JP2009041487A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯｘ吸着材を備えた排気浄化装置に関し、酸化により吸着性能が低下したＮＯｘ吸着材を効率良く還元処理し、それによりＮＯｘ吸着材の吸着能力を維持できるようにする。
【解決手段】分岐管１０に設けられたＮＯｘ吸着材１４の吸着能力を回復させる場合、切換手段３０によって排気管６と分岐管１０との接続状態を切換え、分岐管１０内を排気ガスが流通する状態とするとともに、空燃比調整手段２ａによって排気ガスの空燃比をリッチに調整する。その後、再び切換手段３０によって排気管６と分岐管１０との接続状態を切換えて分岐管１０内で排気ガスが滞留する状態とする。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関し、詳しくは、低温時に排気ガス中のＮＯｘを吸着できるＮＯｘ吸着材を備えた排気浄化装置に関する。

従来、例えば、特開２０００−３４５８３２号公報に開示されているように、内燃機関から排出される排気ガスの通路に触媒とは別にＮＯｘ吸着材を備えた排気浄化装置が提案されている。触媒は低温時の活性度が低く冷間始動時にはＮＯｘを十分に浄化することができない。しかし、低温時でもＮＯｘを吸着できるＮＯｘ吸着材を備えることで、ＮＯｘの大気中への排出を防止することができる。
特開２０００−３４５８３２号公報

ところで、ＮＯｘ吸着材の吸着性能は、使用によって次第に低下することが知られている。吸着性能の低下原因の一つは、ＮＯｘ吸着サイトの消滅等、吸着材料の劣化によるものであり、それにより低下した吸着性能は回復することはできない。しかしその一方で、低下した吸着性能の一部は、ＮＯｘ吸着材を還元雰囲気に曝すことで回復可能なことが実験により確認された。この回復可能な吸着性能の低下は、ＮＯｘ吸着サイトが形成されるイオン交換サイト上の金属、若しくは、ＮＯｘ吸着サイトの一部が反応して何らかの化合物が形成されることによって起こるものと推定される。そして、その化合物は還元雰囲気に曝すことで再生可能なことから、そこで起きている反応はおそらく酸化であろうと推測される。

いずれにせよ、ＮＯｘ吸着材の吸着性能の低下には、恒久的な性能低下による分と一時的な性能低下による分とが含まれている。このうち一時的な性能低下であれば、上述のようにＮＯｘ吸着材を還元雰囲気に曝すことで元の吸着性能まで回復することができる。したがって、ＮＯｘ吸着材の吸着性能を維持し、冷間始動時におけるＮＯｘの排出を防止するためには、酸化により吸着性能が低下したＮＯｘ吸着材を如何に効率良く還元処理できるかが鍵となる。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、酸化により吸着性能が低下したＮＯｘ吸着材を効率良く還元処理し、それによりＮＯｘ吸着材の吸着能力を維持できるように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。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気浄化装置であって、
内燃機関の排気管から分岐した分岐管と、
前記分岐管に設けられたＮＯｘ吸着材と、
前記内燃機関から排出される排気ガスの空燃比を調整する空燃比調整手段と、
前記排気管と前記分岐管との接続状態を、前記分岐管内を排気ガスが流通する第１の状態と、前記分岐管内で排気ガスが滞留する第２の状態とで切換える切換手段と、
前記ＮＯｘ吸着材の吸着能力を回復させるための回復処理の開始条件の成否を判定する開始判定手段と、
前記開始条件が成立した場合に、前記切換手段によって前記接続状態を前記第１の状態に切換えるとともに前記空燃比調整手段によって排気ガスの空燃比をリッチに調整し、その後、前記切換手段によって前記接続状態を前記第２の状態に切換える制御手段と、
を備えることを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、
前記分岐路内に設けられたガスセンサであって、その出力信号により排気ガスの空燃比がリッチか否か判定可能なガスセンサをさらに備え、
前記制御手段は、前記ガスセンサによってリッチ空燃比の排気ガスが検出されたら、前記切換手段によって前記接続状態を前記第２の状態に切換えることを特徴としている。

第３の発明は、第２の発明において、
前記ガスセンサは、前記第１の状態での排気ガスの流通方向において前記ＮＯｘ吸着材よりも下流側の位置に設けられていることを特徴としている。

第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記分岐路内の排気ガスを前記内燃機関の吸気系へ還流する還流手段と、
前記回復処理の完了条件の成否を判定する完了判定手段とをさらに備え、
前記制御手段は、前記完了条件が成立した場合に、前記還流手段によって前記分岐路内に滞留しているリッチ空燃比の排気ガスを前記吸気系へ還流させることを特徴としている。

第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、
前記開始判定手段は、
前記ＮＯｘ吸着材の温度を推定する温度推定手段を含み、
前記ＮＯｘ吸着材の推定温度が所定温度以上であることを前記開始条件の１つとしていることを特徴としている。

第６の発明は、第１乃至第５の何れか１つの発明において、
前記開始判定手段は、
前記内燃機関の運転時に前記ＮＯｘ吸着材に吸着されたＮＯｘ量を測定するＮＯｘ吸着量測定手段と、
前記内燃機関の運転時に前記ＮＯｘ吸着材に吸着された水分量を測定する水分吸着量測定手段と、
水分吸着量に対するＮＯｘ吸着量の基準値を記憶した基準値記憶手段と、
ＮＯｘ吸着量の測定値と、水分吸着量の測定値に対応するＮＯｘ吸着量の基準値とを比較する比較手段とを含み、
ＮＯｘ吸着量の基準値と測定値との偏差が所定値以上であることを前記開始条件の１つとしていることを特徴としている。

第１の発明によれば、排気管と分岐管との接続状態が第１の状態にあるときに排気ガスの空燃比をリッチに調整することで、分岐管内にリッチ空燃比の排気ガスを導入することができ、その後、排気管と分岐管との接続状態を第２の状態に切換えることで、導入したリッチ空燃比の排気ガスを分岐管内に滞留させることができる。その結果、ＮＯｘ吸着材はリッチ雰囲気に曝されることとなり、酸化により吸着性能が低下したＮＯｘ吸着材はリッチ雰囲気下において効率良く還元され、その吸着性能は元の状態まで回復されることとなる。

第２の発明によれば、実際に分岐管内でリッチ空燃比の排気ガスが検出されることを切換えの条件とすることで、リッチ空燃比の排気ガスを分岐管内に確実に滞留させることができる。

第３の発明によれば、分岐管内におけるＮＯｘ吸着材の下流でリッチ空燃比の排気ガスが検出されることを切換えの条件とすることで、リッチ空燃比の排気ガスをＮＯｘ吸着材内に確実に導入し、その状態で分岐管内に滞留させることができる。

第４の発明によれば、ＮＯｘ吸着材の還元に使用したリッチ空燃比の排気ガスを吸気系へ還流させ、内燃機関において燃焼処理することができる。

第５の発明によれば、ＮＯｘ吸着材が高温になっていることを回復処理の開始条件とすることで、リッチ空燃比の排気ガスをＮＯｘ吸着材に導入したときの還元反応をより確実なものとすることができる。

ところで、出願人による実験の結果、ＮＯｘ吸着材に酸化による性能の低下（一時的な性能の低下）がない場合、水分吸着量とＮＯｘ吸着量との間には高い相関があることが確認された。吸着性能の低下が劣化による恒久的なものである場合は、前記の相関を保ちながらＮＯｘ吸着量も水分吸着量も低下することになる。これに対し、ＮＯｘ吸着材の酸化による性能の低下では、ＮＯｘの吸着性能のみが低下し、水分の吸着性能には影響がないことも分かった。これらの新たな事実に鑑みれば、水分吸着量とＮＯｘ吸着量との間にある前記の相関が崩れているかどうかにより、ＮＯｘ吸着材の酸化による性能低下を恒久的な性能低下と区別して判別できると考えられる。

第６の発明によれば、ＮＯｘ吸着量の測定値と、水分吸着量の測定値に対応するＮＯｘ吸着量の基準値とが比較される。ＮＯｘ吸着材に吸着性能の低下がない場合、或いは、劣化による恒久的な性能低下のみの場合、ＮＯｘ吸着量の測定値は基準値とほぼ一致する。しかし、ＮＯｘ吸着材に酸化による性能低下がある場合には、ＮＯｘ吸着量の測定値は基準値から乖離する。したがって、ＮＯｘ吸着量の基準値と測定値との偏差を参照することで、ＮＯｘ吸着材の酸化による性能低下の程度を客観的に評価することができ、適切なタイミングにて回復処理を開始することができる。

実施の形態１．
以下、図を用いて本発明の実施の形態１について説明する。

［システムの構成］
図１は、本発明の実施の形態１としての排気浄化装置を備える内燃機関システムの概略構成を説明するための図である。内燃機関２には、筒内に空気を取り込むための吸気管４と、筒内から排出された排気ガスが流れる排気管６とが接続されている。また、内燃機関２には、燃料を噴射するためのインジェクタ２ａが備えられている。インジェクタ２ａから噴射した燃料は筒内での燃焼に供され、その燃焼ガスが排気ガスとして排気管６に排出される。排気管６には、排気ガスを浄化可能な触媒８が配置されている。

本実施形態のシステムは、排気管６の一部を迂回するバイパス管１０を備えている。バイパス管１０は、触媒８の下流に位置する上流側接続部１０ａにおいて排気管６から分岐し、当該上流側接続部１０ａの下流に位置する下流側接続部１０ｂにおいて再び排気管６に合流するようになっている。本実施形態のシステムでは、このバイパス管１０が第１の発明の「分岐管」に相当している。

上流側接続部１０ａには切換バルブ（Ｖ１）１２が設けられている。切換バルブ１２は、１つの入口ポートと切換え可能な２つの出口ポートを有する三方弁であり、その入口ポートに排気管６の上流側が接続されている。そして、切換バルブ１２の一方の出口ポート（ｂ）には排気管６の下流側が接続され、もう一方の出口ポート（ａ）にバイパス管１０が接続されている。

バイパス管１０の途中には、排気ガスに含まれるＮＯｘを吸着する機能を有するＮＯｘ吸着材１４が配置されている。そのようなＮＯｘ吸着材１４としては、例えばＦｅイオン交換ゼオライト等の金属イオン交換ゼオライトを用いることができる。バイパス管１０において、ＮＯｘ吸着材１４の下流（下流側接続部１０ｂの側）には、排気ガスの空燃比にリニアに対応した信号を出力するＡ／Ｆセンサ２２が配置されている。

また、バイパス管１０には、上流側接続部１０ａとＮＯｘ吸着材１４との間の部位において、リターン管１６が接続されている。リターン管１６はその逆側の端部を吸気管４に接続されていて、このリターン管１６を介して排気系から吸気系へ排気ガスを還流できるようになっている。リターン管１６の途中には、排気ガスの還流流量を制御するためのパージ制御バルブ（Ｖ_EGR）１８が設けられている。

本実施形態のシステムは、その動作を制御する装置として、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)２０を備えている。ＥＣＵ２０には、上記のＡ／Ｆセンサ２２の他、内燃機関２を制御するための各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ２０には、上述したインジェクタ２ａや切換バルブ１２やパージ制御バルブ１８等の各種アクチュエータが接続されている。

［システムの動作］
次に、ＥＣＵ２０によって制御されるシステムの動作について説明する。ここでは、システムで実現される様々な動作のうちＮＯｘ吸着材１４に係る動作について説明する。

（冷間始動時の動作）
内燃機関２の冷間始動時には、筒内から排出される排気ガス中のＮＯｘをＮＯｘ吸着材１４に吸着させるための動作が行われる。具体的には、切換バルブ１２によって排気ガスの流入先がバイパス管１０に切り換えられる。また、パージ制御バルブ１８は閉弁状態に制御される。

このような状態では、内燃機関２から排出された排気ガスの全部が、排気管６からバイパス管１０に導入される。バイパス管１０に導入された排気ガスは、ＮＯｘ吸着材１４を通過した後、再び排気管６に戻された後に大気中に放出される。冷間始動時は触媒８が未だ活性化していないため、排気ガスに含まれるＮＯｘを触媒８で浄化することができない。しかし、排気ガスの全部をバイパス管１０に導入することで、排気ガスに含まれるＮＯｘはＮＯｘ吸着材１４に吸着されて取り除かれる。これにより、触媒８で浄化できなかったＮＯｘが大気中に放出されるのを抑制することができる。

なお、内燃機関２から排出された排気ガスには、燃料の燃焼によって生成した水分が含まれている。ＮＯｘ吸着材１４の材料であるゼオライトは水分を吸着する機能を有するため、排気ガスの全部をバイパス管１０に導入することで、ＮＯｘ吸着材１４にはＮＯｘとともに排気ガス中の水分も吸着されていく。

（触媒暖機後の動作）
内燃機関２の始動後は、触媒８に流れ込む排気ガスの温度が上昇することで、やがて、触媒８の温度は活性温度まで上昇する。触媒８が活性化することで、排気ガスに含まれるＮＯｘは他の未浄化成分とともに触媒８で浄化できるようになる。そこで、触媒８の温度が活性温度まで上昇したことが検出されたら、切換バルブ１２が操作されて排気ガスの流入先がバイパス管１０から排気管６に切り換えられる。これにより、触媒８で浄化された排気ガスは、ＮＯｘ吸着材１４を経ること無く、そのまま排気管６を通って大気中へ排出される。

そして、所定のパージ開始条件が成立した時点でパージ制御バルブ１８が開かれる。パージ制御バルブ１８の開弁により、内燃機関２の吸気管４に生じている負圧がリターン管１６を介してバイパス管１０に作用する。この負圧の作用により、排気管６を流れる排気ガスの一部が下流側接続部１０ｂからバイパス管１０に導入され、バイパス管１０に配置されたＮＯｘ吸着材１４を通過してリターン管１６へと吸い込まれる。

その結果、ＮＯｘ吸着材１４には高温の排気ガスが供給されることになる。ＮＯｘ吸着材１４へのＮＯｘや水分の吸着は比較的低温時に起こる現象であり、温度が上昇してくると今度はＮＯｘ吸着材１４からＮＯｘや水分が脱離する現象が起きる。このため、高温の排気ガスがＮＯｘ吸着材１４に導入されることで、吸着されていたＮＯｘや水分はＮＯｘ吸着材１４から脱離する。脱離したＮＯｘや水分はリターン管１６を通って吸気管４に導入される。吸気管４に戻されたＮＯｘは、再び燃焼に付された後に活性状態にある触媒８によって浄化される。水分は、そのまま排気管６を通って大気中へ排出される。

（ＮＯｘ吸着材の性能診断）
上記のように本実施の形態のシステムでは、冷間始動時に発生するＮＯｘをＮＯｘ吸着材１４に吸着させ、触媒の暖機後は吸気管４の負圧を利用してＮＯｘ吸着材１４からＮＯｘを脱離させている。ところが、このようにＮＯｘの吸着と脱離とを繰り返しているうちに、ＮＯｘ吸着材１４の吸着性能は次第に低下していく。そこで、本実施の形態のシステムでは、ＥＣＵ２０によるＯＢＤの一項目として、ＮＯｘ吸着材１４のＮＯｘ吸着性能の診断が組み込まれている。

ＥＣＵ２０による性能診断では、吸着材料の劣化による恒久的な吸着性能の低下と、酸化による吸着性能の低下とが区別して判定される。前者は回復不可能な性能低下であるのに対し、後者であれば適切な処理を施すことで回復することができる。さらに、この診断では、ＮＯｘ吸着材１４に酸化による吸着性能の低下が認められる場合には、その程度を評価することも行われる。以下では、本実施の形態にて実施するＮＯｘ吸着材１４の性能診断の概要について説明する。

図３は、ＮＯｘ吸着材１４が新品の場合における水分吸着量とＮＯｘ吸着量との相関を示す図である。この図に示すように、ＮＯｘ吸着材１４が新品であれば、ＮＯｘ吸着量は水分吸着量の関数として表すことができる。また、ＮＯｘ吸着材１４は、吸着材料の劣化によって性能が低下することがあるが、そのような恒久的な性能低下の場合にも、水分吸着量とＮＯｘ吸着量との相関は維持される。つまり、ＮＯｘ吸着性能の低下が劣化による恒久的なものであれば、ＮＯｘ吸着量と水分吸着量は図３に示す曲線（以下、この曲線を基準ラインという）に沿って低下する。

これに対し、ＮＯｘ吸着性能の低下が酸化による一時的なものの場合、新品に比較してＮＯｘ吸着量は低下するものの、水分吸着量には変化がない。酸化の影響を受けるのはＮＯｘの吸着性能のみであり、水分の吸着性能は酸化の影響を受けないためである。例えば、図３において点Ｐ１を初期状態（新品）とするＮＯｘ吸着材１４では、酸化によって一時的に吸着性能が低下したとき、水分吸着量とＮＯｘ吸着量との関係は基準ライン外の点Ｐ２へと移行することになる。

以上のことから、水分吸着量とＮＯｘ吸着量とを測定し、その測定値が基準ラインに載っているか否かによって、酸化による一時的なＮＯｘ吸着性能の低下を、恒久的な吸着性能の低下と区別して判定することができる。また、測定結果の基準ラインからの乖離の程度（図３中に示す矢印の長さ）を測ることによって、ＮＯｘ吸着性能の一時的な低下の程度を客観的に評価することができる。

次に、ＮＯｘ吸着材１４の性能診断の具体的な手順について説明する。性能診断は、所定の診断開始条件が成立した時に実施される。診断開始条件には、ＮＯｘ吸着材１４からのＮＯｘ及び水分のパージが完了していることと、排気ガスの温度が低くＮＯｘ吸着材１４にＮＯｘや水分が吸着しうる状況であることが含まれる。

診断開始条件が成立したときには、切替バルブ１２によって排気ガスの流入先がバイパス管１０に切り替えられる。また、パージ制御バルブ１８は閉弁状態に制御される。切替バルブ１２の操作によって、ＮＯｘと水分とを含んだ排気ガスがＮＯｘ吸着材１４に導入されるようになる。ＥＣＵ２０は、切替バルブ１２の操作後、ＮＯｘ吸着材１４のＮＯｘ吸着量の測定と、水分吸着量の測定とをそれぞれ開始する。ＮＯｘ吸着量及び水分吸着量は、それぞれ次のようにして測定される。

まず、ＮＯｘ吸着材１４の水分吸着量は、ＮＯｘ吸着材１４の前後に水分センサ（図示略）を配置することによって測定できる。図４に示すグラフの横軸は時間であり、縦軸は時間当たりの水分吸着量である。上流側水分センサの出力値はＮＯｘ吸着材１４に流入した水分の流量に相当し、下流側水分センサの出力値はＮＯｘ吸着材１４から流れ出た水分の流量に相当するので、水分センサ間の出力値偏差は時間当たりの水分吸着量に相当する。ＮＯｘ吸着材１４の水分吸着量が飽和状態になったとき、前後の水分センサの出力値偏差はゼロとなることから、その時点までの出力値偏差を積分することで、つまり、図４の斜線部Ａの面積を計算することで、ＮＯｘ吸着材１４の水分吸着量ｘ１を求めることができる。

一方、ＮＯｘ吸着材１４のＮＯｘ吸着量は、ＮＯｘ吸着材１４の前後にＮＯｘセンサ（図示略）を配置することで測定できる。図５に示すグラフの横軸は時間であり、縦軸は時間当たりのＮＯｘ吸着量である。上流側ＮＯｘセンサの出力値は、ＮＯｘ吸着材１４に流入したＮＯｘの流量に相当し、下流側ＮＯｘセンサの出力値は、ＮＯｘ吸着材１４から流れ出たＮＯｘの流量に相当するので、ＮＯｘセンサ間の出力値偏差は時間当たりのＮＯｘ吸着量に相当する。

ところで、ＮＯｘ吸着材１４に吸着されたＮＯｘは、後から吸着される水分の作用によって脱離する。このため、吸着開始から暫くの間は、ＮＯｘセンサ間の出力値偏差は正の値を示すが、やがて、水分の作用による吸着ＮＯｘの脱離量が吸着量を上回ることで、前後のＮＯｘセンサの出力値偏差は負の値を示すようになる。そして、最終的に全ての吸着ＮＯｘが脱離したとき、ＮＯｘセンサ間の出力値偏差はゼロに収束する。このようなＮＯｘ吸着材１４の吸着特性を考慮すると、出力値偏差の積分期間は出力値偏差が正の値から負の値に反転する時点までとすればよい。つまり、図５の斜線部Ｂの面積を計算すればよい。斜線部Ｂの面積は、ＮＯｘ吸着材１４の最大ＮＯｘ吸着量を示している。本実施の形態にて実施する性能診断では、この最大ＮＯｘ吸着量をＮＯｘ吸着材のＮＯｘ吸着量として算出する。

ＥＣＵ２０には、図３の基準ラインに相当するマップデータが予め記憶されている。水分吸着量が測定されたら、その測定値ｘ１に対応する基準ライン上でのＮＯｘ吸着量（以下、基準ＮＯｘ吸着量）ｙ０がマップデータから読み出される。そして、ＮＯｘ吸着量の測定値ｙ１と基準ＮＯｘ吸着量ｙ０とが比較され、その偏差Δｙ（Δｙ＝ｙ０−ｙ１）が算出される。

ＮＯｘ吸着材１４の性能診断は、ＮＯｘ吸着量偏差Δｙとに基づいて行われる。ＮＯｘ吸着量偏差Δｙがゼロでない場合、つまり、測定結果が基準ラインに載っていない場合には、ＮＯｘ吸着材１４のＮＯｘ吸着性能に酸化による一時的な低下が生じていると診断される。そして、ＮＯｘ吸着量偏差Δｙが大きいほど、酸化によるＮＯｘ吸着性能の低下が進んでいると診断される。

以上説明したＮＯｘ吸着材１４の性能診断では、ＥＣＵ２０が水分センサの出力値から水分吸着量ｘ１を算出することで、第６の発明にかかる「水分吸着量測定手段」が実現される。また、ＥＣＵ２０がＮＯｘセンサの出力値からＮＯｘ吸着量ｙ１を算出することで、第６の発明にかかる「ＮＯｘ吸着量測定手段」が実現される。また、ＥＣＵ２０が図３の基準ラインに相当するマップデータを記憶する機能は、第６の発明にかかる「基準値記憶手段」に相当する。そして、ＥＣＵ２０がＮＯｘ吸着量偏差Δｙを計算することで、第６の発明にかかる「比較手段」が実現される。

［ＮＯｘ吸着材の吸着性能の回復処理］
上記の診断結果は、システムの次の動作に反映される。ＮＯｘ吸着材１４に酸化によるＮＯｘ吸着性能の低下が認められる場合には、吸着性能を回復するための回復処理が実施される。その回復処理とはＮＯｘ吸着材１４を還元雰囲気に曝すことであり、本実施の形態では図２にフローチャートで示す処理によってＮＯｘ吸着材１４の吸着性能の回復を図っている。

図２のフローチャートに示すのはＮＯｘ吸着材１４の吸着性能の回復処理のルーチンである。上述したＮＯｘ吸着材１４の性能診断はこのルーチンに組み込まれている。図２に示すルーチンは、第１の発明の「制御手段」としてのＥＣＵ２０によって実施される。ＥＣＵ２０は図２に示すルーチンを所定の周期で定期的に実施している。

図２に示すルーチンの最初のステップＳ２では、上述した性能診断によってＮＯｘ吸着材１４のＮＯｘ吸着性能が診断される。そして、ＮＯｘ吸着材１４に酸化によるＮＯｘ吸着性能の低下があるか否かが判定され、酸化によるＮＯｘ吸着性能の低下が認められる場合には、それが許容範囲内か否か判定される。酸化による吸着性能の低下がない場合や、あったとしても許容範囲内である場合には、以降の処理はスキップされて本ルーチンは終了される。

酸化による吸着性能の低下が許容範囲を超えている場合には、次のステップＳ４以降の処理が実施される。ステップＳ４では、パージ制御バルブ（Ｖ_EGR）１８が開かれ、切換バルブ（Ｖ１）１２は排気管６側の出口ポート（ｂ）が選択される。これにより、排気管６を流れる排気ガスの一部が吸気管４に還流され、その還流される高温の排気ガスがＮＯｘ吸着材１４を通過することになる。高温の排気ガスが流れることで、ＮＯｘ吸着材１４は加熱され、その温度は上昇していく。

次のステップＳ６では、ＮＯｘ吸着材１４が所定の温度まで昇温したか否か判定される。ＮＯｘ吸着材１４の温度は、パージ制御バルブ１８を開いてからの経過時間から推定することができる。パージ制御バルブ１８を開いてからの経過時間に加えて、内燃機関２の運転状態から推定できる排気温度を考慮してもよい。また、温度センサによってＮＯｘ吸着材１４の温度を直接計測してもよい。これらの処理が実施されることで、第５の発明の「温度推定手段」が実現される。なお、上記の所定温度は、ＮＯｘ吸着材１４において酸化物の還元反応が起きる温度（例えば１５０℃程度）である。

ステップＳ６の条件が成立したら、次にステップＳ８の処理が実施される。ステップＳ８では、パージ制御バルブ１８が閉じられ、切換バルブ１２はバイパス管１０側の出口ポート（ａ）に切換えられる。これにより、排気ガスの全部が上流側接続部１０ａからバイパス管１０に導入され、バイパス管１０を経由して再び下流側接続部１０ｂから排気管６に流れるようになる。切換バルブ１２は第１の発明の「切換手段」に相当し、このときの排気管６とバイパス管１０との接続状態が、第１の発明にかかる「第１の状態」に相当する。また、ＥＣＵ２０がステップＳ４及びステップＳ６の判定を実施することで、第１の発明の「開始判定手段」が実現される。

ステップＳ８の処理の直後に、或いは、ステップＳ８の処理と同時にステップＳ１０の処理が実施される。ステップＳ１０では、内燃機関２においてリッチスパイクが一回実施される。リッチスパイクとは通常よりも多い燃料をインジェクタ２ａに噴射させる処理である。インジェクタ２ａからの燃料の噴射形態が筒内噴射であるならば、膨張行程や排気行程にて追加で燃料を噴射することでもよい。リッチスパイクが実施されることで、排気ガスの空燃比は一時的にストイキよりもリッチになる。インジェクタ２ａは、第１の発明の「空燃比調整手段」に相当している。

次のステップＳ１２では、Ａ／Ｆセンサ２２の出力がリッチを示しているか否か判定される。通常、内燃機関２の燃料噴射量は排気ガスの空燃比がストイキになるように制御されているので、通常であればＡ／Ｆセンサ２２の出力信号は略ストイキになっている。しかし、ステップＳ１０においてリッチスパイクが実施されたときには、排気ガスはリッチ空燃比となる。そして、このリッチ空燃比の排気ガスがバイパス管１０に流れ込み、ＮＯｘ吸着材１４の下流まで到達することで、Ａ／Ｆセンサ２２の出力信号は大きくリッチを示すことになる。

ステップＳ１２の条件が成立したら、次にステップＳ１４の処理が実施される。ステップＳ１４では、パージ制御バルブ１８は閉じたままとされ、切換バルブ１２は再び排気管６側の出口ポート（ｂ）に切換えられる。これによってバイパス管１０内に導入されたリッチ空燃比の排気ガスは行き場を失い、そのままバイパス管１０内に滞留することになる。このときの排気管６とバイパス管１０との接続状態が、第１の発明にかかる「第２の状態」に相当する。

リッチ空燃比の排気ガスがバイパス管１０内に滞留する結果、ＮＯｘ吸着材１４はリッチ雰囲気に曝されることとなる。これにより、酸化により吸着性能が低下したＮＯｘ吸着材１４はリッチ雰囲気下において効率良く還元され、その吸着性能は元の状態まで回復されることとなる。次のステップＳ１６では、切換バルブ１２を排気管６側の出口ポート（ｂ）に切換えてから所定時間が経過したか否か判定される。この所定時間はＮＯｘ吸着材１４の還元処理に十分な時間（例えば３０秒程度）とするのが好ましい。

ステップＳ１６の条件が成立したら、次にステップＳ１８の処理が実施される。ステップＳ１８では、切換バルブ１２は排気管６側の出口ポート（ｂ）を選択したまま、パージ制御バルブ１８が開かれる。これにより、バイパス管１０内には吸気管４からの負圧が作用し、ＮＯｘ吸着材１４の還元に使用したリッチ空燃比の排気ガスは吸気管４に還流され、内燃機関２において燃焼処理される。リターン管１６及びパージ制御バルブ１８は第４の発明の「還流手段」に相当し、また、ＥＣＵ２０がステップＳ１６の判定を実施することで、第４の発明の「完了判定手段」が実現される。

以上説明した回復処理を実施することで、ＮＯｘ吸着材１４のＮＯｘ吸着性能が酸化により一時的に低下したとしても、元の吸着性能まで速やかに回復させることができる。

実施の形態２．
次に、図を用いて本発明の実施の形態２について説明する。

［システムの構成］
図６は、本発明の実施の形態２としての排気浄化装置を備える内燃機関システムの概略構成を説明するための図である。図６において実施の形態１のシステムと同一の要素については同一の符合を付している。また、それらに関する説明は省略或いは簡略するものとする。

本実施形態のシステムは、排気管６とバイパス管１０との接続部１０ａ，１０ｂのうち、下流側接続部１０ｂに切換バルブ（Ｖ２）３０が設けられていることに特徴がある。この切換バルブ３０は、切換え可能な２つの入口ポートと１つの出口ポートとを有する三方弁であり、一方の入口ポート（ｂ）には排気管６の上流側が接続され、もう一方の入口ポート（ａ）にバイパス管１０が接続されている。そして、切換バルブ３０の出口ポートに排気管６の下流側が接続されている。

また、このシステムでは、バイパス管１０とリターン管３２との接続部位は、ＮＯｘ吸着材１４と下流側接続部１０ｂとの間の部位となっている。ＮＯｘ吸着材１４の下流（下流側接続部１０ｂの側）にはＡ／Ｆセンサ２２も配置されている。リターン管３２の途中には、排気ガスの還流流量を制御するためのパージ制御バルブ（Ｖ_EGR）３４が設けられている。パージ制御バルブ３４は切換バルブ３０とともにＥＣＵ２０に接続されている。

［ＮＯｘ吸着材の吸着性能の回復処理］
次に、本実施の形態のシステムで実現される様々な動作のうち、ＮＯｘ吸着材１４の吸着性能の回復処理について説明する。本実施の形態では図７にフローチャートで示す処理によってＮＯｘ吸着材１４の吸着性能の回復を図っている。

図７のフローチャートに示すのはＮＯｘ吸着材１４の吸着性能の回復処理のルーチンである。図７に示すルーチンは、第１の発明の「制御手段」としてのＥＣＵ２０によって実施される。ＥＣＵ２０は図７に示すルーチンを所定の周期で定期的に実施している。

図７に示すルーチンの最初のステップＳ１０２では、ＮＯｘ吸着材１４の性能診断が実施され、その診断結果に基づいて酸化によるＮＯｘ吸着性能の低下が許容範囲内か否か判定される。吸着性能の低下が許容範囲内である場合には、以降の処理はスキップされて本ルーチンは終了される。

酸化による吸着性能の低下が許容範囲を超えている場合には、次のステップＳ１０４以降の処理が実施される。ステップＳ１０４では、パージ制御バルブ（Ｖ_EGR）３４が開かれ、切換バルブ（Ｖ２）３０は排気管６側の入口ポート（ｂ）が選択される。これにより、排気管６を流れる排気ガスの一部が上流側接続部１０ａからバイパス管１０に導入され、ＮＯｘ吸着材１４を通過して吸気管４に還流されることになる。

次のステップＳ１０６では、パージ制御バルブ３４を開いてからの経過時間からＮＯｘ吸着材１４の温度が推定され、ＮＯｘ吸着材１４の推定温度がＮＯｘ吸着材１４において酸化物の還元反応が起きる温度を超えているか否か判定される。この処理によって第５の発明の「温度推定手段」が実現される。

ステップＳ１０６の条件が成立したら、次にパージ制御バルブ３４が閉じられ、切換バルブ３０はバイパス管１０側の入口ポート（ａ）に切換えられる（ステップＳ１０８）。これにより、排気ガスの全部がバイパス管１０を経由して流れるようになる。本実施の形態では切換バルブ３０が第１の発明の「切換手段」に相当し、このときの排気管６とバイパス管１０との接続状態が、第１の発明にかかる「第１の状態」に相当する。また、ＥＣＵ２０がステップＳ１０４及びステップＳ１０６の判定を実施することで、第１の発明の「開始判定手段」が実現される。

次のステップＳ１１０では、内燃機関２においてリッチスパイクが一回実施される。そして、次のステップＳ１１２では、Ａ／Ｆセンサ２２の出力がリッチを示しているか否か判定される。リッチスパイクによって空燃比がリッチ化した排気ガスがバイパス管１０に流れ込み、ＮＯｘ吸着材１４の下流まで到達したとき、Ａ／Ｆセンサ２２の出力信号は大きくリッチを示すようになる。

ステップＳ１１２の条件が成立したら、次にパージ制御バルブ３４は閉じたまま、切換バルブ３０が再び排気管６側の入口ポート（ｂ）に切換えられる（ステップＳ１１４）。これによってバイパス管１０内に導入されたリッチ空燃比の排気ガスはそのままバイパス管１０内に滞留することになる。その結果、ＮＯｘ吸着材１４はリッチ雰囲気に曝されることとなり、酸化により吸着性能が低下したＮＯｘ吸着材１４を効率良く還元することが可能になる。このときの排気管６とバイパス管１０との接続状態が、第１の発明にかかる「第２の状態」に相当する。

次のステップＳ１１６では、切換バルブ３０を排気管６側の入口ポート（ｂ）に切換えてから、ＮＯｘ吸着材１４の還元処理に十分な所定時間が経過したか否か判定される。この条件が成立したら、次に切換バルブ１２は排気管６側の入口ポート（ｂ）を選択したまま、パージ制御バルブ３４が開かれる。これにより、ＮＯｘ吸着材１４の還元に使用したリッチ空燃比の排気ガスは吸気管４に還流され、内燃機関２において燃焼処理される。リターン管３２及びパージ制御バルブ３４は第４の発明の「還流手段」に相当し、また、ＥＣＵ２０がステップＳ１１６の判定を実施することで、第４の発明の「完了判定手段」が実現される。

その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の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、次のように変形して実施してもよい。

図３の基準ラインに関し、その設定に係るＮＯｘ吸着材１４の基準体は必ずしも新品でなくてもよい。上述の回復処理が必要となる程度までＮＯｘ吸着性能が低下したＮＯｘ吸着材１４を基準体とし、その基準体における水分吸着量とＮＯｘ吸着量との相関を示す曲線を基準ラインとして設定してもよい。このような基準ラインの設定によれば、水分吸着量及びＮＯｘ吸着量の測定結果が基準ラインよりも上側であれば性能回復処理は不要と判断することができ、基準ラインよりも下側であれば性能回復処理は必要と判断することができる。

また、上述の実施の形態において、水分の吸着による発熱量を求め、それとＮＯｘ吸着量との関係に基づいてＮＯｘ吸着材１４の性能診断を実施してもよい。ＮＯｘ吸着材１４に水分が吸着される際には吸着熱が発生し、その発熱量はＮＯｘ吸着材１４の水分吸着量との相関が極めて高い。したがって、水分の吸着による発熱量を測定することで、ＮＯｘ吸着材１４の水分吸着量を間接的に測定することができる。なお、ＮＯｘ吸着材１４内で発生する吸着熱の量は、ＮＯｘ吸着材１４の前後における排気ガスの温度差から求めることができる。

また、ＮＯｘ吸着量と水分吸着量とに基づいてＮＯｘ吸着性能の低下を判定する方法に代えて、内燃機関２の冷間始動回数からＮＯｘ吸着性能の低下を判定してもよい。内燃機関２の冷間始動回数が多くなるほど、酸化によるＮＯｘ吸着性能の低下も大きくなるものと予想できるからである。この場合には、冷間始動回数が所定回数を超えることが、回復処理の開始条件の１つとなる。

また、上述の実施の形態では、Ａ／Ｆセンサ２２によってリッチ空燃比が検出されることを回復処理の完了条件としているが、他の方法で回復処理の完了を判定することもできる。例えば、リッチスパイクの実行後、その影響が空燃比に反映された排気ガスがＮＯｘ吸着材１４に到達するまでの時間は、内燃機関２の排気系モデルにより機関負荷及び回転数から計算することができる。したがって、リッチスパイクの実行時点からの経過時間が所定時間（ただし、機関負荷及び回転数の関数）を超えることを、回復処理の完了条件としてもよい。これによれば、ＮＯｘ吸着材１４の下流に配置したＡ／Ｆセンサ２２を省略することができる。

本発明の実施の形態１としての排気浄化装置を備える内燃機関システムの概略構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１にて実施するＮＯｘ吸着材の吸着性能の回復処理のルーチンを示すフローチャートである。 ＮＯｘ吸着材が新品の場合における水分吸着量とＮＯｘ吸着量との相関を示す図である。 ＮＯｘ吸着材における時間当たりの水分吸着量の時間変化を示すグラフである。 ＮＯｘ吸着材における時間当たりのＮＯｘ吸着量の時間変化を示すグラフである。 本発明の実施の形態２としての排気浄化装置を備える内燃機関システムの概略構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態２にて実施するＮＯｘ吸着材の吸着性能の回復処理のルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

２ 内燃機関
２ａ インジェクタ
４ 吸気管
６ 排気管
８ 触媒
１０ バイパス管
１０ａ 上流側接続部
１０ｂ 下流側接続部
１２，３０ 切換バルブ
１４ ＮＯｘ吸着材
１６，３２ リターン管
１８，３４ パージ制御バルブ
２０ ＥＣＵ
２２ Ａ／Ｆセンサ

Claims (6)

1. 内燃機関の排気管から分岐した分岐管と、
   前記分岐管に設けられたＮＯｘ吸着材と、
   前記内燃機関から排出される排気ガスの空燃比を調整する空燃比調整手段と、
   前記排気管と前記分岐管との接続状態を、前記分岐管内を排気ガスが流通する第１の状態と、前記分岐管内で排気ガスが滞留する第２の状態とで切換える切換手段と、
   前記ＮＯｘ吸着材の吸着能力を回復させるための回復処理の開始条件の成否を判定する開始判定手段と、
   前記開始条件が成立した場合に、前記切換手段によって前記接続状態を前記第１の状態に切換えるとともに前記空燃比調整手段によって排気ガスの空燃比をリッチに調整し、その後、前記切換手段によって前記接続状態を前記第２の状態に切換える制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記分岐路内に設けられたガスセンサであって、その出力信号により排気ガスの空燃比がリッチか否か判定可能なガスセンサをさらに備え、
   前記制御手段は、前記ガスセンサによってリッチ空燃比の排気ガスが検出されたら、前記切換手段によって前記接続状態を前記第２の状態に切換えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記ガスセンサは、前記第１の状態での排気ガスの流通方向において前記ＮＯｘ吸着材よりも下流側の位置に設けられていることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記分岐路内の排気ガスを前記内燃機関の吸気系へ還流する還流手段と、
   前記回復処理の完了条件の成否を判定する完了判定手段とをさらに備え、
   前記制御手段は、前記完了条件が成立した場合に、前記還流手段によって前記分岐路内に滞留しているリッチ空燃比の排気ガスを前記吸気系へ還流させることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記開始判定手段は、
   前記ＮＯｘ吸着材の温度を推定する温度推定手段を含み、
   前記ＮＯｘ吸着材の推定温度が所定温度以上であることを前記開始条件の１つとしていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記開始判定手段は、
   前記内燃機関の運転時に前記ＮＯｘ吸着材に吸着されたＮＯｘ量を測定するＮＯｘ吸着量測定手段と、
   前記内燃機関の運転時に前記ＮＯｘ吸着材に吸着された水分量を測定する水分吸着量測定手段と、
   水分吸着量に対するＮＯｘ吸着量の基準値を記憶した基準値記憶手段と、
   ＮＯｘ吸着量の測定値と、水分吸着量の測定値に対応するＮＯｘ吸着量の基準値とを比較する比較手段とを含み、
   ＮＯｘ吸着量の基準値と測定値との偏差が所定値以上であることを前記開始条件の１つとしていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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