JP4506348B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関し、詳細には排気中の特定成分を吸蔵することにより排気浄化性能が低下する排気浄化触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気通路に配置した排気浄化触媒を備え、排気中の有害物質を浄化する排気浄化装置が知られている。このような排気浄化触媒には、使用とともに排気中の特定の成分（被毒物質）を吸収、吸着等により吸蔵し、被毒物質の吸蔵量増大とともに排気浄化能力が低下するものがある。

例えば排気浄化触媒として、流入する排気空燃比がリーンのときに排気中の窒素酸化物（ＮＯ_X）を吸収、吸着またはその両方により吸蔵し、流入する排気空燃比がリッチになったときに吸蔵したＮＯ_Xを還元浄化するＮＯ_X吸蔵還元触媒が知られているが、排気中に硫黄酸化物（ＳＯ_X）が含まれると、ＮＯ_X吸蔵還元触媒にはＮＯ_Xと同様にＳＯ_Xが吸蔵される問題が生じる。

ＳＯ_XはＮＯ_X吸蔵還元触媒内で安定した硫酸塩を形成するため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒からＮＯ_Xが放出される条件下でも触媒から放出されない場合がある。このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒中に吸蔵された硫黄成分の量は徐々に増大し、それにつれてＮＯ_Xの吸蔵能力が低下する。すなわち、ＮＯ_X吸蔵還元触媒は排気中の特定成分としての硫黄を吸蔵し、排気浄化能力の低下（硫黄による被毒）を生じる。

ＮＯ_X吸蔵還元触媒の硫黄被毒を解消するためには、排気空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比に維持した状態で触媒温度を通常運転時より高い所定の温度まで上昇させる被毒解消操作が必要となる。

被毒解消操作時に触媒温度を通常運転時より高い所定温度まで上昇させるためには、触媒に未燃燃料などの炭化水素（ＨＣ）やＣＯ成分を比較的多量に供給するとともに、充分な酸素を供給してＨＣやＣＯ成分を触媒上で燃焼させることが有効である。

このため、例えば多気筒機関では、被毒解消操作時に一部の気筒をリッチ空燃比で運転し、他の気筒をリーン空燃比で運転することにより触媒にＨＣやＣＯ成分を多量に含んだリッチ空燃比排気と、酸素を多量に含んだリーン空燃比排気とを供給し、触媒上で両者を混合させることにより理論空燃比近傍のややりリッチな混合排気を形成することが行われる。このように、触媒上でＨＣ、ＣＯ成分と酸素とを比較的多量に含んだ混合排気を形成することにより、触媒上でＨＣ、ＣＯ成分を燃焼させ、ややリッチ空燃比の雰囲気で触媒温度を上昇させることができる。

ところが、このように、被毒解消操作時に一部の気筒をリッチ空燃比運転することにより触媒温度を上昇させる場合には、余分な燃料をリッチ空燃比運転する気筒に供給する必要が生じ、被毒解消操作を頻繁に実行すると機関の燃費が悪化する問題かがある。

そこで、被毒解消操作を特定の機関運転状態が成立したときにのみ実行し、被毒解消操作の頻繁な実施による機関燃費の悪化を防止することが行われている。
この種の内燃機関の排気浄化装置の例としては、特許文献１に記載されたものがある。

特許文献１の装置では、上記のように機関の一部の気筒をリッチ空燃比で運転し他の気筒をリーン空燃比で運転することにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の硫黄被毒解消操作を行う。また、特許文献１の装置は、特定の機関運転状態でのみこの硫黄被毒解消操作を実行することにより、被毒解消操作が頻繁に行われて機関の燃費が悪化することを防止するとともに、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＳＯ_X吸蔵量が増大するほど、被毒解消操作を実行する機関運転条件を拡大することにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＳＯ_X吸蔵量が増大した状態での運転が長時間継続することを防止している。

すなわち、特許文献１の装置ではＮＯ_X吸蔵還元触媒のＳＯ_X吸蔵量が少ない場合には例えば、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の床温が比較的高温になる機関運転条件にならなければ被毒解消操作を開始しない。また、ＳＯ_X吸蔵量が増大すると触媒床温が比較的低温になる機関運転条件でも被毒解消操作を開始するようにして被毒解消操作を行う機関運転条件を拡大する。

これにより、特許文献１の装置ではＳＯ_X吸蔵量が少ない場合には被毒解消操作が実行されにくくなり、小刻みな被毒解消操作が頻繁に行われることが防止されるとともに、ＳＯ_X吸蔵量が増大すると被毒解消操作が実行されやすくなり、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＳＯ_X吸蔵量が増大した状態で長時間運転が継続されることが防止される。

特開２０００−１８０２５号公報 特開２００２−２５６８５８号公報 特開平１１−１０７８１１号公報 特開２０００−３０３８２５号公報 特開平１１−１９０２０９号公報 特開２００３−１５５９２５号公報

上述したように特許文献１の排気浄化装置では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＳＯ_X吸蔵量が増大するほど被毒解消操作が実行されやすくなる。このため、例えばＳＯ_X吸蔵量が大きくなると、触媒温度が比較的低い状態でも被毒解消操作が実行されるようになる。

ところが、被毒解消操作では触媒温度を所定の回復温度（ＮＯ_X吸蔵還元触媒から硫黄が放出される温度、例えば、約８７０度Ｋ以上）まで上昇させる必要があるため、被毒解消操作開始時の触媒温度が低ければ低いほど、被毒解消操作開始時に触媒温度を上記回復温度まで昇温するために消費されるエネルギーが増大し、機関の燃費が悪化する問題がある。

また、特許文献１の装置では逆にＮＯ_X吸蔵還元触媒のＳＯ_X吸蔵量が小さいほど被毒解消操作が実行されにくくなる。このため、例えば触媒温度が比較的高くなっており、被毒解消操作開始時に回復温度まで触媒温度を上昇させるのに消費されるエネルギーが小さい状態になっているにもかかわらずＳＯ_X吸蔵量が比較的小さい間は被毒解消操作が実行されない場合が生じる。

このため、特許文献１の装置では被毒解消操作実行による燃費の増大を十分に抑制することができない問題がある。

本発明は、上記従来技術の問題に鑑み、排気浄化触媒の温度を上昇させる被毒解消操作を行う際に、機関燃費の増大を十分に抑制し効率的な被毒解消操作を行うことを可能とする内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明によれば、流入する排気がリーン空燃比のときに排気中のＮＯ _X 成分を吸蔵し、流入する排気がリッチ空燃比になったときに吸蔵したＮＯ _X を還元浄化するとともに、排気中のＳＯ _X 成分を吸蔵して排気浄化能力が低下する排気浄化触媒を備え、前記排気浄化触媒のＳＯ _X 成分の吸蔵量が増大して所定の開始値に到達したときに前記排気浄化触媒の温度を上昇させて前記吸蔵したＳＯ _X 成分を排気浄化触媒から放出させる被毒解消操作を開始する内燃機関の排気浄化装置において、前記被毒解消操作開始前の排気浄化触媒温度に応じて、前記被毒解消操作実行による機関燃費の増大を抑制するように前記開始値を変更する内燃機関の排気浄化装置が提供される。

すなわち、請求項１の発明では被毒解消操作を開始する特定成分吸蔵量の値を排気浄化触媒温度に応じて変更する。
被毒解消操作開始前の排気浄化触媒温度は被毒解消操作に消費されるエネルギー量に密接に関連する。例えば、排気浄化触媒温度が高い状態で被毒解消操作を開始すれば少ないエネルギー量で触媒の温度を上昇させることができるため、比較的頻繁に被毒解消操作を行った方が効率的な場合がある。

また、排気浄化触媒温度が低い場合には、触媒の温度上昇に消費されるエネルギー量が大きくなるため、被毒解消操作実行頻度が比較的少ない方がエネルギー損失が小さくなる。
一方、排気浄化触媒の特定成分吸蔵量に応じて被毒解消操作を行う場合には、吸蔵量の開始値は被毒解消操作の実行頻度に大きく影響する。

このため、排気浄化触媒温度に応じて被毒解消操作の開始値を変更することにより、排気浄化触媒温度に応じて被毒解消操作の実行頻度を変えることができるようになり、触媒温度に応じた適切な排気浄化触媒の被毒解消操作実行頻度を設定することが可能となる。
従って、本発明によれば効率的な排気浄化触媒の被毒解消操作を行うことが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、更に、前記被毒解消操作実行中に前記排気浄化触媒の前記ＳＯ _X 成分の吸蔵量が低下して所定の終了値に到達したときに被毒解消操作を終了するとともに、前記被毒解消操作開始前の排気浄化触媒温度に応じて、前記被毒解消操作実行による機関燃費の増大を抑制するように前記終了値を変更する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。

すなわち、請求項２の発明では、被毒解消操作の開始値に加えて、被毒解消操作を終了する特定成分吸蔵量である終了値を排気浄化触媒温度に応じて変更する。これにより、開始値のみを排気浄化触媒温度に応じて変更する場合に較べて更に正確に被毒解消操作実行頻度を設定することが可能となる。また、被毒解消操作時の排気浄化触媒からの特定成分放出速度は排気浄化触媒の特定成分吸蔵量に応じて変化する。このため、終了値を排気温度に応じて変更することにより、被毒解消操作の実行頻度とともに、被毒解消操作が行われる排気浄化触媒の特定成分吸蔵量の範囲（すなわち、被毒解消操作実行時の特定成分の放出速度）を設定することができる。
従って、本発明によれば更に効率的な排気浄化触媒の被毒解消操作を行うことが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、前記被毒解消操作開始前の排気浄化触媒温度が高いほど、前記開始値の値が小さくなるように前記開始値の値を変更する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。

請求項４に記載の発明によれば、前記被毒解消操作開始前の排気浄化触媒温度が高いほど、前記開始値と前記終了値の値が小さくなるように前記開始値と終了値の値を変更する、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。

すなわち、請求項３と請求項４の発明では、開始値及び終了値の変更はいずれも被毒解消操作開始前の排気浄化触媒温度が高いほど、開始値、終了値の値が小さくなるように変更する。

これにより、請求項３と請求項４の発明では排気浄化触媒温度が高い場合に被毒解消操作実行頻度を多く、低い場合に少なく設定することができるため、効率的な排気浄化触媒の被毒解消操作を行うことができる。また、請求項４の発明では、排気浄化触媒温度が低いほど排気浄化触媒の特定成分吸蔵量が多い領域（特定成分の放出速度が大きい領域）で被毒解消操作が実行されるようになるため、更に効率的に被毒解消操作を行うことが可能となる。

各請求項に記載の発明によれば、排気浄化触媒温度に応じて被毒解消操作実行頻度を変えることにより、効率的な排気浄化触媒の被毒解消操作を行うことが可能となる共通の効果を奏する。

以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明を自動車用内燃機関に適用した場合の、実施形態の概略構成を説明する図である。

図１において、１は自動車用内燃機関を示す。本実施形態では、機関１は＃１から＃４の４つの気筒を備えた４気筒ガソリン機関とされ、＃１から＃４気筒には直接気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁１１１から１１４が設けられている。後述するように、本実施形態の内燃機関１は、理論空燃比より高い（リーンな）空燃比で運転可能なリーンバーンエンジンとされている。

また、本実施形態では＃１から＃４の気筒は互いに点火時期が連続しない２つの気筒からなる２つの気筒群にグループ分けされている。（例えば、図１の実施形態では、気筒点火順序は１−３−４−２であり、＃１、＃４の気筒と＃２、＃３の気筒とがそれぞれ気筒群を構成している。）また、各気筒の排気ポートは気筒群毎に排気マニホルドに接続され、気筒群毎の排気通路に接続されている。

図１において、２１ａは＃１、＃４気筒からなる気筒群の排気ポートを個別排気通路２ａに接続する排気マニホルド、２１ｂは＃２、＃３気筒からなる気筒群の排気ポートを個別排気通路２ｂに接続する排気マニホルドである。本実施形態では、個別排気通路２ａ、２ｂ上には、三元触媒からなるスタートキャタリスト（以下「ＳＣ」と呼ぶ）５ａと５ｂがそれぞれ配置されている。また、個別排気通路２ａ、２ｂはＳＣ下流側で共通の排気通路２に合流している。

共通排気通路２上には、後述するＮＯ_X吸蔵還元触媒７が配置されている。図１に２９ａ、２９ｂで示すのは、個別排気通路２ａ、２ｂのスタートキャタリスト５ａ、５ｂ上流側に配置された上流側空燃比センサ、３１で示すのは、排気通路２のコンバータ７０出口に配置された下流側空燃比センサである。空燃比センサ２９ａ、２９ｂ及び３１は、広い空燃比範囲で排気空燃比に対応する電圧信号を出力する、いわゆるリニア空燃比センサとされているが、リニア空燃比センサの代わりに、排気中の酸素濃度を検出し出力が理論空燃比を境に急激に変化する、いわゆるＺ型出力特性を有するＯ₂センサを使用することも可能である。

更に、図１に３０で示すのは機関１の電子制御ユニット（ＥＣＵ）である。ＥＣＵ３０は、本実施形態ではＲＡＭ、ＲＯＭ、ＣＰＵを備えた公知の構成のマイクロコンピュータとされ、機関１の点火時期制御や燃料噴射制御等の基本制御を行っている。また、本実施形態では、ＥＣＵ３０は上記の基本制御を行う他に、後述するようにＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＮＯ_X吸蔵状態に応じてリーン空燃比運転中に燃料噴射弁１１１から１１４の燃料噴射量を変更して、短時間機関をリッチ空燃比で運転し、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７から吸蔵したＮＯ_Xを放出させるするリッチスパイク操作を行う。

また、ＥＣＵ３０はＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵した硫黄成分をＮＯ_X吸蔵還元触媒の温度を上昇させることにより放出させる、後述する硫黄被毒回復操作をおこなう。
これらの制御を行うため、ＥＣＵ３０の入力ポートには、図示しない機関吸気マニホルドに設けられた吸気圧センサ３３から機関の吸気圧力に対応する信号と、機関クランク軸（図示せず）近傍に配置された回転数センサ３５から機関回転数に対応する信号、機関１のアクセルペダル（図示せず）近傍に配置したアクセル開度センサ３７から運転者のアクセルペダル踏込み量（アクセル開度）を表す信号、及び機関１の冷却水通路に配置された冷却水温度センサ３９から機関冷却水温度を表す信号がそれぞれ入力されている他、空燃比センサ２９ａ、２９ｂからそれぞれ＃１、＃４気筒と＃２、＃３気筒からの排気空燃比が、空燃比センサ３１からＮＯ_X吸蔵還元触媒７出口の排気空燃比が、それぞれ入力されている。

本実施形態では、ＥＣＵ３０は吸気圧センサ３３で検出した機関吸気圧力と回転数センサ３５で検出した機関回転数とに基づいて機関１の吸入空気流量を算出し、機関の理論空燃比またはリッチ空燃比運転時の燃料噴射量を制御する。
また、ＥＣＵ３０はアクセル開度センサ３７で検出したアクセル開度と機関回転数とに基づいて機関のリーン空燃比運転時の燃料噴射量を制御する。

また、ＥＣＵ３０の出力ポートは、各気筒への燃料噴射量と燃料噴射時期を制御するために、図示しない燃料噴射回路を介して各気筒の燃料噴射弁１１１から１１４に接続されている。
これらの燃料噴射制御としては、いずれの公知の制御を用いることができるため、ここでは詳細な説明は省略する。

次に、本実施形態のＮＯ_X吸蔵還元触媒７について説明する。
本実施形態のＮＯ_X吸蔵還元触媒７は、例えばハニカム状に形成したコージェライト等の担体を用いて、この担体表面にアルミナのコーティングを形成し、アルミナ層上に、例えばカリウムＫ、ナトリウムＮa 、リチウムＬi 、セシウムＣs のようなアルカリ金属、バリウムＢa 、カルシウムＣa のようなアルカリ土類、ランタンＬa 、セリウムＣｅ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つの成分と、白金Ｐｔのような貴金属とを担持させたものである。ＮＯ_X吸蔵還元触媒は流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに、排気中のＮＯ_X（ＮＯ₂、ＮＯ）を吸収、吸着またはその両方により吸蔵し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸蔵したＮＯ_XをＮＯ₂の形で放出するＮＯ_Xの吸放出作用を行う。

例えば、機関１がリーン空燃比で運転されＮＯ_X吸蔵還元触媒７に流入する排気がリーン空燃比である場合には、排気中のＮＯ_X（ＮＯ、ＮＯ₂）はＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵され、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７を通過した排気中のＮＯ_X濃度はほぼゼロになる。
また、流入排気中の酸素濃度が大幅に低下すると（すなわち、排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比になると）、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯ_Xは排気中のＣＯやＨ₂等還元剤として機能する成分やＨＣ成分（以下、還元成分等）により還元され、ＮＯ₂の形でＮＯ_X吸蔵還元触媒７から放出される。

本実施形態では、ＥＣＵ３０はＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯ_Xの量が所定値に到達する毎に機関１を短時間リッチ空燃比で運転し、ＮＯ_X吸蔵還元触媒にリッチ空燃比の排気を供給するリッチスパイク操作を行う。これにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７から吸蔵されたＮＯ_XがＮＯ₂の形で放出され、ＮＯ_X吸蔵還元触媒が吸収したＮＯ_Xにより飽和することが防止される。
なお、本実施形態におけるリッチスパイク操作としては公知のいずれの方法を用いることができるため、ここでは詳細な説明は省略する。

ところが、上記のようなＮＯ_X吸蔵還元触媒７を排気浄化触媒として使用する場合には、排気中に硫黄酸化物（ＳＯ_X）等の特定成分が含まれると問題が生じる。
すなわち、リーン空燃比排気中にＳＯ_X等が含まれていると、排気中のＳＯ_XはＮＯ_Xと全く同様なメカニズムでＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵される。しかし、ＳＯ_XはＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵された状態ではＮＯ_Xよりはるかに安定な化合物を形成するため、単に触媒７にリッチ空燃比の排気を供給するだけのリッチスパイク操作を行ったのでは、ＮＯ_Xを放出させることはできてもＳＯ_Xを放出させるには不十分である。

このため、排気中にＳＯ_Xが含まれるとリッチスパイク操作を定期的に行っていても触媒７内には次第にＳＯ_Xが蓄積されるようになり、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７の吸蔵可能なＮＯ_X量（ＮＯ_X吸蔵能力）は触媒内に吸蔵されたＳＯ_Xの量だけ低下するようになる。従って、吸蔵されたＳＯ_Xの量が増大すると、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７は排気中のＮＯ_Xを吸蔵することができなくなり、未浄化のＮＯ_Xが吸蔵されないままＮＯ_X吸蔵還元触媒７を通過するようになる。

すなわち、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７は、排気中の特定成分としてのＳＯ_Xを吸蔵することにより排気浄化能力が低下する、いわゆる硫黄被毒が生じるのである。

ＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＳＯ_Xは、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７を理論空燃比またはリッチ空燃比雰囲気で所定の高温状態（例えば８７０度Ｋ以上）に維持することによりＮＯ_X吸蔵還元触媒７から放出されることが知られている。このため、排気中にＳＯ_Xが含まれる場合にはＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＳＯ_X量が増大する毎に、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７に理論空燃比またはリッチ空燃比の排気を供給しつつ通常の運転温度よりも高い温度にＮＯ_X吸蔵還元触媒７を保持する、被毒解消操作を行う必要がある。

例えば、前述の特許文献１では触媒に交互にリーン空燃比とリッチ空燃比の排気を供給して触媒上でリッチ空燃比排気中のＨＣ等をリーン空燃比排気中の酸素を用いて燃焼させることにより触媒を昇温して被毒解消操作を行っている。

このように、リーン空燃比とリッチ空燃比の排気を交互に触媒に供給して触媒を昇温することにより、別途触媒上流側の排気通路にＨＣ等や二次空気を供給する装置を設けることなく、簡易に触媒にＨＣ等の可燃成分と酸素とを供給することができる。

しかし、特許文献１の装置では、前述したようにＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＳＯ_X吸蔵量に応じて被毒解消操作を実行する触媒温度を変更、すなわちＳＯ_X吸蔵量が増大するほど低い触媒温度から被毒解消操作を行うようにしているため、必ずしも効率的に被毒解消操作を行うことができない問題があった。

本実施形態では、以下に説明するように被毒解消操作開始前の排気浄化触媒温度に応じて被毒解消操作の実行頻度を変えることにより上記問題を解決している。

本実施形態においても、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７の被毒解消操作はＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＳＯ_X吸蔵量に基づいて実行される。すなわち、本実施形態においては、ＥＣＵ３０は後述するように機関運転状態に基づいてＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＳＯ_X吸蔵量を推定し、ＳＯ_X吸蔵量が所定の開始値まで増大した場合には触媒温度にかかわらず被毒解消操作を開始する。また、被毒解消操作実行中、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＳＯ_X吸蔵量は放出により低下して行くが、本実施形態ではＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＳＯ_X吸蔵量が所定の終了値まで低下した場合に被毒解消操作を終了する。

しかし、本実施形態では、上記被毒解消操作の開始値は一定値ではなく、被毒解消操作開始前のＮＯ_X吸蔵還元触媒７床温に応じて、床温が高いほど開始値が小さい値になるように変更する。

図２は、本実施形態における開始値の設定と排気温度との関係の一例を示す図である。
図２の縦軸はＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＳＯ_X吸蔵量、横軸は被毒解消操作開始前の状態のＮＯ_X吸蔵還元触媒７床温（触媒温度）を示す。また、図２の実線は被毒解消操作を開始するＳＯ_X吸蔵量（すなわち、開始値）、点線は被毒解消操作を終了するＳＯ_X吸蔵量（終了値）である。

図２に示すように、本実施形態では被毒解消操作の開始値は排気浄化触媒温度の上昇とともに直線的に低下するように設定されており、終了値は触媒温度に無関係に一定の値に設定される。
図２の例では、機関のリーン空燃比運転中ＳＯ_X吸蔵量が増大して開始値（実線）に到達する毎にＮＯＸ吸蔵還元触媒７の被毒解消操作が開始され、被毒解消操作実行中にＳＯ_Xの放出によりＮＯ_X吸蔵還元触媒７中のＳＯ_X吸蔵量が図２の終了値（点線）まで低下するとＳＯ_Xの被毒解消操作が終了する。

このため、開始値と終了値との間隔は、一回の被毒解消操作で放出されるＳＯ_X量（すなわち、被毒解消操作終了後次の被毒解消操作が開始されるまでに吸蔵するＳＯ_X量）を表すことになる。この量を被毒操作一回当たりの処理ＳＯ_X量と称すると、図２に示すようにこの処理ＳＯ_X量は、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７温度が高いほど小さくなり、低温時ではΔＳＬ、中温時ではΔＳＭ、高温時にはΔＳＨとなる（ΔＳＬ＞ΔＳＭ＞ΔＳＨ）。

このため、仮に排気浄化触媒の各温度におけるＮＯ_X吸蔵還元触媒７の単位時間当たり吸蔵量（機関１のＳＯ_X発生量）が同一であれば、排気浄化触媒が高温であるほど短い間隔で被毒解消操作が繰り返されるようになる。実際には、被毒解消操作前のＮＯ_X吸蔵還元触媒７温度が高くなる運転領域では、排気温度が高く機関負荷も増大しているためＮＯ_X吸蔵還元触媒７温度が低くなる運転領域（機関負荷が低く排気温度が低い運転領域）よりも機関の単位時間当たりＳＯ_X発生量も増大しているため、更にＮＯ_X吸蔵還元触媒７温度が高くなるほど被毒解消操作実行間隔は短くなる。

前述したように、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７温度が高い領域では少ないエネルギーでＮＯ_X吸蔵還元触媒７を被毒解消に必要な温度まで昇温することができるため、被毒解消操作による燃費の悪化も少なくなる。

このため、図２のように被毒解消操作開始値を排気温度に応じて変化させ、排気温度が高い程小さな値になるように設定することにより、例えば車両の高速走行時等のように、排気温度（ＮＯ_X吸蔵還元触媒７温度）が高く効率的な被毒解消操作を実行することができる領域では小刻みに短い間隔で被毒解消操作を実行し、車両の低速走行時等のように、排気温度が低く被毒解消操作実行に要するエネルギーが増大する運転領域では、被毒解消操作実行間隔を長く設定することが可能となる。

すなわち、本実施形態によれば、効率的な被毒解消操作を実行可能な機関運転状態では被毒解消操作実行頻度を多く設定し、効率的な被毒解消操作を実行することができない機関運転状態では被毒解消操作実行頻度を少なく設定することができるため、全体として被毒解消操作を効率的に行うことが可能となり、機関の燃費の悪化を抑制することが可能となる。

次に、図３、図４を用いて本発明の別の実施形態について説明する。
図３は、本実施形態における被毒解消操作の開始値と終了値との設定を示す図である。図２の実施形態では、被毒解消操作の開始値のみをＮＯ_X吸蔵還元触媒７温度に応じて変更していたが、本実施形態では図３に示すように開始値とともに終了値もＮＯ_X吸蔵還元触媒７温度に応じて変更している点が図２の実施形態と相違している。

本実施形態では、被毒解消操作の終了値も開始値と同様に、被毒解消操作解消前のＮＯ_X吸蔵還元触媒７床温が高いほど小さな値に設定される（なお、図３は、終了値を開始値と平行な直線とした場合を示している）。
このように、被毒解消操作の終了値も開始値とともにＮＯ_X吸蔵還元触媒７温度に応じて変更することにより、被毒解消操作を更に効率的に行うことが可能となる。

すなわち、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７の被毒解消操作時にはＮＯ_X吸蔵還元触媒７から吸蔵したＳＯ_Xが放出されるが、この放出速度は被毒解消操作時のＮＯ_X吸蔵還元触媒温度が同一であれば、ＮＯ_X吸蔵還元触媒が吸蔵したＳＯ_X量が多いほど大きくなる。

図４は、一定温度下で被毒解消操作を行った場合の、ＮＯ_X吸蔵還元触媒からのＳＯ_X放出（脱離）速度（ｍｇ／秒）とＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されたＳＯ_X量（ｍｇ）との関係を模式的に示す図である。

図４に示すように、ＳＯ_X放出速度はＮＯ_X吸蔵還元触媒のＳＯ_X吸蔵量（保持量）が増大するにつれて急激に大きくなる。図３のように開始値と終了値とが互いに平行な直線になるように設定した場合には、ＮＯ_X吸蔵還元触媒温度にかかわらず一回の被毒操作におけるＳＯ_X放出量（ＳＯ_X処理量）は同一の値（図３、ΔＳ）になる。

ところが、同じΔＳの量のＳＯ_Xを放出する場合であっても、図４に示すようにＮＯ_X吸蔵還元触媒のＳＯ_X吸蔵量が多い領域（図３にＡで示す）と少ない領域（同、Ｂで示す）とでは、放出速度が大幅に異なるため、放出に要する時間、すなわち被毒解消操作に要する時間も大幅に異なってくる。

図３の例では、開始値と終了値とは互いに平行な直線になるように設定されているため、一回の被毒解消操作におけるＳＯ_X処理量は同一の値ΔＳとなっている。しかし、図３から判るように、触媒温度が低い場合にはＮＯ_X吸蔵還元触媒の被毒解消操作はＳＯ_X吸蔵量が多い領域で行われるようになる。上述したように、この領域では被毒解消操作時のＳＯ_X放出速度が非常に大きくなっているためＳＯ_X吸蔵量が少ない領域に較べて短時間でΔＳの量のＳＯ_Xを放出することができる。このことは、ＳＯ_X吸蔵量が多い領域では、同一の量のＳＯ_Xを処理する被毒解消操作に要する時間を短くすることができ、それに応じて被毒解消操作に消費されるエネルギー量を低減することができることを意味している。

このため、図３のように被毒解消操作の開始値のみならず、終了値も触媒温度が高い程小さく（触媒温度が低い程大きく）設定することにより、触媒温度が低い場合にも効率的な被毒解消操作を行うことが可能となるのである。

また、図３のように、開始値と終了値とを互いに平行な直線として設定した場合には、ＮＯ_X吸蔵還元触媒温度が低い運転状態では機関のＳＯ_X発生量も小さくなるため、ΔＳの量のＳＯ_XがＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されるのに要する時間はＮＯ_X吸蔵還元触媒が高温の場合に較べて長くなる。

このため、図３の例でも被毒解消操作の実行頻度はＮＯ_X吸蔵還元触媒７温度が高いほど多くなる。これにより、本実施形態においては、効率の良い高温領域での被毒解消操作の実行頻度が大きくなるとともに、更に比較的実行頻度の少ない定温領域においても効率的な被毒解消操作を行うことが可能となるため、全体として極めて効率の良い被毒解消操作を行うことができる。

なお、図３では被毒解消操作の開始値と終了値とを平行な直線になるように設定しているが、例えばＮＯ_X吸蔵還元触媒７の温度が低い場合には高い場合に較べて開始値と終了値との差（すなわち、１回の被毒解消操作におけるＳＯ_X処理量）が小さくなるように図３点線で示したように終了値を設定して、ＮＯ_X吸蔵還元触媒温度が低い場合にも被毒解消操作の実行頻度がそれほど低下しないようにすることも可能である。この場合には、低温領域での被毒解消操作の実行頻度が増大するが、前述したように低温領域ではＳＯ_X吸蔵量が多くＳＯ_X放出速度が大きい状態で被毒解消操作が行われるため、被毒解消操作の実行頻度が増大しても機関の燃費増大が抑制されるようになる。

図５は本実施形態の被毒解消操作を具体的に説明するフローチャートである。
本実施形態では、図５の操作は、ＥＣＵ３０により一定時間毎に実行されるルーチンとして行われる。

図５において操作がスタートすると、ステップ５０１では被毒解消操作実行フラグＳの値が１にセットされているか否かが判定される。フラグＳは、現在被毒解消操作が実行中であるか否かを表すフラグであり、後述するステップ５１３で被毒解消操作開始とともに１（実行中）にセットされ、ステップ５２１で被毒解消操作終了とともに０（非実行中）にセットされる。

ステップ５０１でＳ≠１、すなわち現在被毒解消操作実行中でなかった場合には、次にステップ５０３に進み現在のＮＯ_X吸蔵還元触媒７床温が読み込まれる。
ＮＯ_X吸蔵還元触媒７床温は、触媒床に温度センサを配置して直接検出することも可能であるが、本実施形態では機関運転状態に基づいて触媒床温度を算出（推定）している。

すなわち、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７の単位時間当たりの温度変化は、触媒温度と排気温度との差と排気流量との関数となる。そこで、本実施形態では、予め触媒と排気との温度差、排気流量を変えて単位時間当たりの触媒温度上昇を実測し、触媒と排気との温度差、排気流量と単位時間当たりの触媒温度上昇幅との関係を求めて、ＥＣＵ３０のＲＯＭに数値テーブルの形で格納してある。また、機関運転状態（負荷、回転数）と排気温度、排気流量との関係についても実験などにより求めて同様な数値テーブルの形でＥＣＵ３０のＲＯＭに格納してある。

ＥＣＵ３０は、別途実行する図示しない触媒温度算出操作で、機関始動時から一定時間毎に機関運転状態に基づいて排気温度と排気流量とを算出するとともに、機関始動時の冷却水温度をＮＯ_X吸蔵還元触媒７温度の初期値として、算出した排気温度、流量と触媒温度とから単位時間当たりの触媒温度変化量を算出し、上記温度変化量を逐次積算することにより現在のＮＯ_X吸蔵還元触媒温度を算出している。

ステップ５０３では、上記触媒温度算出操作により算出した現在のＮＯ_X吸蔵還元触媒７温度が読み込まれる。
そして、ステップ５０５では上記により読み込んだＮＯ_X吸蔵還元触媒７温度を用いて、図３の関係から被毒解消操作の開始値ＣＳＳと終了値ＣＳＥとが設定される。
次いで、ステップ５０７では現在のＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＳＯ_X吸蔵量ＣＳが読み込まれる。

本実施形態では、ＥＣＵ３０は別途実行する図示しないＳＯ_X吸蔵量算出操作によりＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＳＯ_X吸蔵量を算出（推定）している。
リーン空燃比運転中に単位時間当たりにＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されるＳＯ_X量は機関１のＳＯ_X発生量に比例する。一方、機関のＳＯ_X発生量のほぼ全量は燃料中の硫黄分の燃焼によるものなので、機関の単位時間当たりのＳＯ_X発生量は機関の燃料噴射量に比例する。従って、単位時間当たりにＮＯ_X吸蔵還元触媒７が吸蔵するＳＯ_X量は機関の燃料噴射量に比例することになる。

そこで、上記ＳＯ_X吸蔵量算出操作では、機関のリーン空燃比運転中、ＥＣＵ３０は単位時間当たりの機関の燃料噴射量を求め、この燃料噴射量に予め実験により求めた係数を乗じた値をＮＯ_X吸蔵還元触媒が単位時間当たりに吸蔵したＳＯ_X量としている。従って、リーン空燃比運転中に上記単位時間当たりのＳＯ_X吸蔵量を積算することにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の現在のＳＯ_X吸蔵量ＣＳが精度良く算出（推定）される。
ステップ５０７では上記ＳＯ_X吸蔵量算出操作により算出された現在のＳＯ_X吸蔵量が読み込まれる。

なお、機関が理論空燃比またはリッチ空燃比で運転されている場合には、排気中のＳＯ_XはＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されないため、上記ＳＯ_X吸蔵量の算出はリーン空燃比運転時のみ行われる。また、後述するように被毒回復操作の実行中は、ＳＯ_Xの放出に応じてＳＯ_X吸蔵量は低減される。

上記によりＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＳＯ_X吸蔵量を読み込んだ後、ステップ５０９では現在のＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＳＯ_X吸蔵量ＣＳが、ステップ５０５で設定した被毒解消操作開始値ＣＳＳ以上になっているか否かを判定する。

ステップ５０９でＣＳ≧ＣＳＳであった場合には、現在のＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＳＯ_X吸蔵量が被毒解消操作解消操作の開始値ＣＳＳを越えて増大しているため、ステップ５１１に進み被毒解消操作を開始する。

前述したように、本実施形態では被毒解消操作は一部の気筒をリッチ空燃比で運転することにより行う。
すなわち、ステップ５１１で被毒解消操作が開始されるとＥＣＵ３０は、機関１の＃１、＃４気筒をリッチ空燃比で運転し、＃２、＃３気筒をリーン空燃比で運転する。また、上記リーン空燃比とリッチ空燃比とは、機関１全体としての平均運転空燃比が理論空燃比よりややリッチ側になる値に選択される。

これにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７には未燃ＨＣ、ＣＯ等の可燃成分を多量に含む＃１、＃４気筒からのリッチ空燃比排気と、酸素を多量に含む＃２、＃３気筒からのリーン空燃比排気とが到達し、触媒上で両者が混合して未燃ＨＣ、ＣＯ成分が燃焼するようになり、燃焼熱により触媒温度が上昇する。

なお、被毒解消操作では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７温度を、ＳＯ_X放出が生じる所定温度（約８７０度Ｋ以上、好ましくは約９００度Ｋ以上）にまで床温させる間は上記リッチ空燃比運転気筒の空燃比とリーン空燃比運転気筒との空燃比差を大きく（＃１、＃４気筒の運転空燃比をかなりリッチに、＃２、＃３気筒の運転空燃比をかなりリーンに）設定するが、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７の温度が上記所定温度に到達した後は上記空燃比差はＮＯ_X吸蔵還元触媒７を上記所定温度に維持するのに十分な程度の比較的小さな値に設定される。

ステップ５１１で被毒解消操作を開始後、ステップ５１３では前述の被毒解消操作実行フラグＳの値が１に設定される。

なお、ステップ５０９でＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＳＯ_X吸蔵量ＣＳが被毒解消操作開始値ＣＳＳに到達していない場合には、ステップ５１１、５１３は実行せずにステップ５０９の後、直ちに今回の操作の実行を終了する。この場合には、被毒解消操作は開始は行われず通常の運転が続行される。

一方、ステップ５１３で被毒解消操作実行フラグＳの値が１にセットされた場合には、次回の本操作実行時にはステップ５０１でＳ＝１（被毒解消操作実行中）と判定される。
この場合には、次にステップ５１５が実行され、現在のＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＳＯ_X吸蔵量ＣＳが読み込まれる。

前述したように、被毒解消操作実行中はＮＯ_X吸蔵還元触媒７から吸蔵したＳＯ_Xが放出されるため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＳＯ_X吸蔵量は減少する。また、その減少速度はＮＯ_X吸蔵還元触媒からのＳＯ_X放出速度に等しい。

本実施形態では、ＥＣＵ３０が別途実行するＳＯ_X吸蔵量算出操作では、被毒解消操作実行中一定時間毎にＳＯ_X吸蔵量ＣＳの値が減量される。また、ＳＯ_X吸蔵量ＣＳの一回当たりの減量量は、現在のＳＯ_X吸蔵量ＣＳの値から図４の関係に基づいて決定されるＳＯ_X放出速度に比例した値とされる。これにより、ＣＳの値は被毒解消操作実行中も正確に実際のＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＳＯ_X吸蔵量に対応するようになる。

ステップ５１５でＳＯ_X吸蔵量ＣＳを読み込んだ後、ステップ５１７では現在のＳＯ_X吸蔵量ＣＳが、ステップ５０５で設定した被毒解消操作終了値ＣＳＥまで低下したか否かを判定する。
ステップ５１７でＳＯ_X吸蔵量ＣＳが被毒解消操作終了値ＣＳＥまで低下していた場合（ＣＳ≦ＣＳＥ）には、次にステップ５１９が実行され被毒解消操作が停止される。

この場合、ＥＣＵ３０は＃１から＃４の気筒の被毒解消操作開始前の空燃比（全気筒同一のリーン空燃比）での運転を再開する。これにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＳＯ_X吸蔵量は再度増大を開始する。
また、ステップ５１７でＣＳ＞ＣＳＥであった場合には、ステップ５１７の後、今回の本操作の実行は終了し、被毒解消操作は続行される。

なお、図２の例のように被毒解消操作開始値のみを排気温度に応じて変化させる場合には、ステップ５０５では、開始値ＣＳＳの値のみが図２の関係に基づいてＮＯ_X吸蔵還元触媒７温度に応じて設定され、終了値ＣＳＥの値は適宜な一定値とされる。

本発明を自動車用内燃機関に適用した場合の、実施形態の概略構成を説明する図である。 触媒温度に応じた被毒解消操作開始値の設定例を示す図である。 触媒温度に応じた被毒解消操作開始値及び終了値の設定例を示す図である。 ＮＯ_X吸蔵還元触媒からのＳＯ_X放出速度とＳＯ_X吸蔵量との関係を模式的に示す図である。 本発明の被毒解消操作の一例を具体的に説明するフローチャートである。

符号の説明

１ 機関本体
２ 排気通路
５ａ、５ｂ スタートキャタリスト（ＳＣ）
７ ＮＯ_X吸蔵還元触媒
３０ ＥＣＵ（電子制御ユニット）

Claims (4)

1. 流入する排気がリーン空燃比のときに排気中のＮＯ _X 成分を吸蔵し、流入する排気がリッチ空燃比になったときに吸蔵したＮＯ _X を還元浄化するとともに、排気中のＳＯ _X 成分を吸蔵して排気浄化能力が低下する排気浄化触媒を備え、前記排気浄化触媒のＳＯ _X 成分の吸蔵量が増大して所定の開始値に到達したときに前記排気浄化触媒の温度を上昇させて前記吸蔵したＳＯ _X 成分を排気浄化触媒から放出させる被毒解消操作を開始する内燃機関の排気浄化装置において、
   前記被毒解消操作開始前の排気浄化触媒温度に応じて、前記被毒解消操作実行による機関燃費の増大を抑制するように前記開始値を変更する内燃機関の排気浄化装置。
2. 更に、前記被毒解消操作実行中に前記排気浄化触媒の前記ＳＯ _X 成分の吸蔵量が低下して所定の終了値に到達したときに被毒解消操作を終了するとともに、前記被毒解消操作開始前の排気浄化触媒温度に応じて、前記被毒解消操作実行による機関燃費の増大を抑制するように前記終了値を変更する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記被毒解消操作開始前の排気浄化触媒温度が高いほど、前記開始値の値が小さくなるように前記開始値の値を変更する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記被毒解消操作開始前の排気浄化触媒温度が高いほど、前記開始値と前記終了値の値が小さくなるように前記開始値と終了値の値を変更する、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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