JP3804732B2 - 触媒劣化防止装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排ガス中の窒素酸化物を選択還元型触媒を用いて浄化する排ガス浄化装置に関し、特に、選択還元型触媒の劣化を防止する触媒劣化防止装置に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
近年、リーン空燃比でのエンジン運転を広い運転域で実施して燃費を向上するようにしたリーンバーンエンジンが実用化されている。但し、この種のエンジンには、リーン運転中にエンジンから排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）などの有害成分を、排ガス浄化能力が理論空燃比近傍で高くなる三元触媒によっては十分に浄化できないという問題がある。そこで、酸化雰囲気においても炭化水素や一酸化炭素の存在下でＮＯｘを選択的に還元可能な選択還元型触媒が用いられている。
【０００３】
選択還元型触媒には、特開平４−７４５３４号公報に記載のように、イリジウムなどを添加して浄化能力向上を図ったものがある。但し、この種の触媒には触媒温度上昇による劣化が生じ易いという欠点がある。すなわち、イリジウム添加触媒の場合、エンジンのリーン運転中に触媒が高温度まで加熱されるとイリジウムが酸化されて酸化イリジウムになり、この酸化イリジウムは、触媒温度が更に高くなると触媒から排ガス中に放出される。この結果、触媒の浄化能力の劣化が進行する。そこで、イリジウムを添加した選択還元型触媒の使用にあたっては、リッチ運転に係る許容触媒温度よりも低めに設定されたリーン運転に係る許容触媒温度を上回る触媒温度の領域におけるリーン運転を禁止するなどして、リーン運転中の触媒温度が許容温度を越えないように触媒温度を管理し、これにより酸化イリジウムの放出を防止している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の触媒温度管理下でも、特に、エンジンのリーン運転が継続的に行われて触媒温度が許容温度付近まで上昇しかつ酸化イリジウムが生成された状態で理論空燃比運転への移行が行われる場合には、酸化イリジウムが放出されることがある。すなわち、特に、混合気の空燃比がリーンから理論空燃比に切り換えられる理論空燃比運転への移行時、排気空燃比が理論空燃比付近となりＨＣ等の還元剤が排ガス中に多く存在しない雰囲気下では、酸化イリジウムの還元反応は進行しない。その一方で、空燃比が理論空燃比となることにより燃焼温度が高くなり、それに伴い触媒温度が更に上昇してリーン運転域での許容触媒温度を上回ることがある。この場合、酸化イリジウム放出条件（酸化イリジウムが存在し、触媒が非還元雰囲気内にあり、触媒温度がリーン運転域での許容触媒温度を上回る）が成立し、酸化イリジウムが排ガス中に放出されて触媒が劣化する。
【０００５】
本発明の目的は、選択還元型触媒の劣化を確実に防止できる触媒劣化防止装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明による触媒劣化防止装置は、選択還元型触媒の温度が、内燃機関のリーン運転中に、リーン運転に係る許容触媒温度よりも低くかつこれに近い所定触媒温度に達したときに前記リーン運転中に生成された触媒種の酸化物を還元するように排気空燃比を一時的にリッチ化する空燃比制御手段を備え、前記空燃比制御手段は、前記リッチ化の設定時間、あるいは前記リッチ化の度合いを、前記リーン運転の実施時間、あるいは同リーン運転の実施時間と同リーン運転直前のリッチ運転の実施時間とに応じて可変設定することを特徴とする。
【０００７】
より具体的には、触媒劣化防止装置は、選択還元型触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、内燃機関が運転されている運転域を判別する運転域判別手段と、上記の空燃比制御手段とを備え、選択還元型触媒と共に排ガス浄化装置を構成する。
請求項１に記載の発明によれば、リーン運転中に触媒温度が所定触媒温度に達すると、空燃比制御手段の制御下で前記リーン運転中に生成された触媒種の酸化物を還元するように排気空燃比が一時的にリッチ化される。このため、リーン運転に係る許容触媒温度に達する前に、触媒のまわりに還元雰囲気が形成される。従って、非還元雰囲気かつ高温では酸化物の形で触媒から放出されてしまう特定の触媒種が添加された選択還元型触媒を排ガス浄化に用いた場合にも、この還元雰囲気中で触媒種の酸化物が確実に還元され、酸化物の形での触媒種の放出が未然に防止され、結果として触媒の劣化が防止される。
そして、特定の触媒種の酸化物の生成または還元に密接に関連するリーン運転時間またはリッチ運転時間を反映した排気空燃比のリッチ化が実施される。すなわち、排気空燃比のリッチ化が過不足なく実施される。
【０００８】
請求項１の発明において、好ましくは、空燃比制御手段は、リッチ混合気を内燃機関に供給することにより、排気空燃比をリッチ化する。また、空燃比制御手段は、触媒温度が所定触媒温度に達した時点から設定時間にわたって排気空燃比をリッチ化する。これらの好適態様によれば、排気空燃比が確実にリッチ化され、従って、触媒の劣化がより確実に防止される。
【００１０】
請求項１の発明において、所定時間を上回る期間にわたって実施されたリッチ運転からリーン運転への移行がなされた直後では、前記排気空燃比のリッチ化を禁止するようにしても良い。
この好適態様によれば、酸化物の放出による触媒劣化の度合いを許容範囲内に抑制しつつ、排気空燃比のリッチ化のための燃料消費が低減する。すなわち、この好適態様では、リーン運転中に触媒温度がリーン運転に係る許容触媒温度を上回ったとしてもリッチ運転直後であれば、排気空燃比のリッチ化は実施されず、リッチ化のための燃料消費は生じない。その一方で、特定の触媒種の酸化物が存在していれば酸化物が放出されることになるが、ここでは、リーン運転に先だってリッチ運転が所定時間以上の期間にわたって実施されており、特定の触媒種の酸化物は十分に還元されている。しかも、リーン運転への移行の直後であるので、リーン運転の実施時間は少なく、リーン運転中に生成された酸化物の量は少ない。従って、酸化物が放出されるとしても酸化物の放出量は少なく、酸化物の放出に伴う触媒の劣化度合いは小さく、許容可能である。
【００１１】
請求項２の発明の触媒劣化防止装置は、触媒に添加された触媒種の酸化物の残存量を推定する推定手段を更に備える。より好ましくは、前記推定手段は、触媒種の酸化反応による酸化物の生成量と前記酸化物の還元反応による酸化物の還元量とを推定し、前記推定した酸化物生成量および前記推定した酸化物還元量とから酸化物の残存量を推定する。内燃機関のリーン運転中、前記空燃比制御手段は、前記推定された酸化物残存量に応じて前記排気空燃比のリッチ化を実施する。これらの好適態様によれば、酸化物を還元するための排気空燃比のリッチ化が過不足なく適正に実施される。
【００１２】
上記の好適態様において、好ましくは、前記空燃比制御手段は、触媒温度が前記所定触媒温度に達した時点から前記推定した酸化物残存量が所定残存量たとえば実質的に零になる時点まで、排気空燃比をリッチ化する。或いは、触媒温度が前記所定触媒温度に達した時点から、前記所定触媒温度への到達時点において前記推定手段により推定された酸化物残存量に基づいて設定される可変のリッチ化時間が経過するまでの間、排気空燃比がリッチ化される。これらの好適態様によれば、酸化物還元のための排気空燃比のリッチ化がより適正に実施され、燃料を浪費することなく触媒の劣化防止が確実に図られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施形態による触媒劣化防止装置を装備した内燃機関について説明する。
図１において、参照符号１は、たとえば直列４気筒のリーンバーンエンジンであって、このエンジン１は、吸気マニホールド４を介して吸気管９に接続された吸気ポート２と、排気マニホールド１１を介して排気管１４に接続された排気ポート１０とを有している。吸気マニホールド４には燃料噴射弁３が各気筒毎に取り付けられ、吸気管９にはエアクリーナ５、エアフローセンサ６、スロットルバルブ７、アイドルスピードコントロールバルブ８等が設けられている。また、排気管１４にはリニア空燃比センサ１２、選択還元型触媒１３、図示しないマフラー等が設けられている。なお、選択還元型触媒１３の下流に三元触媒（図示略）を設けても良い。
【００１４】
選択還元型触媒１３は、図２に模式的に示すように、アルミナなどからなる担持層１３ａを有し、この担持層に白金などの種々の触媒種が担持され、また、担持層１３ａの表面または表層部にイリジウム粒子１３ｂが分散され保持されている。この触媒１３は、酸化雰囲気においてもＮＯｘをＨＣやＣＯと選択的に反応させてＮＯｘを還元する浄化機能を有している。
【００１５】
触媒１３の担持層１３ａに担持されたイリジウム粒子１３ｂは、触媒の浄化効率向上のために特定の触媒種として触媒１３に添加されている。このイリジウム粒子１３ｂは、酸化雰囲気において酸素と反応して酸化イリジウムになり、触媒温度が、リーン空燃比でのエンジン運転（後述のリーンバーン制御域でのエンジン運転に対応するもので、以下、リーン運転という）に係る許容触媒温度を上回ると、触媒１３から排ガス中へ放出されることがある。その一方で、酸化イリジウムは還元雰囲気においてイリジウムに還元される。酸化イリジウムの放出による触媒劣化を防止する観点から、リーン運転に係る許容触媒温度は、ストイキオ／リッチ運転（後述の、リーンバーン制御域以外のフィードバック制御域またはオープンループ制御域に対応するもので、以下、リッチ運転という）に係る許容触媒温度（例えば８５０度）よりも低い温度（例えば８００度）に設定されている。
【００１６】
図１を再び参照すると、エンジン１には、燃焼室１５に臨んで配された点火プラグ１６と各種センサとが取り付けられている。参照符号１８はクランク軸２５に固定されたロータプレート１７の回転をエンジン回転数Ｎｅとして検出するクランク角センサを示し、１９はスロットルバルブ７の開度θTHを検出するスロットルセンサを示す。参照符号２０、２１、２２及び２６は、冷却水温ＴWを検出する水温センサ、大気圧Ｐaを検出する大気圧センサ、吸気温度Ｔaを検出する吸気温センサ、気筒識別センサをそれぞれ表し、２７は触媒温度センサを表す。
【００１７】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）２３は、入出力装置、記憶装置、中央処理装置、タイマカウンタなど（いずれも図示略）を備え、各種センサから入力した検出情報に基づいて燃焼噴射量や点火時期等の最適値を演算し、燃料噴射弁３や、点火プラグ１６の点火ユニット２４等を駆動するようになっている。
燃料噴射量制御に関して、ＥＣＵ２３は、エアフローセンサ出力（吸入空気量）とエンジン回転数Ｎｅとから算出した一吸気行程当たりの吸気量Ａ／Ｎを、大気圧Ｐａ、吸気温度Ｔａ等で補正して体積効率Ｅｖを求める。また、体積効率Ｅｖ、エンジン回転数Ｎｅ等に基づきフィードバック制御域（図３）でのエンジン運転が行われているか否かを判別し、更に、アイドル運転域、定速運転域等に対応するリーンバーン制御域（図３）でのエンジン運転が行われているか否かを判別する。
【００１８】
リーンバーン制御域でのエンジン運転中、ＥＣＵ２３は、体積効率Ｅｖとエンジン回転数Ｎｅとに基づきリーン空燃比マップ（図示略）から設定した目標空燃比とリニア空燃比センサ１２の出力信号が表す実際空燃比（排気空燃比）との偏差に応じてフィードバック補正係数を算出し、更に、この補正係数や目標空燃比などに基づいて算出した開弁時間にわたって燃料噴射弁３を開弁駆動する。
【００１９】
エンジン１がリーンバーン制御域以外のフィードバック制御域で運転されていれば、体積効率Ｅｖとエンジン回転数Ｎｅとに基づきストイキオ／リッチ空燃比マップに従って目標空燃比を設定し、実際空燃比が目標空燃比になるように、燃料噴射弁３の開弁時間すなわち燃料噴射量をフィードバック制御する。
また、エンジン１がオープンループ制御域（図３）で運転されていれば、ストイキオ／リッチ空燃比マップに基づいて設定される目標空燃比と吸気量Ａ／Ｎとから算出された基本噴射量に対して加速時増量、冷機時増量などの補正を施し、斯く補正した噴射量を目標値として燃料噴射弁３の開弁時間をオープンループ制御する。
【００２０】
上記の燃料噴射量制御機能に加えて、ＥＣＵ２３は、高触媒温度域でのリーン運転中に生じ得る酸化イリジウムの放出を防止し、これにより触媒劣化を防止する機能を有している。具体的には、酸化イリジウムが存在するという第１の放出条件と、触媒温度が許容温度を上回っているという第２の放出条件とが同時に満たされるおそれがある場合に、酸化イリジウムを還元できる空燃比のリッチスパイク混合気をエンジン１に供給して、形成されている酸化イリジウムを還元することにより第１の放出条件を不成立として酸化イリジウムの放出を防止するものである。
【００２１】
この触媒劣化防止機能を達成するべく、エンジン運転中に、ＥＣＵ２３は、図４に示す排気空燃比（リッチスパイク混合気供給）制御ルーチンを周期的に実施する。なお、この制御ルーチンに関連して、ＥＣＵ２３のタイマカウンタにより、リーン運転およびリッチ運転のそれぞれの実施時間が計測される。
図４の制御ルーチンでは、リーンバーン制御域でのエンジン運転中か否かが判別され、これによりリーン運転中か否かが先ず判別される（ステップＳ１）。この判別の結果が否定（Ｎｏ）であれば、酸化イリジウムの放出防止のためのリッチスパイク混合気の供給は不要であると判断して、今回周期での制御を終了する。
【００２２】
リーン運転中であることがステップＳ１で判別されると、タイマカウンタで計測中の今回リーン運転の実施時間に基づいて、現時点が、リーン運転への移行直後であるか否かを判別し、更に、タイマカウンタで計測された前回リッチ運転の実施時間が所定時間を上回るか否かを判別する（ステップＳ２）。両判別結果が肯定、すなわち、現時点が、所定時間を上回る期間にわたって実施されたリッチ運転からリーン運転へ移行した直後であると判別されれば、リッチスパイク混合気の供給を省略可能であると判断して、今回周期での制御を終了する。
【００２３】
リッチスパイク混合気供給を省略可能な理由は、ステップＳ２での肯定判別時点の直前までリッチ運転が所定時間以上の期間にわたって実施されて酸化イリジウムは十分に還元されており、しかも、開始されたばかりの今回リーン運転での酸化イリジウムの生成量は少なく、第１の放出条件が実質的に不成立であると判断できるからである。この場合、酸化イリジウムが放出されるとしてもその放出量は少なく、酸化イリジウムの放出に伴う触媒劣化度合いは小さく許容可能である。また、リッチスパイク混合気の供給を取りやめることで燃料消費量を低減できる。
【００２４】
一方、ステップＳ１での判別結果が肯定かつステップＳ２での判別結果が否定、すなわち第１の放出条件が成立していれば、第２の放出条件が成立するおそれがあるか否かを判別するべく、現在の触媒温度を表す触媒温度センサ２７出力が読み込まれ（ステップＳ３）、触媒温度が、リーン運転での許容触媒温度よりも低くかつこれに近い所定触媒温度に達したか否かが判別される（ステップＳ４）。この判別結果が否定、すなわち第２の放出条件が不成立であれば、酸化イリジウム放出防止のためのリッチスパイク混合気の供給が不要なので、今回周期での制御を終了する。
【００２５】
一方、リーン運転中に所定触媒温度に達したことがステップＳ４で判別されると、これまでのリーン運転中に生成された酸化イリジウムがその後の触媒温度上昇によって放出されるおそれがあるとの判断の下で、排気空燃比をリッチ化して触媒１３のまわりに還元雰囲気を形成するべく、エンジン１へのリッチスパイク混合気の供給が開始される（ステップＳ５）。
【００２６】
この排気空燃比リッチ化のためのリッチスパイク混合気供給に際しては、例えば、ＥＣＵ２３の記憶装置に予め格納したリッチ化補正係数が読み出され、この補正係数を用いて燃料噴射弁３の開弁時間が増大補正される。また、記憶装置に予め格納されたリッチ混合気供給に係る設定時間が読み出される。この設定時間は固定値で良く、或いは、後述のようにリーン運転実施時間などに応じて可変設定することもできる。
【００２７】
次に、リッチ混合気供給の開始時点から設定時間が経過したか否かが判別され（ステップＳ６）、この判別結果が否定であればリッチ混合気供給を継続する。一方、設定時間が経過したことがステップＳ６で判別されれば、リッチ混合気供給を停止する（ステップＳ７）。
以下、図５を参照して、リッチスパイク混合気供給制御について更に説明する。
【００２８】
図５は、リーンバーン制御域での継続的なエンジン運転（リーン運転）に続いてエンジン１が理論空燃比運転され、更に、リーン運転に移行する場合を例示したもので、図５（ａ）は時間経過にともなう触媒温度Ｔｃの変化を示す。図５（ｂ）及び図５（ｃ）はリッチスパイク混合気を供給しない場合の排気空燃比の変化および触媒１３における酸化イリジウムの残存量の変化を示す。また、図５（ｄ）及び図５（ｅ）はリッチスパイク混合気を供給した場合の排気空燃比および酸化イリジウム残存量の変化を示す。
【００２９】
リッチスパイク混合気供給制御を実施しない場合において、ｔ２時点まではエンジン１にリーン混合気が供給され、ｔ２時点からｔ５時点まで理論空燃比混合気が供給され、ｔ５時点以降はリーン混合気が供給される。排気空燃比は、混合気空燃比の変化に対して追従遅れがあり、例えばｔ２時点からしばらくの間はリーン空燃比と理論空燃比との間の値をとる。また、許容触媒温度Ｔｃ２以下の場合にのみリーン運転が許容され、これにより、ｔ２時点までのリーン運転中、触媒温度Ｔｃはリーン運転に係る許容触媒温度Ｔｃ２以下に収まっているが、理論空燃比運転への移行後のｔ３時点では許容温度Ｔｃ２に達する。酸化イリジウムの残存量は、リーン混合気供給が継続するｔ２時点までは漸増し、ｔ３時点以降で触媒温度が許容温度Ｔｃ２を超えるとイリジウムが酸化イリジウムの形で放出されてしまう。即ち、触媒が劣化することになる。
【００３０】
上記の事情から、ｔ３時点からｔ４時点までの期間では、酸化イリジウムが存在するという第１の条件、および触媒温度Ｔｃがリーン運転に係る許容触媒温度Ｔｃ２を上回るという第２の条件が同時に満たされる。この結果、ｔ３時点からｔ４時点までの間に酸化イリジウムが放出され、触媒１３の劣化が生じる。
一方、触媒劣化防止のためのリッチスパイク混合気供給を実施する場合には、触媒温度Ｔｃが所定触媒温度Ｔｃ１に達するｔ１時点で、エンジン１への、酸化イリジウムを還元し得る例えば空燃比１２程度のリッチスパイク混合気の供給が開始され、ｔ１ａ時点で排気空燃比がリッチ化されて触媒１３まわりに還元雰囲気が形成される。図５の例では、リッチスパイク混合気供給は、所定時間、例えば排気空燃比のリッチ化が実現されるｔ３時点の直前まで継続する。この結果、ｔ１ａ時点から所定期間にわたって排気空燃比はリッチ化され、排気空燃比が非リッチとなる前に酸化イリジウムが還元されることになる。従って、触媒温度Ｔｃが許容触媒温度Ｔｃ２を上回り排気空燃比が非リッチとなるｔ３時点以降においても、酸化イリジウムが放出されることがない。
【００３１】
上記の説明から明らかなように、リッチスパイク混合気供給の開始タイミングおよび継続時間は、触媒温度Ｔｃが許容触媒温度Ｔｃ２に上昇するまでに排気空燃比がリッチ化されるように設定すれば良く、これにより、リッチスパイク混合気供給量を最小化しつつ、酸化イリジウムの放出を防止できる。
また、酸化イリジウムの放出防止を更に確実にするには、図５の例の場合のように、リッチスパイク混合気供給の開始タイミングを定める所定触媒温度Ｔｃ１とリッチスパイク混合気供給の継続時間（設定時間）を、触媒温度Ｔｃが許容触媒温度Ｔｃ２まで上昇する前に酸化イリジウム残存量が実質的に零まで減少するように設定する。
【００３２】
リッチスパイク混合気供給に係る設定時間に関しては、例えば、酸化イリジウムの放出が生じ得るようなパターンで触媒温度が変化する典型的な場合につき、リーン運転の実施時間と酸化イリジウム生成量との関係およびリッチ運転の実施時間と酸化イリジウム還元量との関係を予め実験的に求め、実験結果に基づいて上記の設定時間を好適な固定値として設定しても良い。或いは、この設定時間を、所定触媒温度Ｔｃ１に達するまでに実施されたリーン運転の実施時間に応じて可変設定し、或いは、リーン運転の実施時間とリーン運転の直前に実施されたリッチ運転の実施時間とに応じて可変設定することもできる。
【００３３】
以下、本発明の第２実施形態による触媒劣化防止装置を説明する。
この実施態様の触媒劣化防止装置は、リッチスパイク混合気の供給時間をより適正化することを企図したものであり、基本的な構成は、第１実施形態による装置のものと同一である。また、本装置は、種々の希薄燃焼エンジン、例えば、第１実施形態に関連して説明した図１のリーンバーンエンジンに適用可能である。従って、本装置の基本構成および本装置が適用されるエンジンについての説明を省略する。
【００３４】
リッチスパイク混合気の供給時間を適正化するという上記の特徴に関連して、ＥＣＵ２３は、触媒１３に添加された触媒種の酸化物（本実施形態では酸化イリジウム）の残存量を推定する機能を有している。より具体的には、ＥＣＵ（推定手段）２３は、図６に示す酸化イリジウム残存量推定ルーチンをエンジン運転中に周期的に実施し、リーン運転中の酸化イリジウム生成量とリッチ運転中の酸化イリジウム還元量とを推定し、斯く推定した酸化イリジウムの生成量および還元量から酸化イリジウム残存量を推定する。
【００３５】
図６に示すように、推定ルーチンのステップＳ１１では、リニア空燃比センサ１２、エアフローセンサ６、クランク角センサ１８、大気圧センサ２１、吸気温センサ２２および触媒温度センサ２７のそれぞれの出力が読み込まれる。次に、空燃比センサ出力から排気空燃比が検出され、触媒温度センサ出力から触媒温度Ｔｃが検出され、エアフローセンサ出力から吸入空気量が検出され、さらに、クランク角センサ出力からエンジン回転数Ｎｅが検出される（ステップＳ１２）。次に、ステップＳ１２で求めた吸入空気量およびエンジン回転数Ｎｅから一吸気行程当たりの吸気量Ａ／Ｎが算出され、この算出値を大気圧Ｐａ、吸気温度Ｔａ等で補正することにより体積効率Ｅｖが算出される（ステップＳ１３）。
【００３６】
次いで、前回推定時点から今回推定時点までの酸化イリジウム生成量Ａを推定する（ステップＳ１４）。
具体的には、生成量推定に係る空燃比係数Ａ１を、ステップＳ１２で検出した排気空燃比に基づき図７に示すＡ１マップから求める。酸化イリジウムの生成量は、触媒１３まわりの雰囲気中の酸素濃度が高いほど増加するので、空燃比係数Ａ１は、排気空燃比が理論空燃比１４．７よりも小さい領域では０をとり、理論空燃比よりも大きい領域では排気空燃比の増大につれて増大するような値をとるように設定されている。
【００３７】
次に、生成量推定に係る触媒温度係数Ａ２を、ステップＳ１２で検出した触媒温度Ｔｃに基づき図８に示すＡ２マップから求める。触媒温度Ｔｃが高いほど、イリジウムの酸化反応が促進されて酸化イリジウムの生成量が増大するので、触媒温度係数Ａ２は、触媒温度Ｔｃの増大につれて増大する値をとるように設定されている。
【００３８】
更に、生成量推定に係るスペースベロシティ係数（ＳＶ係数）Ａ３を、ステップＳ１３で算出した体積効率ＥｖとステップＳ１２で検出したエンジン回転数Ｎｅとの積で表される排気流量に基づき図９に示すＡ３マップから求める。リーン運転での排気流量が多いほど酸化イリジウムの生成量が増大するので、ＳＶ係数Ａ３は、体積効率Ｅｖとエンジン回転数Ｎｅとの積が大きいほど増大する値をとるように設定されている。
【００３９】
そして、空燃比係数Ａ１と触媒温度係数Ａ２とＳＶ係数Ａ３との積を算出する。この算出値は、前回推定時点から今回推定時点までの酸化イリジウム生成量Ａを表す。
次のステップＳ１５では、前回推定時点から今回推定時点までの酸化イリジウム還元量Ｂを推定する。
【００４０】
具体的には、還元量推定に係る空燃比係数Ｂ１を、排気空燃比に基づき図１０に示すＢ１マップから求める。酸化イリジウムの還元量は、触媒１３まわりの雰囲気中の還元物質濃度が高いほど増加するので、空燃比係数Ｂ１は、排気空燃比が理論空燃比１４．７よりも大きい領域では０をとり、理論空燃比よりも小さい領域では排気空燃比の減少につれて増大するような値をとるように設定されている。
【００４１】
次に、還元量推定に係る触媒温度係数Ｂ２を、触媒温度Ｔｃに基づき図１１に示すＢ２マップから求める。触媒温度Ｔｃが高いほど、酸化イリジウムの還元反応が促進されて酸化イリジウムの還元量が増大するので、触媒温度係数Ｂ２は、触媒温度Ｔｃの増大につれて増大する値をとるように設定されている。
更に、還元量推定に係るスペースベロシティ係数（ＳＶ係数）Ｂ３を、体積効率Ｅｖとエンジン回転数Ｎｅとの積で表される排気流量に基づき図１２に示すＢ３マップから求める。リッチ運転での排気流量が多いほど酸化イリジウムの生成量が増大するので、ＳＶ係数Ｂ３は、体積効率Ｅｖとエンジン回転数Ｎｅとの積が大きいほど増大する値をとるように設定されている。
【００４２】
そして、空燃比係数Ｂ１と触媒温度係数Ｂ２とＳＶ係数Ｂ３との積を算出する。この算出値は、前回推定時点から今回推定時点までの酸化イリジウム還元量Ｂを表す。
次のステップＳ１６では、ステップＳ１４で求めた前回推定時点から今回推定時点までの酸化イリジウム生成量ＡからステップＳ１５で求めた前回推定時点から今回推定時点までの酸化イリジウム還元量Ｂを減じた値を、酸化イリジウム残存量の前回推定値Ｉｒ（n-1）に加え、これにより酸化イリジウム残存量Ｉｒ(n)の今回推定値を求める。推定残存量の初期値Ｉｒ(0)は値０に設定される。なお、今回推定値Ｉｒ(n)が負になった場合は、推定値Ｉｒ(n)を値０に設定する。
【００４３】
触媒劣化防止のための空燃比制御を行うべく、ＥＣＵ（空燃比制御手段）２３は、図４に示すものと類似のリッチスパイク供給制御ルーチンを周期的に実施する。
この制御ルーチンでは、リーン運転中であることがステップＳ２１で判別されると共にリッチ運転からリーン運転へ移行した直後でないことがステップＳ２２で判別されると、現在の触媒温度を表す触媒温度センサ２７出力が読み込まれる（ステップＳ２３）。触媒温度が、リーン運転での許容触媒温度よりも低くかつこれに近い所定触媒温度を上回っていることがステップＳ２４で判別されると、エンジン１へのリッチスパイク混合気の供給が開始されると共にリッチスパイク混合気供給中であることを記憶するべくフラグＦを値１にセットする（ステップＳ２５）。
【００４４】
次に、図６の推定ルーチンで求めた酸化イリジウム残存量の今回推定値Ｉｒ(n)が所定値たとえば値０以下であるか否かが判別され（ステップＳ２６）、この判別結果が否定であればステップＳ２４に移行して触媒温度が所定触媒温度を上回っているか否かが再度判別される。所定触媒温度以下であればステップＳ２８を経由してステップＳ２７でリッチスパイク混合気の供給が停止されると共にフラグＦが値０にリセットされる。一方、所定触媒温度以上であればリッチスパイク混合気の供給が継続する（ステップＳ２５）。
【００４５】
この様に、リーン運転中、触媒温度が所定触媒温度を上回っていれば、酸化イリジウム残存量の推定値を更新しつつ、リッチスパイク混合気が継続して供給される。この結果、排気空燃比がリッチ化されて触媒１３まわりに還元雰囲気が形成され、この還元雰囲気中で酸化イリジウムの還元が進行して酸化イリジウム残存量が漸減する。
【００４６】
そして、酸化イリジウム残存量の推定値が値０以下になったことがステップＳ２６で判別されると、リッチスパイク混合気の供給が停止される（ステップＳ２７）。
上記の排気空燃比リッチ化制御を実施すると、第１実施形態での同様の制御による触媒劣化防止作用（図５（ｄ）、（ｅ））と同様の作用が奏される。すなわち、リーン運転から理論空燃比運転への移行でリーン運転に係る許容触媒温度Ｔｃ２を上回った場合にも酸化イリジウムが放出されることがなく、触媒劣化が防止される。しかも、推定された酸化物残存量に応じてリッチスパイク混合気の供給（排気空燃比のリッチ化）が実施され、リッチスパイク混合気の供給が過不足なく適正に実施される。すなわち、燃料を浪費することなく触媒の劣化防止が確実に図られる。
【００４７】
本発明は、上記実施形態に限定されず、種々に変形可能である。
例えば、第１及び第２実施形態では、リーン運転から理論空燃比運転へ移行した場合について説明したが、例えばリーン運転からリッチ運転に移行する場合でもトルクショック防止のために空燃比の切換にテーリングをかけていると運転状態が切り換わる途中で酸化イリジウムの放出条件がそろえば放出されてしまうので、この場合においても、酸化イリジウムが存在していれば触媒温度がリーン触媒温度を超える前に排気空燃比のリッチ化を行うようにすれば良い。
【００４８】
また、第１及び第２実施形態では、本発明の触媒劣化防止装置をリーンバーンエンジンと共に用いる場合について説明したが、本発明は希薄燃焼運転に適する筒内噴射式エンジンなどにも適用可能である。なお、筒内噴射式エンジンを用いる場合、リッチスパイク混合気供給による排気空燃比のリッチ化に代えて、主燃焼のための主噴射以外に膨張または排気行程で副噴射を行い、排気管内の触媒まわりに還元雰囲気を形成しても良い。
【００４９】
第２実施形態では、触媒温度が所定触媒温度に達した時点で排気空燃比のリッチ化（リッチスパイク混合気供給）を開始した後、酸化物残存量の推定値を更新しつつ、更新後の推定残存量が所定値以下になった時点で排気空燃比のリッチ化を終了するようにしたが、推定値の更新は必須ではない。例えば、所定触媒温度への到達時点における酸化物残存量の推定値に応じたリッチ化時間を設定し、この設定時間にわたって排気空燃比のリッチ化を実施しても良い。
【００５０】
また、ＳＶ係数Ａ３、Ｂ３を体積効率とエンジン回転数との積に関連づけたが、これに代えて、吸入空気量が増大するにつれて増大するように設定しても良い。
【００５１】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明による触媒劣化防止装置は、選択還元型触媒の温度が、内燃機関のリーン運転中に、リーン運転に係る許容触媒温度よりも低くかつこれに近い所定触媒温度に達したときに前記リーン運転中に生成された触媒種の酸化物を還元するように排気空燃比を一時的にリッチ化する空燃比制御手段を備えるので、所定触媒温度に到達した触媒温度がリーン運転に係る許容触媒温度に達する前に触媒まわりに還元雰囲気を形成でき、非還元雰囲気かつ高温では酸化物の形で触媒から放出可能な特定の触媒種が添加された選択還元型触媒を排ガス浄化に用いた場合にも、この還元雰囲気中で触媒種の酸化物を確実に還元でき、酸化物の形での触媒種の放出を未然に防止でき、結果として触媒の劣化を防止できる。
また、空燃比制御手段が、排気空燃比のリッチ化に係る設定時間あるいはリッチ化の度合いを、排気空燃比のリッチ化の開始までに実施された内燃機関のリーン運転の実施時間、あるいはこのリーン運転の実施時間とリーン運転の直前に実施されたリッチ運転の実施時間とに応じて可変設定するようにしたので、特定の触媒種の酸化物の生成または還元に密接に関連するリーン運転時間またはリッチ運転時間を反映した排気空燃比のリッチ化が過不足なく実施可能となる。
更に、請求項２に記載の発明による触媒劣化防止装置は、触媒に添加された触媒種の酸化物の残存量を推定する推定手段を更に備え、空燃比制御手段は、前記推定手段により推定された酸化物残存量に応じて前記排気空燃比のリッチ化を実施するようにしたので、酸化物を還元するための排気空燃比のリッチ化が過不足なく適正に実施可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による触媒劣化防止装置を装備したリーンバーンエンジンの概略図である。
【図２】図１に示した選択還元型触媒の担持層とこれに保持されたイリジウム粒子とを示す模式図である。
【図３】体積効率とエンジン回転数とに基づいて定められるエンジン運転域を示す図である。
【図４】図１の電子制御ユニットにより実施される排気空燃比制御ルーチンのフローチャートである。
【図５】エンジン運転中における触媒温度、排気空燃比および酸化イリジウム残存量の時間経過に伴う変化を、リッチスパイク混合気供給を実施する場合と実施しない場合との双方について示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態による触媒劣化防止装置の電子制御ユニットにより実施される酸化イリジウム残存量推定ルーチンのフローチャートである。
【図７】図６の推定ルーチンにおいて生成量推定に係る空燃比係数Ａ１の決定に用いられるマップを示す図である。
【図８】生成量推定に係る触媒温度係数Ａ２の決定に用いられるマップを示す図である。
【図９】生成量推定に係るスペースベロシティ係数Ａ３の決定に用いるマップを示す図である。
【図１０】図６の推定ルーチンにおいて還元量推定に係る空燃比係数Ｂ１の決定に用いられるマップを示す図である。
【図１１】還元量推定に係る触媒温度係数Ｂ２の決定に用いられるマップを示す図である。
【図１２】還元量推定に係るスペースベロシティ係数Ｂ３の決定に用いるマップを示す図である。
【図１３】第２実施形態に係る電子制御ユニットにより実施される排気空燃比制御ルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
１ エンジン
６ エアフローセンサ
１２ 空燃比センサ
１３ 選択還元型触媒
１４ 排気管
１８ クランク角センサ
２３ 電子制御ユニット
２７ 触媒温度センサ

Claims (2)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ排気空燃比がリーンのときに排ガス中の窒素酸化物を浄化する選択還元型触媒の温度が、前記内燃機関のリーン運転中に、前記リーン運転に係る許容触媒温度よりも低くかつ前記許容触媒温度に近い所定触媒温度に達したときに前記リーン運転中に生成された触媒種の酸化物を還元するように前記排気空燃比を一時的にリッチ化する空燃比制御手段を備え、
   前記空燃比制御手段は、前記リッチ化の設定時間、あるいは前記リッチ化の度合いを、前記リーン運転の実施時間、あるいは同リーン運転の実施時間と同リーン運転直前のリッチ運転の実施時間とに応じて可変設定することを特徴とする触媒劣化防止装置。
2. 前記触媒に添加された触媒種の酸化物の残存量を推定する推定手段を更に備え、
   前記空燃比制御手段は、前記推定手段により推定された酸化物の残存量に応じて前記リッチ化を行うことを特徴とする請求項１記載の触媒劣化防止装置。

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