然、理論空燃比もしくはリッチ空燃比である方がリーン空燃比である場合よりも高出力が得られるため、この際にも、燃焼室５において燃料の霧化及び気化が十分に行なわれるようなタイミングで燃料噴射を行ない、効率よく高出力を得るようになっている。

一方、排気ポート１０には排気管（排ガス通路）１３が接続され、排気管１３には排気浄化装置として三元触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５がエンジン１側から順に直列に設けられている。
三元触媒１４は、空燃比が理論空燃比である場合には、排ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘを浄化可能な三元機能を有した触媒である。一方、ＮＯｘトラップ触媒１５は、排ガス中の酸素が過剰な雰囲気（酸化雰囲気）において、排ガス中に多く含まれるＮＯｘを吸蔵するとともに、排ガス中の酸素濃度が低く、排ガス中に還元剤を多く含む雰囲気（還元雰囲気）において吸蔵したＮＯｘを放出して還元浄化することにより無害なＮ₂にする機能を有した触媒である。

即ち、これらの三元触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５により排ガス中の一酸化炭素（ＣＯ），炭化水素（ＨＣ），窒素酸化物（ＮＯｘ）等の有害成分を浄化してから、大気へ放出されるようになっている。
つまり、空燃比が理論空燃比である場合には、排ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘは三元触媒１４により浄化され、空燃比が理論空燃比よりもリーンな酸化雰囲気においては排ガス中にＣＯ，ＨＣ等の不完全燃焼物がほとんど含まれない反面、排ガス中のＮＯｘ濃度が大きくなるが、三元触媒１４を通過したＮＯｘは下流側のＮＯｘトラップ触媒１５に吸蔵されて排ガス中から除去されるようになっている。

また、排ガス中には、ＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘの他に、二酸化硫黄（ＳＯ₂）等の硫黄酸化物（以下、硫黄成分という）を含んでおり、ＮＯｘトラップ触媒１５は、ＮＯｘとともにこれらの硫黄成分も吸蔵するという性質を有している。
なお、三元触媒１４とＮＯｘトラップ触媒１５との間には触媒温度センサ１６が設置されている。また、ＮＯｘトラップ触媒１５の下流側にはＮＯｘセンサ１７が設置されている。そして、排気管１３のＮＯｘセンサ１７のさらに下流側は図示しない消音装置を経て大気へ連通されている。

本実施形態の車両には、エンジン１の総合的な制御を実施する電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０が設けられている。
ＥＣＵ３０は、いずれも図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶を行う記憶装置、演算装置及びタイマやカウンタ類等により構成されている。
また、ＥＣＵ３０は、機能要素として、空燃比調整部（空燃比調整手段）３１，触媒昇温部３２，ＮＯｘパージ実行部３３，脱硫処理実行部（脱硫処理実行手段，硫黄吸蔵量推定手段）３４及びリーン化実行部（リーン化実行手段）３５を有している。

このＥＣＵ３０には、触媒温度センサ１６，ＮＯｘセンサ１７，エアフローセンサ２０，エンジン回転数センサ２１及びアクセル開度センサ（ＡＰＳ）２２やその他の図示しないセンサ類が接続されている。そして、触媒温度センサ１６からは触媒温度Ｔ，ＮＯｘセンサ１７からはＮＯｘセンシング信号Ｃ，エアフローセンサ２０からは吸入空気量Ａ，エンジン回転数センサ２１からはエンジン回転数Ｎｅ，アクセル開度センサ２２からはアクセル開度θがそれぞれＥＣＵ３０に入力されるようになっている。

また、ＥＣＵ３０には、点火プラグ３及び燃料噴射弁４が接続されている。そして、ＥＣＵ３０の空燃比調整部３１は、各種入力情報や後述する運転モードに基づいて燃料噴射量及び燃料噴射時期並びに点火時期を決定し、燃料噴射弁４や点火プラグ３を駆動制御するものである。
空燃比調整部３１は、通常走行時の燃料噴射の態様として、層状超リーンモード，吸気リーンモード，ストイキオモード，エンリッチモードの４つの運転モードに応じてエンジン１を制御するようになっている。

層状超リーンモードは、上述の層状超リーン燃焼によるリーン運転を実現し燃費を向上させるために圧縮行程中で燃料噴射を行なう運転モードである。
吸気リーンモードは予混合燃焼による理論空燃比よりもリーンな空燃比での運転を実現して緩加速による出力を得るために吸気行程中に燃料噴射を行なう運転モードである。
ストイキオモードは、予混合燃焼により理論空燃比近傍の空燃比でのストイキオフィードバック運転を実現して吸気リーンモードよりも出力を向上させるために吸気行程中に燃料噴射を行なう運転モードである。

エンリッチモードは、予混合燃焼により理論空燃比よりもリッチな空燃比での運転を行う運転モードである。
さらに、空燃比調整部３１は、これらの４つの運転モードに応じて燃料噴射量及び燃料噴射時期並びに点火時期を制御するようになっている。
これについてより具体的に説明すると、この空燃比調整部３１は、図２に示すようなマップに従って、エンジン回転数Ｎｅ及び平均有効圧力Ｐｅに応じて上述の各運転モードの中から一つの運転モードを選択する。そして、選択された運転モードに応じた燃料噴射制御マップを選択し、この選択した燃料噴射制御マップ（図示略）を用いて、エンジン回転数Ｎｅ及び平均有効圧力Ｐｅに応じて、通常の燃焼を行なうための燃料噴射量及び噴射時期（すなわち、燃料噴射終了時期及び燃料噴射開始時期）を設定するようになっている。

なお、平均有効圧力Ｐｅは、空燃比調整部３１において、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度θ（あるいは、スロットル開度がアクセル開度θと常に対応する場合は、アクセル開度θに代えてスロットル開度を用いてもよい）の各情報から算出されるようになっている。
触媒昇温部３２は、三元触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５を昇温させるためのものである。この触媒昇温部３２は、燃焼室５内の通常の燃焼のための主燃料噴射（圧縮行程や吸気行程での燃料噴射）における燃料噴射弁４の駆動とは別に、エンジン１の出力に影響しにくいタイミングで燃料噴射弁４を駆動する追加燃料噴射（膨張行程の末期での燃料噴射）を行い、この追加燃料を排気管１３側で燃焼させることにより排気管１３に高温の排ガスを通気させることで、三元触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５昇温させるようになっている。

また、ＮＯｘパージ実行部３３は、ＮＯｘパージ実行条件が成立した場合、即ち、ＮＯｘトラップ触媒１５に吸蔵されるＮＯｘが飽和あるいは飽和に近づいたと判定した場合には、上述の通常走行時の４つの運転モードに代わり、ＮＯｘトラップ触媒１５に吸蔵されたＮＯｘを放出・還元（浄化）するためのＮＯｘパージモードを選択するようになっている。

ＮＯｘパージ実行部３３が、ＮＯｘパージ実行条件が成立したと判断してＮＯｘパージモードを選択すると、空燃比調整部３１は、通常の燃料噴射（主噴射）に加えて追加の燃料噴射（リッチスパイク）を行って排ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにするように燃料噴射弁４を駆動するようになっている。
つまり、ＮＯｘトラップ触媒１５に吸蔵されたＮＯｘの放出を促進させるための還元剤としてのＨＣ，ＣＯの確保やエンジン１の出力トルクへの影響を考慮して、膨張行程内（できれば膨張行程でも末期に近いタイミングが好ましい）に追加燃料噴射を行なうことにより、エンジン１の出力トルクの変化を抑制しながらも通常の燃料噴射（主噴射）と追加燃料噴射とを合わせた合計の空燃比（トータルＡ／Ｆ）がリッチとなるようになっている。

なお、ＮＯｘパージモードが選択された場合に、上述のように追加燃料噴射を行う代わりに、通常の燃料噴射（主噴射）のみにおいて空燃比をリッチにするようにしてもよい。ただし、この場合、リッチ化によりエンジン出力が変動してしまう虞があるため、点火時期制御，吸入空気量制御などにより、エンジン出力の変動を抑制するような処理が必要である。

このようにＮＯｘパージモードが選択されると、空燃比調整部３１は空燃比を理論空燃比よりもリッチに設定して、ＮＯｘトラップ触媒１５の周辺雰囲気を還元雰囲気にしてＣＯ等の燃料の不完全燃焼に起因する還元剤をＮＯｘトラップ触媒１５に供給することにより、ＮＯｘトラップ触媒１５上に吸蔵されたＮＯｘをＮＯｘトラップ触媒１５から放出させてＮＯｘトラップ触媒１５に吸蔵されているＮＯｘを除去するとともに、還元剤（ＣＯ）と反応させることによりＮＯｘを無害なＮ₂に還元して大気に放出するようになっている。

ここでは、空燃比調整部３１は、以下のＮＯｘパージ実行条件（Ａ），（Ｂ）がいずれも成立したと判定してＮＯｘパージモードを選択するようになっている。
・ＮＯｘパージ実行条件（Ａ）：触媒温度ＴがＮＯｘトラップ触媒１５の活性温度近傍の温度である所定温度Ｔ₁よりも高いこと
・ＮＯｘパージ実行条件（Ｂ）：空燃比が理論空燃比よりもリーンである状態（層状超リーンモード又は吸気リーンモード）において、ＮＯｘセンサ１７から入力されるＮＯｘセンシング信号Ｃが所定値Ｃ₀以上であること
即ち、空燃比が理論空燃比よりもリーンな状態においてＮＯｘセンシング信号Ｃが所定値Ｃ₀以上である場合には排ガス中のＮＯｘがＮＯｘトラップ触媒１５により十分に吸蔵・除去されていないと判定することができる。

なお、ＮＯｘパージ実行条件としては、これに限らず、触媒温度Ｔが所定温度Ｔ₁よりも高い状態で単にリーン運転が所定時間だけ継続した場合にはＮＯｘパージモードを選択するようにしてもよい。
また、触媒温度ＴがＮＯｘトラップ触媒１５の活性温度近傍の温度である所定温度Ｔ₁よりも低い場合には、触媒昇温部３２により触媒温度を昇温させるように構成してもよい。

以下、本発明の最も特徴的な部分である脱硫処理について説明する。
ＮＯｘトラップ触媒１５に吸蔵された硫黄成分は、同じくＮＯｘトラップ触媒１５に吸蔵されたＮＯｘよりも化学的安定度が高く、ＮＯｘパージモードにおいてもその一部のみしか放出されないため、ＮＯｘトラップ触媒１５に残留する硫黄成分の量は時間とともに増加する。これにより、ＮＯｘトラップ触媒１５のＮＯｘ吸蔵性能が徐々に低下してしまういわゆるＳ被毒が生じる。

そこで、脱硫処理実行部３４は、予め設定された以下のＳパージ実行条件（脱硫処理実行条件）（ａ），（ｂ）が成立したと判定した場合には、上述の通常走行時の各運転モードに代わり、運転モードとしてＳパージモードを選択するようになっている。
・Ｓパージ実行条件（ａ）：触媒温度ＴがＮＯｘトラップ触媒１５の活性温度近傍の温度である所定温度Ｔ₁よりもさらに高い所定温度Ｔ₂（即ち、Ｔ₁＜Ｔ₂）であること
・Ｓパージ実行条件（ｂ）：前回のＳパージ実行時から所定距離Ｄだけ車両が走行すること
なお、Ｓパージ実行条件（ａ）が設定されているのは、触媒温度Ｔが低すぎる場合には、ＮＯｘトラップ触媒１５に残留する硫黄成分を十分に放出させることができない点に本発明者らが着目したためである。

また、Ｓパージ実行条件（ｂ）は、推定された硫黄成分の吸蔵量が所定量以上であることを条件とするものである。つまり、所定距離Ｄは、ＮＯｘトラップ触媒１５のＮＯｘ浄化機能が低下する程度に硫黄成分が蓄積すると考えられる値を予め実験等により求めておけばよい。即ち、この場合、脱硫処理実行部３４はＮＯｘトラップ触媒１５に吸蔵されている硫黄成分の量を推定する硫黄吸蔵量推定手段として機能するようになっている。

また、硫黄吸蔵量推定手段としては、その他に、前回のＳパージ実行時からの燃料噴射量の積算値によりＮＯｘトラップ触媒１５に吸蔵されている硫黄成分の吸蔵量を推定するように構成してもよい。この場合、Ｓパージ実行条件（ｂ）の代わりに前回のＳパージ実行時からの燃料噴射量の積算値が所定燃料噴射量Ｅに達することをＳパージ実行条件として設定するようにしてもよい。つまり、燃料に含まれる硫黄成分の含有量とＮＯｘトラップ触媒１５に吸蔵される硫黄成分との関係からＮＯｘトラップ触媒１５のＮＯｘ浄化機能が低下する程度に硫黄成分が蓄積すると考えられる値を予め実験等により求めておけばよい。

Ｓパージ実行条件としては、Ｓパージ実行条件（ａ）に加えて、ＮＯｘトラップ触媒１５のＮＯｘ浄化機能が低下する程度に硫黄成分が残留していると考えられる条件を適宜設定しておけばよい。
なお、触媒温度Ｔが所定温度Ｔ₂よりも低い場合には、触媒昇温部３２により触媒温度を昇温させるように構成してもよい。このとき、予め、所定温度Ｔ₂よりも低い温度である所定温度Ｔ₃を設定しておき、触媒温度Ｔが所定温度Ｔ₃よりも高い場合には、触媒昇温部３２により触媒温度Ｔを昇温させるように構成してもよい。

つまり、所定温度Ｔ₂に達していないものの、触媒昇温部３２により容易に昇温可能である程度の温度であれば、触媒昇温部３２によりＮＯｘトラップ触媒１５を昇温させた上でＳパージを実行することができるように構成してもよい。このようにすれば、触媒温度Ｔを大幅に昇温させることによる燃費の悪化を低減することができる。
脱硫処理実行部３４が上述のＳパージ実行条件が成立したと判定し、Ｓパージモードを選択した場合には、空燃比調整部３１は、空燃比を調整するにより所定のＳパージ実行時間（通常、数分程度）だけ目標空燃比を理論空燃比よりも僅かにリッチ側に設定してフィードバック制御（リッチシフテッドＳ−Ｆ／Ｂ運転）を行うようになっている。これにより、ＮＯｘトラップ触媒１５に蓄積した硫黄成分の除去を行う脱硫処理（Ｓパージともいう）が実行されるようになっている。

また、脱硫処理実行部３４がＳパージモードを選択すると、これに同時に、リーン化実行部３５は、検出されたエンジン回転数Ｎｅ等のエンジン１の運転状態及び触媒温度Ｔに基づいて、リーン期間Ｔ_L，リッチ期間Ｔ_Rを設定するようになっている。
なお、リッチ期間Ｔ_Rは、リッチシフテッドＳ−Ｆ／Ｂ運転を行う時間である。リーン期間Ｔ_Lは、空燃比を理論空燃比よりもリーンな空燃比（以下、間欠リーン空燃比Ｒ_A/Fという）で運転を行う時間であり、リッチ期間Ｔ_Rよりも十分に短い時間に設定されるようになっている。

また、リーン期間Ｔ_L及びリッチ期間Ｔ_Rは、その都度の吸入空気量Ａ，エンジン回転数Ｎｅ及び触媒温度Ｔに応じて周期的に設定されるようになっている。
このとき、リーン化実行部３５は、吸入空気量Ａ，エンジン回転数Ｎｅ及び触媒温度Ｔの値が大きい程、リーン期間Ｔ_Lを長く設定するかあるいはリッチ期間Ｔ_Rを短く設定し、吸入空気量Ａ，エンジン回転数Ｎｅ及び触媒温度Ｔの値が小さい程、リーン期間Ｔ_Lを短く設定するかあるいはリッチ期間Ｔ_Rを長く設定するようになっている。

また、リーン期間Ｔ_Lにおける空燃比（間欠リーン空燃比という）Ｒ_A/Fも、吸入空気量Ａ，エンジン回転数Ｎｅ及び触媒温度Ｔに基づいてリーン化実行部３５によって設定されるようになっている。
間欠リーン空燃比Ｒ_A/Fは、吸入空気量Ａ，エンジン回転数Ｎｅ及び触媒温度Ｔの値が大きい程、リーン側に設定され、吸入空気量Ａ，エンジン回転数Ｎｅ及び触媒温度Ｔの値が小さい程、リッチ側に設定されるようにうなっている。

そして、空燃比調整部３１は、リーン化実行部３５により設定されたリッチ期間Ｔ_Rの間隔をおいて、設定されたリーン期間Ｔ_Lだけ、上述のリッチシフテッドＳ−Ｆ／Ｂ運転から空燃比を理論空燃比よりもリーン化（リーンスパイク）するようになっている。なお、このときに設定される空燃比（以下、間欠リーン空燃比Ｒ_A/Fと呼ぶ）は、エンジン回転数Ｎｅ等のエンジン１の運転状態及び触媒温度Ｔに基づいて設定されるようになっている。

本発明の一実施形態にかかる排ガス浄化装置及び排ガス浄化装置の脱硫方法はこのように構成されているので、Ｓパージ実行時には以下のような作用及び効果を奏する。
Ｓパージモードの実行態様について図３を用いて説明する。
まずステップＳ１０として、脱硫処理実行部３４は、吸入空気量Ａ，エンジン回転数Ｎｅを読み込むことによりエンジン１の運転状態を検出する。

次に、ステップＳ２０として、脱硫処理実行部３４は、触媒温度Ｔを読み込むことによりＮＯｘトラップ触媒１５の温度を検出あるいは推定する。
ステップＳ３０として、脱硫処理実行部３４は、Ｓパージ実行条件の一部として触媒温度Ｔと所定温度Ｔ₂とを比較する。そして、触媒温度Ｔが所定温度Ｔ₂以上である場合（即ち、Ｔ₂≦Ｔである場合）には、ステップＳ４０に進む。

上述したように、所定温度Ｔ₂は、ＮＯｘトラップ触媒１５においてＮＯｘを吸蔵及び放出させる際の活性温度よりも高い温度に設定されている。これにより、ＮＯｘトラップ触媒１５に吸蔵された硫黄成分は、ＮＯｘの吸蔵及び放出にかかる際の活性温度（即ち、所定温度Ｔ₁）よりもさらに高温の条件下において、ＮＯｘトラップ触媒１５の周辺に還元剤であるＣＯと効果的に反応し、硫黄成分をＮＯｘトラップ触媒１５から効果的に放出させることができるのである。

ステップＳ４０として、脱硫処理実行部３４は、Ｓパージ実行条件が成立したか否かを判定する。そして、Ｓパージ実行条件が成立したと判定されるとステップＳ５０に進み、脱硫処理実行部３４が脱硫処理を実行する。
即ち、ステップＳ５０として、空燃比調整部３１はＳパージ運転を行う。つまり、図４の実線Ｌ₁で示すようにリーン化実行部３５によりその都度設定されるリッチ期間Ｔ_R（Ｔ_R1，Ｔ_R2，・・・）だけリッチシフテッドＳ−Ｆ／Ｂ運転を行う（リッチ化ステップ）とともに、この際、設定されたリーン期間Ｔ_L（Ｔ_L1，Ｔ_L2，・・・）だけ空燃比を間欠リーン空燃比Ｒ_A/Fにして運転を行う（パーシャルリーン化ステップ）ことを周期的に繰り返し、Ｓパージ実行時間に達するとＳパージ運転を終了する。

このように、本発明の排ガス浄化装置及び排ガス浄化装置の脱硫方法によれば、図４を用いて後述するように、ＮＯｘトラップ触媒１５に十分に還元剤としてのＣＯを供給することができ、ＮＯｘトラップ触媒１５に蓄積した硫黄成分を放出されることができるとともに、ＮＨ₃の生成を抑制することができる。
図４において、太破線Ｌ₂は、従来のＳパージ運転に相当し、Ｓパージ実行時間だけ、連続的にリッチシフテッドＳ−Ｆ／Ｂ運転を行った場合を示している。なお、上述したように実線Ｌ₁は本実施形態におけるＳパージ運転を行った場合を示している。

即ち、従来のＳパージ運転においては、リッチシフテッドＳ−Ｆ／Ｂ運転を連続的に行うことにより、排ガス中のＣＯ濃度が増加してＮＯｘトラップ触媒に還元剤を供給することはできるものの、排ガス中に大量のＮＨ₃が発生することになり、発生したＮＨ₃がそのまま大気に放出されてしまい、排ガスに強い臭気が含まれることになる。
これに対し、本実施形態においては、リッチシフテッドＳ−Ｆ／Ｂ運転を連続的に行った場合と比較して、排ガス中にＮＨ₃の濃度の上昇を抑制することができるとともにＮＯｘトラップ触媒１５に蓄積した硫黄成分を放出させるのに十分な還元剤としてのＣＯをＮＯｘトラップ触媒１５に供給することができる。

これにより、ＮＯｘトラップ触媒１５に蓄積した硫黄成分を放出されることができるとともに、ＮＨ₃の生成を抑制し、排ガスに臭気が含まれる事態を防ぐことができる。
即ち、排ガス中に含まれるＮＨ₃の生成反応は、触媒で排ガスの空燃比がある程度の時間継続してリッチ空燃比である場合に生じる。このため、周期的に空燃比をリーンにすることにより、触媒でのＮＨ₃の生成量を抑制することができるのである。

また、本実施形態においては、それぞれのリッチ期間Ｔ_R（Ｔ_R1，Ｔ_R2，・・・）及びリーン期間Ｔ_L（Ｔ_L1，Ｔ_L2，・・・）並びに間欠リーン空燃比Ｒ_A/Fは、検出されたエンジン回転数Ｎｅ及び触媒温度Ｔに基づいてリーン化実行部３５によってその都度設定されるようになっている。
したがって、エンジン１の運転状態やＮＯｘトラップ触媒１５の活性度合いに応じて精度良くＮＯｘトラップ触媒１５に十分な量ＣＯを供給して、ＮＯｘトラップ触媒１５に蓄積した硫黄成分を放出することでＮＯｘトラップ触媒１５のＮＯｘ浄化機能を回復させることができ、ＮＨ₃の生成を抑制することができ、排ガスの悪臭を低減することが可能となる。

また、脱硫処理を実行する際において、エンジン回転数Ｎｅや負荷が大きい場合には、その分、排気管１３を流れる排ガス量が大きくなる。そして、この排ガス流量に比例して、排気管１３内において生成されるＮＨ₃の量も多くなることが考えられる。このため、リーン期間をより長く設定することによって、ＮＯｘトラップ触媒におけるＮＨ₃の生成を効果的に抑制することができる。

また、ＮＯｘトラップ触媒１５に流入する排気流量が多い程、大量のＣＯが流入する反面ＮＯｘトラップ触媒近傍においてＮＨ₃が生成される量が増大することが考えられる。また、触媒温度Ｔがより高温であるほど触媒の活性度合いが高いと考えられ、これにより、ＮＨ₃が生成される量が増大することが考えられる。このため、リッチ期間Ｔ_R，リーン期間Ｔ_L及び間欠リーン空燃比Ｒ_A/Fを吸入空気量Ａ，エンジン回転数Ｎｅ及び触媒温度Ｔに基づいて設定することによって、エンジン１の運転状態やＮＯｘトラップ触媒１５の活性度合いに応じてより精度良くＮＨ₃の生成を抑制できるとともにＮＯｘトラップ触媒にできるだけ大量のＣＯを供給してより効果的にＮＯｘトラップ触媒から硫黄成分を除去することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば、上述の実施形態としては筒内噴射型のガソリンエンジンを例に説明したが、本発明の排ガス浄化装置を適用する内燃機関としては、これに限らずディーゼルエンジンに適用してもよい。また、ＮＯｘトラップ触媒をそなえ、空燃比を変更可能なものであれば、筒内噴射型のガソリンエンジンに限定するものではない。また、複数気筒を有するエンジンであってもよい。

また、実施形態においては、リッチ期間Ｔ_R，リーン期間Ｔ_L及び間欠リーン空燃比Ｒ_A/Fをエンジンの運転状態や触媒温度に応じてその都度設定するようにしているが、これらリッチ期間Ｔ_R，リーン期間Ｔ_L及び間欠リーン空燃比Ｒ_A/Fは、それぞれ予め固定された値として設定してもよい。
また、実施形態においては、Ｓパージ実行中においてリッチ期間Ｔ_R及びリーン期間Ｔ_Lを交互に周期的に繰り返すようにしているが、必ずしも周期的に行う必要はなく、ＮＨ₃の発生を抑制可能であれば、リーン期間Ｔ_Lは、Ｓパージ実行中に一度だけとなるように構成してもよい。

さらに、上述の実施形態において、排ガス中のＮＨ₃濃度を検出するセンサ等をさらに備え、脱硫処理を実行する際に排ガス中のＮＨ₃濃度が所定濃度よりも大きい場合に、リーン期間だけ排ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンに設定するように構成してもよい。
なお、一般的なＮＯｘセンサは、排ガスの空燃比が理論空燃比あるいは理論空燃比よりもリッチな空燃比である場合において、ＮＨ₃にも感度があるものがあり、このようなＮＯｘセンサ１５を脱硫処理実行時においてのＮＨ₃センサとして用いてもよい。

本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置及び排ガス浄化装置の脱硫方法を説明するためのものであって、その全体構成を模式的に示す構成図である。 本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置及び排ガス浄化装置の脱硫方法を説明するためのものであって、燃料噴射制御に用いるマップである。 本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置及び排ガス浄化装置の脱硫方法を説明するためのものであって、脱硫処理にかかる手順を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置及び排ガス浄化装置の脱硫方法の作用及び効果を示すものであって、時間に対する、それぞれ空燃比，ＣＯ濃度，ＮＨ₃濃度の特性を示すグラフである。 従来技術を説明するためのものであって、排ガスの空燃比に対する、それぞれＣＯ濃度，ＮＨ₃濃度，ＮＯｘ濃度の特性を示すグラフである。

符号の説明

１ エンジン
２ シリンダヘッド
３ 点火プラグ
４ 燃料噴射弁
５ 燃焼室
６ シリンダ
７ ピストン
８ キャビティ
９ 吸気ポート
１０ 排気ポート
１１ 吸気弁
１２ 排気弁
１３ 排気管（排ガス通路）
１４ 三元触媒
１５ ＮＯｘトラップ触媒
１６ 触媒温度センサ
１７ ＮＯｘセンサ
２０ エアフローセンサ
２１ エンジン回転数センサ
２２ アクセルポジションセンサ
３０ 電子制御装置（ＥＣＵ）
３１ 空燃比調整部（空燃比調整手段）
３２ 触媒昇温部
３３ ＮＯｘパージ実行部
３４ 脱硫処理実行部（脱硫処理実行手段，硫黄吸蔵量推定手段）
３５ リーン化実行部（リーン化実行手段）

Claims (8)

1. 内燃機関の排ガス通路に設けられ、排ガスの空燃比がリーンであるリーン雰囲気において該排ガス中の窒素酸化物及び硫黄成分を吸蔵するＮＯｘトラップ触媒と、
   該排ガスの空燃比を調整する空燃比調整手段と、
   所定の脱硫処理実行条件が成立した場合には、該排ガスの空燃比を理論空燃比よりも僅かにリッチ化して該ＮＯｘトラップ触媒に吸蔵された硫黄成分を放出させる脱硫処理を行うように該空燃比調整手段を制御する脱硫処理実行手段と、
   該脱硫処理実行手段により該脱硫処理が行われる際に、該排ガスの空燃比を所定のリーン期間だけ理論空燃比よりもリーン化するように該空燃比調整手段を制御するリーン化実行手段とをそなえている
   ことを特徴とする、排ガス浄化装置。
2. 該リーン化実行手段は、該脱硫処理実行手段により該脱硫処理が行われる際に、所定のリッチ期間毎に周期的に該リーン期間だけ空燃比を理論空燃比よりもリーン化するように該空燃比調整手段を制御する
   ことを特徴とする、請求項１記載の排ガス浄化装置。
3. 該リーン化実行手段は、該内燃機関の運転状態に基づいて、該リッチ期間を設定する
   ことを特徴とする、請求項２記載の排ガス浄化装置。
4. 該リーン化実行手段は、該内燃機関の運転状態に基づいて、該リーン期間を設定する
   ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の排ガス浄化装置。
5. 該リーン化実行手段は、該内燃機関の運転状態に基づいて、該リーン期間における該排ガスの空燃比を設定する
   ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の排ガス浄化装置。
6. 該脱硫処理実行条件には、該ＮＯｘトラップ触媒の温度が所定温度以上であること、が含まれる
   ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の排ガス浄化装置。
7. 該ＮＯｘトラップ触媒に吸蔵されている硫黄成分の量を推定する硫黄吸蔵量推定手段をそなえ、
   該脱硫処理実行条件には、該硫黄吸蔵量推定手段により推定された該硫黄成分の吸蔵量が所定量以上であることが含まれる
   ことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の排ガス浄化装置。
8. 内燃機関の排ガス通路に設けられ、排ガスの空燃比がリーンであるリーン雰囲気において該排ガス中の窒素酸化物及び硫黄成分を吸蔵するＮＯｘトラップ触媒と、該排ガスの空燃比を調整する空燃比調整手段と、を備えた排ガス浄化装置において、該ＮＯｘトラップ触媒に吸蔵された硫黄成分を放出する脱硫処理を行う排ガス浄化装置の脱硫方法であって、
   所定の脱硫処理実行条件が成立した場合に該排ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチ化するリッチ化ステップと、
   該リッチ化ステップが実行される際に、該排ガスの空燃比を所定のリーン期間だけ理論空燃比よりもリーン化するパーシャルリーン化ステップとを有する
   ことを特徴とする、排ガス浄化装置の脱硫方法。

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