JP3966040B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

【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関し、詳細には排気中の特定物質の吸収または吸着により低下した触媒の排気浄化能力を効率的に回復させることが可能な内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気中の特定物質の吸収または吸着により排気浄化能力が低下するＮＯ_X浄化触媒としては、例えば、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中の窒素酸化物（ＮＯ_X）を吸着、吸収またはその両方にて選択的に吸蔵保持し、流入する排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比となったときに、吸蔵したＮＯ_Xを排気中の還元成分を用いて還元浄化するＮＯ_X吸蔵還元触媒が知られている。ＮＯ_X吸蔵還元触媒は、排気中に硫黄酸化物（ＳＯ_X）が存在すると、ＮＯ_Xの場合と同様に排気中のＳＯ_Xが吸着または吸収によりＮＯ_X吸蔵還元触媒中に吸蔵されてしまう。また、ＮＯ_Xの場合と異なり、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されたＳＯ_Xは、排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比になった場合でもＮＯ_Xが還元される程度の温度ではＮＯ_X吸蔵還元触媒から放出されないため、機関運転中ＮＯ_X吸蔵還元触媒内に吸蔵されるＳＯ_X量は徐々に増大するようになる。
【０００３】
ところが、ＮＯ_X吸蔵還元触媒中に吸蔵保持されたＳＯ_X量が増大すると、それに応じて触媒のうちＮＯ_Xを吸蔵可能な容積部分が減少する。このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵保持するＳＯ_X量が増大するにつれてＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵能力が低下するようになり触媒に吸蔵されずに通過するＮＯ_X量が増大するようになる。すなわち、排気中のＮＯ_Xのうち触媒により浄化されないＮＯ_Xの量が増大するようになる。本明細書では、ＳＯ_Xの吸蔵により触媒のＮＯ_X吸蔵能力が低下、すなわちＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X浄化能力が低下する現象をＮＯ_X吸蔵還元触媒のＳＯ_X被毒と称している。つまり、ＮＯ_X吸蔵還元触媒は排気中の特定物質である硫黄酸化物の吸着または吸収により被毒が生じ排気浄化能力が低下するのである。
【０００４】
このようにＳＯ_Xの吸蔵により低下したＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X浄化能力は、吸蔵したＳＯ_XをＮＯ_X吸蔵還元触媒から放出させることにより回復可能である。
しかし、吸蔵したＳＯ_XをＮＯ_X吸蔵還元触媒から放出させるためにはＮＯ_X吸蔵還元触媒による通常のＮＯ_X還元時と同様に排気の空燃比を理論空燃比またはその近傍のリッチにさせるだけでなく、排気温度を通常のＮＯ_X還元時より高く設定する、通常のＮＯ_X還元操作とは異なる条件の被毒解消操作を実行する必要がある。
【０００５】
例えば、この種の被毒解消操作を行いＮＯ_X吸蔵還元触媒のＳＯ_X被毒を解消するようにした内燃機関の排気浄化装置の例としては、特開平６−６６１２９号公報に記載されたものがある。
同公報の装置は機関排気通路に配置した、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯ_Xを吸着、吸収またはその両方にて選択的に吸蔵保持し、流入する排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比となったときに、吸蔵したＮＯ_Xを排気中の還元成分を用いて還元浄化するＮＯ_X吸蔵還元触媒の硫黄（ＳＯ_X）吸収量を推定し、推定したＳＯ_X吸収量が予め定めた一定量以上になった場合には、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に設置した電気ヒータにより触媒温度を上昇させるとともに機関の運転空燃比を理論空燃比に切換えてＮＯ_X吸蔵還元触媒に理論空燃比の排気を供給する被毒解消操作を行う。これにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒には通常より高温かつ空燃比の低い排気が供給されるため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵された硫黄（ＳＯ_X）が放出され、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X浄化能力が回復する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記特開平６−６６１２９号公報の装置では、ＳＯ_X被毒解消のための被毒解消操作を効率的に行うことができない問題がある。
ＮＯ_X吸蔵還元触媒はＳＯ_X吸蔵量が同一であっても触媒の使用条件、例えば機関の運転状態が異なると使用上問題が生じる場合と生じない場合があるのである。
【０００７】
例えば、機関のＮＯ_X発生量（ｍｇ／ｓｅｃ）は機関が高負荷高回転で運転されるほど増大する。従って、例えば高負荷高回転で機関が運転されている場合には比較的ＳＯ_X吸蔵量が小さく、ＮＯ_X吸蔵能力の低下が少ない場合でもＮＯ_X吸蔵還元触媒が排気中のＮＯ_Xの全量を浄化できなくなり、吸蔵されずにＮＯ_X吸蔵還元触媒を通過するＮＯ_X量が増大する場合が生じる。
一方、機関が低負荷低回転で運転されている場合には機関のＮＯ_X発生量は低くなる。このため、機関の高負荷高回転運転時にはＮＯ_X浄化能力が不足する程度の量のＳＯ_Xを吸蔵したＮＯ_X吸蔵還元触媒であっても、低負荷低回転運転時には排気中のＮＯ_Xの全量を充分に処理することができる場合がある。
【０００８】
すなわち、同一のＳＯ_X量を吸蔵したＮＯ_X吸蔵還元触媒であっても、機関の高負荷高回転運転時にはＮＯ_X浄化能力が不足するが、低負荷低回点運転時には充分なＮＯ_X浄化能力を発揮するような場合が生じるのである。
このため、上記特開平６−６６１２９号公報の装置のように、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＳＯ_X被毒解消操作を開始するＳＯ_X吸蔵量を機関運転状態にかかわりなく一律の値に設定していると効率的な被毒解消操作を行うことができない問題が生じるのである。
【０００９】
例えば、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の被毒解消操作を実行するＮＯ_X浄化能力判定値を高負荷高回転運転状態に適した値（比較的大きい値）に設定すると、機関の低負荷低回転運転が継続したような場合には、実際にはこの運転状態におけるＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X浄化能力は充分にあるにもかかわらず、ＳＯ_X被毒の解消のための被毒解消操作が実行されてしまい、機関の燃費が増大する等の問題が生じる。
また、逆に被毒解消操作実行のためのＮＯ_X浄化能力判定値を低負荷低回転運転状態に適した値（比較的小さい値）に設定すると、高負荷高回転運転時には実際にはＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X浄化能力が不足しているにもかかわらず被毒解消操作が実行されず、排気性状が悪化したままで運転が継続される場合が生じるのである。
【００１０】
本出願は、上記問題に鑑み、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＳＯ_X被毒解消を効率的に行うことにより、燃費の増大や排気性状の悪化を防止することが可能な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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、機関排気系に配置され、排気中のＮＯ_Xを浄化するとともに排気中の特定物質を吸着もしくは吸収により保持し、保持量の増大に応じて前記ＮＯ_Xの浄化能力が低下するＮＯ_X浄化触媒と、前記ＮＯ_X浄化触媒の前記特定物質の保持量増大によるＮＯ _X 浄化能力の低下を検出する被毒検出手段と、該検出されたＮＯ _X 浄化能力が所定の判定値以下であるときに、前記ＮＯ_X浄化触媒が被毒していると判定する被毒判定手段と、前記被毒判定手段により前記ＮＯ_X浄化触媒が被毒したと判定されたときに、前記ＮＯ_X浄化触媒から前記特定物質を放出させる被毒解消操作を行う被毒解消手段と、を備え、前記被毒判定手段の前記所定の判定値は、高負荷高回転運転領域では低負荷低回転運転領域より大きく設定されることを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１２】
すなわち、請求項１の排気浄化装置ではＮＯ_X浄化触媒に特定物質による被毒（ＮＯ_X浄化能力低下）が生じているか否かの判定の際に、ＮＯ_X浄化能力の判定値機関の運転状態、例えば機関負荷トルクと回転数と、に応じて異なる値に設定している。
例えば、高負荷高回転運転領域では機関のＮＯ_X発生量が多く、ＮＯ_X浄化触媒の特定物質保持量が少なく比較的ＮＯ_X浄化能力が高い場合でも触媒により浄化されずに下流側に流出するＮＯ_X量が増加するため、高負荷高回転運転領域では上記判定値は比較的大きな値に設定され、比較的ＮＯ_X浄化能力が高い状態でも被毒解消操作が行われる。
また、例えば低負荷低回転運転領域では機関のＮＯ_X発生量が少なく、ある程度ＮＯ_X浄化触媒のＮＯ_X浄化能力が低下していていてもＮＯ_X浄化触媒は排気中のＮＯ_Xを浄化することができる。このため、低負荷低回転運転領域では判定値は比較的小さな値に設定され、ある程度ＮＯ_X浄化触媒のＮＯ_X浄化能力が低下するまでＳＯ_X被毒解消操作が行われない。
すなわち、ＮＯ_X浄化能力判定値を運転領域毎に設定することにより、被毒解消操作が運転状態から見て真に必要な場合にのみ実行されるようになる。これにより、本発明ではＮＯ_X浄化触媒の被毒解消操作を効率的に実行することが可能となり、燃費の増大や排気性状の悪化が防止される。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、前記被毒解消手段は、複数の種類の被毒解消操作の中から前記機関の運転状態に応じて選択した被毒解消操作を実行し、前記ＮＯ_X浄化触媒から前記特定物質を放出させることを特徴とする、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。
【００１４】
すなわち、請求項２の排気浄化装置では被毒解消操作を実行する際に、複数の種類の被毒解消操作の中から運転状態に応じた被毒解消操作が選択される。例えば、特定物質による被毒の例としてＮＯ_X吸蔵還元触媒のＳＯ_X被毒について考えると、ＳＯ_Xを触媒から放出させて被毒を解消するためには触媒温度をある温度以上に上昇させることが必要となる。この場合、被毒解消操作を行うためには触媒温度を上昇させる必要があるが、このためには排気温度を上昇させることにより触媒温度を上昇させる方法や、或は触媒で燃料を燃焼させて触媒自体の温度を上昇させる方法等、いくつかの方法が考えられる。しかし、これらの方法は昇温効果や機関の運転、或は燃料消費量に与える影響の程度が異なっている。例えば、機関が排気温度の高い運転状態で運転されている場合には、点火時期をわずかに遅角させるだけで被毒解消操作に必要な温度まで触媒温度を上昇させるのに充分な排気温度を得ることができ、被毒解消操作による機関の運転や燃費への影響は少ない。しかし、機関が排気温度の低い状態で運転されている場合には、触媒温度を被毒解消操作に必要な温度まで上昇させるためには点火時期の遅角では不十分であり、他の手段（例えば触媒上で燃料を燃焼させる）等の手段が必要となり、機関の運転や燃費に与える影響が比較的大きくなる。
【００１５】
このため、運転状態にかかわらず同一の被毒解消操作を行っていたのでは充分な被毒解消を行うことができなかったり、或は機関の燃費が悪化したりする場合が生じる。
本発明では、被毒解消操作を行う場合に一律に同じ操作を行うのではなく機関運転状態に応じて最適な被毒解消操作を選択することにより、効率的な被毒解消操作を行うことが可能となる。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、前記被毒解消手段は、前記被毒判定手段により前記ＮＯ_X浄化触媒が被毒していると判定され、更に機関の運転状態が所定の運転条件を満たしたときに前記被毒解消操作を実行するとともに、前記ＮＯ_X浄化触媒が被毒していると判定されたときには、機関の運転状態が前記所定の運転条件を満たさない場合には前記機関を理論空燃比で運転する、請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１７】
すなわち、請求項３の排気浄化装置では、ＮＯ_X浄化触媒が被毒していると判定された場合にも、直ちには被毒解消操作を開始せず機関の運転状態が所定の条件を満たしたときに始めて被毒解消操作を実行する。例えば、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＳＯ_X被毒解消のための被毒解消操作では、触媒温度が所定の温度以上になっていることが必要となる。この場合、機関の排気温度が低い状態で被毒解消操作を開始すると触媒温度を上昇させるために多くのエネルギが必要となり機関の燃費の増大幅が大きくなる。これに対して、機関が排気温度の高い状態で被毒解消操作を開始した場合にはもともと触媒温度が高いため、触媒温度を上昇させるためのエネルギ量は小さくなり被毒解消操作実行により生じる機関の燃費増大幅は小さくなる。
従って、機関排気温度が低い場合には、運転状態が変化して機関排気温度が上昇するまで待ってから被毒解消操作を行うことが好ましい。
【００１８】
しかし、この場合すでにＮＯ_X吸蔵還元触媒がＳＯ_X被毒によりＮＯ_X浄化能力の低下を生じているのであるから、機関のリーン空燃比運転のままで機関排気温度が上昇するのを待つと、排気中のＮＯ_Xが浄化されなくなる可能性がある。そこで、本発明ではＮＯ_X吸蔵還元触媒の被毒が生じている場合には機関運転状態の変化により排気温度が所定値まで上昇するまでの間、機関を理論空燃比で運転する。ＮＯ_X吸蔵還元触媒は排気空燃比が理論空燃比であるときには三元触媒と同様に排気中のＮＯ_X及び、ＨＣ、ＣＯ等の成分を浄化することができるため、機関を理論空燃比で運転することにより、機関排気性状の悪化を生じることなく被毒解消操作実行のための温度条件が成立するのを待つことができる。
このように、本発明ではＮＯ_X浄化触媒の被毒生じたと判定された場合に機関を理論空燃比で運転し、被毒解消実行のための条件が成立するのを待つことにより、機関排気性状の悪化を防止しつつ効率的にＮＯ_X浄化触媒の被毒解消操作を行うことが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
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示す図である。
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、各気筒には気筒内に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射弁（図示せず）が設けられている。本実施形態の内燃機関１は、理論空燃比より高い（リーン）空燃比から理論空燃比より低い（リッチ）空燃比までの広い範囲の空燃比で運転可能な機関とされている。
【００２０】
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。）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、公知の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。
【００２１】
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空燃比センサである。空燃比センサ２９ａ、２９ｂ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センサで、その出力は機関１の空燃比制御に使用される。
本実施形態では、合流後の排気通路２には、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７が配置されている。ＮＯ_X吸蔵還元触媒７は、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯ_Xを吸着、吸収またはその両方にて選択的に保持（吸蔵）し、流入する排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比となったときに、吸蔵したＮＯ_Xを排気中の還元成分を用いて還元浄化するものである。
【００２２】
図１に９ｂで示すのは、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７に流入する排気の温度を低下させるための冷却排気通路として機能するＵ字排気管である。排気管９ｂは、Ｕ字型（正確にはループ状）の排気管の両端を排気通路２のＮＯ_X吸蔵還元触媒７入口部分９ａに接続した構成とされる。
排気管９ａへのＵ字排気管９ｂ接続部９には切換弁９ｃが設けられている。切換弁９ｃは、排気をＵ字排気管９ｂを通ってＮＯ_X吸蔵還元触媒７に流入させる位置と、直接入口配管９ａを通ってＮＯ_X吸蔵還元触媒７に流入する位置との２つの位置に切換可能とされ、後述するＮＯ_X吸蔵還元触媒７の温度調整に用いられる。
【００２３】
図１に３０で示すのは、機関１の燃料噴射制御、点火時期制御等の基本制御を行う電子制御ユニット（ＥＣＵ）である。ＥＣＵ３０は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、中央演算装置（ＣＰＵ）を双方向性バスで互いに接続した公知の形式のマイクロコンピュータとして構成され、本実施形態では上記基本制御の他に、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７の吸蔵したＮＯ_X量の増大に応じて短時間機関を理論空燃比またはリッチ空燃比で運転して触媒７の吸蔵したＮＯ_Xを還元する公知のＮＯ_X還元操作を行うと共に、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＳＯ_X吸蔵（ＳＯ_X被毒）により低下したＮＯ_X浄化能力低下を回復させるために、後述するＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＳＯ_X被毒解消操作を行う。
【００２４】
これらの制御のため、ＥＣＵ３０の入力ポートには機関１の吸気量、回転数、冷却水温度、アクセル開度（スロットルペダルの踏込み量）等の運転状態を表すパラメータがそれぞれ図示しないセンサから入力されている他、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７に流入する排気温度ＴＥＸに対応する信号がＮＯ_X吸蔵還元触媒７入口排気管９ａに配置された排気温度センサ９ｄから入力されている。
ＥＣＵ３０の出力ポートは、燃料噴射弁や点火プラグ（図示せず）に接続されている他、上述の排気切換弁９ｃのアクチュエータ（図示せず）に接続され、切換弁９ｃの動作を制御している。
【００２５】
また、本実施形態ではＮＯ_X吸蔵還元触媒７下流側の排気通路には排気中のＮＯ_X濃度を検出するＮＯ_Xセンサ１０が配置されており、ＮＯ_X濃度に対応する出力信号がＥＣＵ３０に入力されている。本実施形態で使用されるＮＯ_Xセンサは、内蔵した還元触媒により排気中のＮＯ_X（ＮＯ、ＮＯ₂）をＮＯ→（１／２）Ｎ₂＋（１／２）Ｏ₂、またはＮＯ₂→（１／２）Ｎ₂＋Ｏ₂の反応により還元し、それにより発生した酸素の量を検出することにより排気中のＮＯ_X濃度を算出する形式のものである。
【００２６】
前述したように、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７は流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯ_Xを選択的に吸蔵し、排気の空燃比が理論空燃比又はリッチになったときに、吸蔵したＮＯ_Xを排気中の還元物質を用いてＮ₂に還元浄化する。本実施形態の内燃機関１は、リーン空燃比からリッチ空燃比までの広い範囲の空燃比で運転可能であり、機関負荷が高い領域を除いた大部分の運転領域ではリーン空燃比運転を行う。
【００２７】
機関がリーン空燃比運転されている状態では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７を通過する排気中のＮＯ_XはＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵され排気中から除去される。また、リーン空燃比運転が継続すると、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７中に吸蔵されたＮＯ_X量が増大し、次第にＮＯ_X吸蔵還元触媒７中に保持可能な限界量（最大吸蔵量）に近づくようになる。触媒７に吸蔵されたＮＯ_X量が最大吸蔵量に到達するとＮＯ_X吸蔵還元触媒７はもはやＮＯ_Xを吸蔵することはできず、排気中のＮＯ_Xは触媒７に吸蔵されることなくそのまま触媒７を通過するようになる。また、最大吸蔵量に到達しないまでも、触媒７のＮＯ_X吸蔵量が最大吸蔵量に近づくと触媒７のＮＯ_X吸蔵能力は低下し、流入する排気中のＮＯ_Xのうち触媒７に吸蔵されないまま触媒７を通過するＮＯ_X量が増大するため、エミッションが悪化するようになる。
【００２８】
ＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＮＯ_Xの理論上の最大吸蔵量は触媒７の組成と容量とにより定まる。そこで、本実施形態では機関のリーン運転中ＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯ_X量を推定し、この推定ＮＯ_X量が触媒７の理論上の最大ＮＯ_X吸蔵量の所定割合に到達したときに短時間機関を理論空燃比またはリッチ空燃比で運転するリッチスパイク操作を行うことにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯ_Xを還元するようにしている。
リッチスパイク操作を行うことにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７中に吸蔵されたＮＯ_XはＮ₂の形で放出され、触媒７の吸蔵量はほぼゼロまで低下するためＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＮＯ_X吸蔵還元能力が回復する。
【００２９】
ところが、機関の排気には通常、燃料や潤滑油に含まれる微量の硫黄分の燃焼により生成される硫黄酸化物（ＳＯ_X）が含まれている。排気中のＳＯ_XはＮＯ_Xと同様にリーン空燃比雰囲気でＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵され、リッチ空燃比下でＳＯ_Xとして触媒７から放出される。しかし、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＮＯ_Xは空燃比を理論空燃比以下にすることにより比較的低い温度でＮ₂に還元されるのに対して、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＳＯ_Xは通常のＮＯ_X還元操作時より高い温度にならないとＮＯ_X吸蔵還元触媒７から放出されない。
従って、吸蔵したＮＯ_Xの還元のために行う通常のリッチスパイクではＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵されたＳＯ_Xはほとんど触媒から放出されず、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７中に吸蔵されたＳＯ_Xの量は時間とともに増大するようになる。
【００３０】
ＮＯ_X吸蔵還元触媒７中に吸蔵されたＳＯ_Xが存在すると、その量に相当するだけＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵可能な最大ＮＯ_X量が低下する。すなわち、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されたＳＯ_X量が増大するにつれてＮＯ_X吸蔵還元触媒の実際のＮＯ_X最大吸蔵量が低下するようになる。
このため、ＳＯ_X吸蔵量が増大するとＮＯ_X吸蔵還元触媒７は吸蔵したＮＯ_X量が比較的少量であってもＮＯ_X吸蔵能力が低下してしまい排気中のＮＯ_Xのうち吸蔵されずに触媒７を通過する割合が増大し、排気エミッションが悪化するようになる。
本明細書では、上述のようにＳＯ_X吸蔵量の増大によりＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵能力が低下する現象をＳＯ_X被毒と称している。
【００３１】
後述するように、本実施形態ではＳＯ_X吸蔵によるＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＮＯ_X吸蔵能力の低下を検出し、予め定めた判定値以下にＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵能力が低下している場合にＳＯ_X被毒が生じたと判定する。また、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７にＳＯ_X被毒が生じたと判定された場合には、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７から吸蔵したＳＯ_Xを放出させる被毒回復操作を行う。
【００３２】
前述したように、ＮＯ_X吸蔵還元触媒から吸蔵したＳＯ_Xを放出させるためには、ＮＯ_Xの還元のための通常のリッチスパイク時より触媒温度を高くする必要がある。そこで本実施形態では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７の被毒回復操作として、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７に流入する排気空燃比を理論空燃比またはその近傍のリッチ空燃比に維持し、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の温度をＳＯ_Xが放出される温度まで上昇させる操作を行う。
この被毒回復操作によりＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵能力は回復し、排気エミッションの悪化が防止される。
【００３３】
ＳＯ_X被毒回復操作では機関運転空燃比のリッチ側へのシフトと排気温度の上昇とが必要になるため被毒回復操作を実行すると機関燃料消費量が増大する。従って、ＳＯ_X被毒回復操作の実行頻度は必要最小限に留めることが必要となる。
ところが、前述したように、特開平６−６６１２９号公報の装置ではＮＯ_X吸蔵還元触媒のＳＯ_X吸蔵量を推定し、運転中にＳＯ_X吸蔵量推定値が一律に一定値に到達する毎にＳＯ_X被毒回復操作を行っている。このため、必ずしも必要がない場合までＳＯ_X被毒回復操作が行われる場合が生じるおそれがある。
【００３４】
例えば、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵能力はＳＯ_X吸蔵量が増大するにつれて低下する。しかし、機関のＮＯ_X発生量によっては低下したＮＯ_X吸蔵能力であっても充分に排気の浄化が可能な場合がある。すなわち、機関のＮＯ_X発生量が多い場合にはＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵能力が少し低下しただけで排気中のＮＯ_Xの全量を浄化することができなくなるが、機関のＮＯ_X発生量が少ない場合にはかなりＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵能力が低下した状態でも充分に排気中のＮＯ_Xの全量を浄化することができる。
【００３５】
従って、ＳＯ_X被毒回復操作を実行するＳＯ_X吸蔵量を機関の実際の運転条件にかかわらず一律に機関のＮＯ_X発生量が多い運転状態に合わせて設定していると、例えば実際には機関がＮＯ_X発生量の少ない運転状態で運転されており、ＮＯ_X吸蔵還元触媒がまだ充分に排気中のＮＯ_Xを浄化可能であるにもかかわらずＳＯ_X被毒が生じたと判定され、被毒回復操作が実行される場合が生じる。
また、逆にＳＯ_X被毒回復操作を実行するＳＯ_X吸蔵量を機関のＮＯ_X発生量の少ない運転状態に合わせて設定していると、機関がＮＯ_X発生量の多い運転状態で運転されている場合には、本来ＳＯ_X被毒回復操作が必要となっているのにＳＯ_X被毒回復操作が実行されずに、未浄化のＮＯ_XがＮＯ_X吸蔵還元触媒を通過してしまう場合が生じるのである。
【００３７】
以下、本発明の、（１）運転条件に応じたＳＯ_X被毒判定値（ＳＯ_X被毒回復操作を実行するＮＯ_X浄化能力の判定値）の設定、（２）ＳＯ_X被毒判定方法、（３）ＳＯ_X被毒回復操作、のそれぞれの実施形態について順に説明する。
【００３８】
（１）ＳＯ_X被毒判定値の設定
まず、運転状態に応じたＳＯ_X被毒判定値の設定について説明する。
前述したように、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X浄化能力の低下の程度が同一であっても機関の運転状態（ＮＯ_X発生量）によって排気エミッションの悪化が問題になる場合と問題にならない場合とが存在する。
【００３９】
例えば、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X浄化能力を、流入する排気ガス中のＮＯ_Xの量のうち触媒によりＮ₂に還元されるＮＯ_X量の割合（パーセント）、または単にＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側の排気中のＮＯ_X濃度（ｐｐｍ）であらわすとする。上記のうち、触媒により還元されるＮＯ_X量の割合としてＮＯ_X浄化能力を表した場合には、ＮＯ_Xの浄化能力が同一であっても流入する排気中のＮＯ_X量（ｍｇ／ｓｅｃ）が多い場合にはそれに応じて未浄化のまま触媒下流側に通過するＮＯ_Xの量（ｍｇ／ｓｅｃ）も増大することになる。このため、機関がＮＯ_X発生量の少ない運転状態で運転されている場合には全体ととしてのＮＯ_X排出量も少なくなるが、機関のＮＯ_X排出量が多い場合にはＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X浄化能力が同一であってもＮＯ_Xの排出量が増大してＮＯ_X排出量の総量規制値を超えてしまう場合がある。
【００４０】
また、単純にＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側の排気中のＮＯ_X濃度（ｐｐｍ）でＮＯ_X浄化能力を表した場合には、ＮＯ_X浄化能力（下流側でのＮＯ_X濃度）が同一であっても排出されるＮＯ_Xの量が排気流量に応じて増大するため、機関の排気流量が大きい運転状態ではＮＯ_Xの総排出量は増大してしまう。
すなわち、実際にＮＯ_Xの排出量をある値以下に維持するためには許容可能なＮＯ_X浄化能力の低下を機関のＮＯ_X発生量や排気流量などの機関運転状態に応じて設定する必要があるのである。
【００４１】
本実施形態では、機関のリーン空燃比運転領域を複数の領域Ａｉに分割し、分割した領域毎にＮＯ_X吸蔵還元触媒の許容可能なＮＯ_X浄化能力最小値を設定している。図２は、本実施形態における運転領域の分割の一例を示す。本実施形態では、図２に示すように機関負荷（燃料噴射量ＱＪ）と機関回転数ＮＥとを用いて機関の運転領域を複数の領域Ａｉに分割し、各領域毎にＮＯ_X浄化能力の判定値を設定している。ここで、機関負荷は機関のＮＯ_X発生量と関係し、機関負荷が大きいほどＮＯ_X発生量も増大する。また、機関回転数は排気流量に関係し機関回転数が高いほど排気流量も増大する。従って、図２により設定されるＮＯ_X浄化能力の判定値は機関負荷（ＮＯ_X発生量）が高い領域ほど、また機関回転数（排気流量）が大きい領域ほど大きな値に設定されている。すなわち、ＳＯ_X被毒回復操作を実行するＮＯ_X浄化能力の判定値は、図２の右上の領域になるほど大きな値に設定されており、ＮＯ_X浄化能力の低下幅が小さい場合でもＳＯ_X被毒回復操作を実行するようにされている。
【００４２】
（２）ＳＯ_X被毒判定方法
本発明では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X浄化能力（ＮＯ_X吸蔵能力）の低下の程度に基づいてＮＯ_X吸蔵還元触媒のＳＯ_X被毒の有無を判定する。そこで、次に、ＮＯ_X浄化能力の推定方法の実施形態について説明する。図１の例では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７の下流側排気通路にＮＯ_Xセンサ１０が設けられており、このＮＯ_Xセンサ１０で検出した排気中のＮＯ_X濃度の変化に基づいてＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X浄化能力を推定する。以下、ＮＯ_Xセンサ出力を用いたＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X浄化能力推定方法の２つの実施形態を説明する。
【００４３】
１）ＮＯ_X浄化能力推定方法の第１の実施形態
前述したように、ＮＯ_X吸蔵還元触媒は吸蔵したＮＯ_Xが一定量に到達する毎にリッチスパイク操作を行い吸蔵したＮＯ_Xを還元する。ＮＯ_X吸蔵還元触媒にＳＯ_X被毒を生じていない場合でも、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の下流側排気中のＮＯ_XはＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯ_X量が増大するにつれて上昇する。
【００４４】
図３は、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X還元浄化のためのリッチスパイク操作実行後の、下流側排気中のＮＯ_X濃度ＲＮの時間変化を示し、図３のカーブＡはＮＯ_X吸蔵還元触媒にＳＯ_X被毒が生じていない場合を、カーブＢはＮＯ_X吸蔵還元触媒にＳＯ_X被毒を生じＮＯ_X浄化能力が低下している場合を示す。
【００４５】
図３、カーブＡに示すように、ＮＯ_X吸蔵還元触媒にＳＯ_X被毒が生じていない場合にはＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X最大保持量が大きいため、図３ＲＳ点でリッチスパイクが実行されＮＯ_X吸蔵還元触媒中のＮＯ_Xが全て還元されるとＮＯ_X吸蔵還元触媒は以後のリーン空燃比運転では排気中のＮＯ_Xの大部分を吸蔵するようになり、下流側排気のＮＯ_X濃度は大幅に低下する（図３、Ａｍｉｎ点）。また、その後リーン空燃比運転が続くとＮＯ_Xの吸蔵量の増大とともに徐々にＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵能力が低下するため、触媒下流側排気中のＮＯ_X濃度は時間とともに緩やかに上昇し、次回のリッチスパイクが実行される時（図３、ＲＳ′点）になっても下流側排気中のＮＯ_X濃度は比較的低く維持される。
【００４６】
これに対して、ＳＯ_X被毒が生じたＮＯ_X吸蔵還元触媒では、図３カーブＢに示すように、リッチスパイク後下流側排気中のＮＯ_X濃度は低下するものの、リッチスパイクによるＮＯ_X吸蔵能力の回復幅がＳＯ_X被毒のために小さくなっており、リッチスパイク直後の触媒下流側排気中のＮＯ_X濃度はＳＯ_X被毒を生じていない場合（Ａｍｉｎ）に較べて高くなる（図３、Ｂｍｉｎ点）。また、この場合リッチスパイク後のリーン空燃比運転では、比較的急激にＮＯ_X吸蔵能力が低下し触媒下流側排気中のＮＯ_X濃度は比較的短時間で大きく上昇するようになる。
【００４７】
本実施形態では、機関のリーン空燃比運転中の触媒下流側排気中のＮＯ_X濃度をＮＯ_Xセンサ１０で検出し、リッチスパイク実行後のＮＯ_X濃度最小値（図３、Ａｍｉｎ、Ｂｍｉｎ）が機関の運転領域（図２）毎に定まる所定値（ＫＭＩＮ）を越えており、かつ現在のＮＯ_X濃度が機関の運転領域（図２）毎に定まる所定値（ＫＭＡＸ）に到達した場合にはＳＯ_X被毒によりＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X浄化能力が低下したと判定するようにしている。
【００４８】
ここで、前述のようにＫＭＡＸ、及びＫＭＩＮの値は、機関負荷が高いほど、また機関回転数が高いほど小さな値に設定される。これにより、例えば機関のＮＯ_X発生量が多い場合や排気流量が大きい場合には下流側のＮＯ_X濃度が低い状態でもＳＯ_X被毒回復操作が実行されるようになり、ＮＯ_X排出量の増大が防止されるとともに、機関のＮＯ_X発生量が少ない場合や排気流量が小さい場合には下流側の排気ＮＯ_X濃度がある程度高くなるまでＳＯ_X被毒回復操作が実行されず、不要なＳＯ_X被毒回復操作の実行による機関の燃料消費量増大が防止されるようになる。
【００４９】
なお、本実施形態で、リッチスパイク後のＮＯ_Xセンサ出力最小値と現在のＮＯ_Xセンサ出力値との両方が所定値を越えた場合にのみ、ＳＯ_X被毒によるＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X浄化能力の低下が生じたと判定するのは、ＮＯ_Xセンサの出力の変化（ゼロ点の変動）の影響を極力小さくするためである。
【００５０】
また、通常、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の下流側にＮＯ_Xセンサを配置した場合には、ＮＯ_Xセンサで検出した排気中のＮＯ_X濃度がある値まで増大した場合にＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵により生じるＮＯ_X吸蔵能力が低下したと判断してリッチスパイクを実行している。しかし、本実施形態のようにＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側のＮＯ_Xセンサ出力に基づいてＳＯ_X被毒によるＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵能力の低下を判定する場合には、ＮＯ_Xセンサ出力がある値に上昇する毎にリッチスパイクを実行していたのでは、ＮＯ_Xセンサ下流側のＮＯ_X濃度がＫＭＡＸに到達する前にリッチスパイクが行われてしまい、ＳＯ_X被毒の有無を判定することが困難になる。そこで、本実施形態では、ＮＯ_Xセンサ出力に基づいてＳＯ_X被毒を判定する場合には、リッチスパイクのタイミングはいわゆる「ＮＯ_Xカウンタ」を用いて判定し、ＮＯ_Xセンサ出力は用いないようにしている。
【００５１】
すなわち、本実施形態ではＥＣＵ３０はリーン空燃比運転中の機関運転状態（例えば機関負荷（燃料噴射量）と機関回転数）とに基づいて、その運転状態における単位時間当りのＮＯ_X発生量（ｍｇ／ｓｅｃ）を予め実験により求めておいた関係を用いて算出し、リーン空燃比運転中このＮＯ_X発生量に所定の比率を乗じた値を積算してＮＯ_Xカウンタ値を逐次算出する。機関で単位時間当りに発生するＮＯ_X量のうち所定の比率の量のＮＯ_XがＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されると仮定すると、このＮＯ_Xカウンタ積算値はその時点におけるＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯ_X量に対応する値となる。ＥＣＵ３０は、このＮＯ_Xカウンタ値が所定値（例えば正常なＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X最大保持量の６０パーセント程度のＮＯ_X吸蔵量に対応する値）に到達したときにリッチスパイクを実行し、吸蔵したＮＯ_Xを還元浄化する。これにより、ＮＯ_Xセンサ出力を用いることなくリッチスパイクタイミングを決定することが可能となる。
【００５２】
２）ＮＯ_X浄化能力推定方法の第２の実施形態
次に、ＮＯ_Xセンサ出力に基づいたＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X浄化能力推定方法の第２の実施形態について説明する。
上述したＮＯ_X浄化能力推定方法の第１の実施形態では、ＮＯ_Xセンサ１０で検出したＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側の排気中のＮＯ_X濃度に基づいてＮＯ_X浄化能力を推定し、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量の推定とリッチスパイク操作実行タイミングの判定についてはＮＯ_Xカウンタを用いて行っていた。
これに対して、本実施形態ではＮＯ_Xセンサ出力に基づいてＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量の推定とリッチスパイク操作実行タイミングの判定を行い、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X浄化能力をリッチスパイク実行間隔に基づいて推定する点が相違している。
【００５３】
前述のように、機関のリーン空燃比運転中、ＮＯ_X吸蔵還元触媒は排気中のＮＯ_Xを吸蔵し、正常な触媒であってもＮＯ_X吸蔵量が増大するに従ってＮＯ_X浄化能力が低下するため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側排気中のＮＯ_X濃度は増大して行く。本実施形態では、ＮＯ_Xセンサ１０で検出したＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側排気中のＮＯ_X濃度ＲＮが予め定めたリッチスパイク判定値ＲＳＮまで増大した場合にリッチスパイク運転を行い、ＮＯ_X吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯ_Xを還元浄化するようにしている。
【００５４】
ＮＯ_X吸蔵還元触媒にＳＯ_X被毒によるＮＯ_X吸蔵能力の低下が生じていない場合には、リッチスパイク実施によりＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵能力は完全に回復するが、ＮＯ_X吸蔵還元触媒にＳＯ_X被毒によるＮＯ_X吸蔵能力の低下が生じているとリッチスパイクを実施してもＮＯ_X吸蔵能力は完全には回復しない。
図４は、リッチスパイク実施後のＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側排気中のＮＯ_X濃度の時間的変化を示す図である。図４においてカーブＡは正常なＮＯ_X吸蔵還元触媒の場合を、カーブＢはＳＯ_X被毒が生じているＮＯ_X吸蔵還元触媒の場合をそれぞれ示している。
【００５５】
図４において、ＲＳ１の時点でリッチスパイク操作が行われると、その後ＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側排気中のＮＯ_X濃度は低下した後リーン運転時間とともに増大する。そして、ＲＳ２の時点でＮＯ_X濃度がリッチスパイク実施判定値ＲＳＮに到達すると再度リッチスパイク操作が実施される。この場合、ＮＯ_X吸蔵還元触媒が正常な場合には、リッチスパイクの実施間隔ＲＳＴは比較的長くなっている。ところが、ＳＯ_X被毒が生じてＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵能力が低下するとＮＯ_X吸蔵還元触媒は少量のＮＯ_Xしか吸蔵できなくなるため、ＲＳ１でリッチスパイクが実施された後、ＲＳ２よりも前（ＲＳ２′）でリッチスパイクが実施される。すなわち、リッチスパイクの実施間隔ＲＳＴはＳＯ_X被毒が進につれて短くなる。
【００５６】
本実施形態では、触媒下流側のＮＯ_Xセンサ１０で検出した排気ＮＯ_X濃度が所定値ＲＳＮに到達する毎にリッチスパイク操作を実施するとともに、リッチスパイク操作の実施間隔ＲＳＴ（図４）を計測し、この実施間隔ＲＳＴが判定値ＲＳＴ０ｉより短くなった場合にはＳＯ_X被毒によりＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X浄化能力が低下したと判断し、ＳＯ_X被毒解消操作を行うようにしている。
【００５７】
ここで、ＳＯ_X被毒解消操作実行のための判定値ＲＳＴＯｉは、図２の各運転領域毎に設定されており、機関負荷が高いほど、また機関回転数が高い程、それぞれ大きな値になるようにされている。これにより、例えば機関のＮＯ_X発生量が多い場合や排気流量が大きい場合には比較的リッチスパイク実行間隔が長い場合でもＳＯ_X被毒回復操作が実行されるようになり、ＮＯ_X排出量の増大が防止されるとともに、機関のＮＯ_X発生量が少ない場合や排気流量が小さい場合にはリッチスパイク実行間隔がある程度短くなるまでＳＯ_X被毒回復操作が実行されず、不要なＳＯ_X被毒回復操作の実行による機関の燃料消費量増大が防止されるようになる。
【００５８】
なお、実際の運転では、リッチスパイク操作の実行間隔はＮＯ_X吸蔵還元触媒が正常であっても機関の過渡運転の影響などで一時的に短くなる場合がある。そこで、本実施形態では機関のリーン空燃比運転中にリッチスパイク実行間隔が判定値より短くなる場合が所定回数以上連続した場合に初めてＳＯ_X被毒解消操作を行うようにして、誤判定により不要なＳＯ_X被毒解消操作が実行されることを防止している。
【００５９】
（３）次に、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＳＯ_X被毒解消操作について説明する。本実施形態では、上述の何れかの方法でＮＯ_X吸蔵還元触媒にＳＯ_X被毒が生じていると判定された場合にはＳＯ_X被毒解消操作が行われ、ＮＯ_X吸蔵還元触媒から吸蔵したＳＯ_Xを放出させることによりＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X浄化能力（ＮＯ_X吸蔵還元能力）を回復させる。
前述したように、この操作はＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比を理論空燃比以下の空燃比に低下させるとともに、触媒温度をＳＯ_Xが放出される温度（例えば約９２０度Ｋ程度（約６５０度Ｃ））まで上昇させることにより行う。
【００６０】
ところが、機関運転中触媒温度は排気温度にほぼ等しい温度になっており、機関運転状態によって温度が異なっている。例えば高負荷高回転の運転領域では排気温度がかなり高くなっており、ＮＯ_X吸蔵還元触媒温度も上記ＳＯ_Xの放出温度近傍まで上昇している。この状態では、例えば機関運転空燃比を理論空燃比にするか、或はそれに加えてわずかに機関点火時期を遅角させる、等の操作を行えば機関の運転状態や燃料消費率にほとんど影響を与えることなくＳＯ_X被毒を解消することができる。
【００６１】
一方、例えば機関が低負荷低回転運転領域で運転されている場合には、機関排気温度がかなり低下しているためＮＯ_X吸蔵還元触媒温度も低くなっている。この場合には、単に機関空燃比を理論空燃比にしたり点火時期を遅角させた程度では触媒温度をＳＯ_X放出温度まで上昇させることはできない。例えば、この場合には機関の気筒のうち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、触媒上でリッチ空燃比気筒の排気に含まれる未燃炭化水素をリーン空燃比気筒の排気に含まれる酸素で燃焼させる、いわゆる「気筒バンク制御」や、各気筒の膨張行程または排気行程中に追加の燃料噴射を行い未燃燃料を触媒に供給して燃焼させるいわゆる「ポスト燃料噴射」等を実施する必要がある。この場合には機関運転状態や燃料消費量に対する影響は比較的大きくなる。
【００６２】
すなわち、ＳＯ_X被毒解消操作を行う場合も機関の運転状態にかかわらず同一の操作を行っていたのでは充分なＳＯ_X被毒の解消を行えなかったり、或は機関の運転状態に与える影響が大きくなったりする場合が生じる。
そこで、本実施形態では図２で設定した機関の運転領域に応じてＳＯ_X被毒解消操作の内容を変えるようにしている。
以下に本実施形態における機関運転領域毎のＳＯ_X被毒解消操作の設定について説明する。
【００６３】
１）理論空燃比運転（又は理論空燃比運転＋点火時期遅角）
本実施形態では、機関がリーン空燃比運転時で最も高負荷または高回転で運転されている場合には機関空燃比をリーン空燃比から理論空燃比に変更、或はそれに加えて点火時期をわずかに遅角する操作を行う。高負荷、高回転領域ではリーン空燃比運転であっても排気温度がかなり高くなっているため、理論空燃比への切換または、理論空燃比運転と点火時期遅角を併用することにより容易に触媒温度をＳＯ_X放出温度以上に昇温するのに充分な程度まで排気温度を上昇させることができる。
【００６４】
２）排気通路の切換
上記の高負荷、高回転領域よりやや負荷、回転数が低い領域では、理論空燃比運転のみでは排気温度が充分に上昇しないようになる。本実施形態では、この領域では排気通路の触媒入口に設けた切換弁９ｃを、直接排気通路２から触媒７に排気が流入する位置に切換えることにより、高温の排気を触媒７に供給して触媒温度を上昇させている。
【００６５】
図５（Ａ）、（Ｂ）は切換弁９ｃの位置による排気流の変化を示している。例えば、機関始動時等のように排気温度が低い場合には本実施形態では排気切換弁９ｃを図５（Ａ）の位置に切換える。これにより、排気は排気通路２からＵ字排気管９ｂを通ることなく直接触媒７に流入するため、比較的温度低下の少ない状態で触媒７に供給される。これにより、機関始動後に触媒７を短時間で昇温することができる。
【００６６】
一方、機関の暖機が完了し排気温度が充分に上昇した状態では排気切換弁９ｃは図５（Ｂ）の位置に切換えられる。これにより、機関排気は切換弁９ｃにより排気通路２からＵ字排気管９ｂとの接続部Ａに導かれてＵ字排気管９ｂに流入し、Ｕ字排気管９ｂ内を流れた後接続部Ｂから触媒７に流入する。このため、排気はＵ字排気管９ｂ壁面からの放熱により冷却され、比較的温度低下の大きい状態で触媒７に流入するようになる。これにより、触媒７が過熱状態になることが防止される。
【００６７】
本実施形態では、理論空燃比運転のみでは排気温度を充分に上昇させることができない運転領域では、機関の理論空燃比運転を行うとともに排気切換弁を図５（Ａ）の位置に切換える。これにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７に流入する排気の温度が上昇するため、理論空燃比運転のみでは充分な排気温度を得られない運転領域においても、触媒をＳＯ_X放出温度まで加熱することが可能となる。
【００６８】
３）気筒のバンク制御
上記の排気通路切換によりＳＯ_X被毒解消操作を行う運転領域より更に低負荷低速の運転状態では、一部の気筒をリッチ空燃比で運転し、残りの気筒をリーン空燃比で運転する気筒のバンク制御により触媒温度を上昇させる。
本実施形態では、第１、第４気筒と第２、第３気筒とがそれぞれ独立した排気マニホルド２１ａ、２１ｂに接続され別の気筒群（バンク）を形成している。ＳＯ_X被毒解消操作を行う場合には、第１、第４気筒群と第２、第３気筒群のうち一方の気筒群をリッチ空燃比で運転し、他方の気筒群をリーン空燃比で運転する。これにより、リッチ空燃比運転される気筒群からは未燃炭化水素成分を多く含むリッチ空燃比の排気が排出され、リーン空燃比運転される気筒群からは酸素を多く含むリーン空燃比の排気が排出される。これらの排気は、合流排気通路２で混合して未燃炭化水素と酸素との両方を多く含む理論空燃比近傍の排気となりＮＯ_X吸蔵還元触媒７に流入する。このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７上では排気中の比較的多量の未燃炭化水素等が酸素と反応（燃焼）するようになり、反応熱によりＮＯ_X吸蔵還元触媒７温度が上昇するようになる。
本実施形態では、比較的低負荷、低回転の排気温度が低い運転領域では気筒のバンク制御により触媒７をＳＯ_X放出温度まで加熱する。
【００６９】
４）ポスト燃料噴射
機関負荷、回転数が更に低い運転領域では気筒のバンク制御を行っても充分に触媒温度が上昇しない場合がある。本実施形態では、このように非常に負荷、回転数が低い運転領域ではポスト燃料噴射を行うことにより触媒温度を上昇させている。
ポスト燃料噴射においては、リーン空燃比運転時の通常の燃料噴射に加えて各気筒の膨張行程もしくは排気行程に燃料噴射を行う。膨張もしくは排気行程では気筒内温度が低下しているため、膨張、排気行程中に気筒内に噴射された燃料は燃焼しないまま排気熱により気化し未燃炭化水素となる。このため、ポスト燃料噴射時には各気筒からリーン空燃比の、酸素を多く含みながらしかも多量の未燃炭化水素を含む排気ガスが排出されるようになる。このため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７上では排気中の未燃炭化水素が酸化（燃焼）され、多量の熱が発生するようになる。この、ポスト燃料噴射により気筒に供給される燃料は気筒内燃焼には関係しないため、比較的多量の燃料をポスト燃料噴射により気筒に供給しても、機関発生トルクが変動したり失火が生じることがない。このため、気筒バンク制御よりも多くの未燃炭化水素を触媒に供給することが可能となり、より低温の運転状態からでも触媒温度をＳＯ_X放出温度に到達させることが可能となる。
【００７０】
なお、各運転領域でＮＯ_X吸蔵還元触媒のＳＯ_X被毒によるＮＯ_X浄化能力の低下が生じていると判定された場合には、直ちに上記のＳＯ_X被毒解消操作を開始しても良いが、触媒温度が低い状態からのＳＯ_X被毒解消操作の実行は機関燃料消費率に対する影響が大きくなる。そこで、ＳＯ_X被毒解消操作は運転状態の変化により機関排気温度が自然に上昇するのを待ってから実行することが好ましい。また、一部の領域でＳＯ_X被毒が判定されても、運転領域が変れば充分なＮＯ_X浄化能力を発揮する場合もある。
【００７１】
そこで、例えばある領域でＳＯ_X被毒によるＮＯ_X浄化能力の低下が判定された場合に直ちにＳＯ_X被毒解消操作を実行するのではなく、機関運転状態の変化によりその領域で機関排気温度が所定温度まで上昇するのを待ってからＳＯ_X被毒解消操作を開始するようにしてもよい。この場合には、当該領域では既にＳＯ_X被毒によるＮＯ_X浄化能力の低下が生じているのであるから、リーン空燃比運転を継続するとＮＯ_X吸蔵還元触媒下流側に未浄化のＮＯ_Xが流出する可能性がある。そこで、本実施形態ではＳＯ_X被毒によるＮＯ_X浄化能力低下が検出された運転領域では、直ちに機関を理論空燃比で運転し排気温度が所定値まで上昇するのを待つようにする。
【００７２】
機関を理論空燃比で運転することにより排気中のＮＯ_Xの量は低下する。また、前述したように、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７は理論空燃比近傍の空燃比領域では酸化還元を同時に行う三元触媒として機能し、ＮＯ_X浄化能力が低下してもこの三元触媒としての能力は低下しない。このためＮＯ_X浄化能力が低下した運転領域で機関を理論空燃比で運転することにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒によりＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_Xの３成分を同時に浄化することができ、ＮＯ_X浄化能力の低下によりＮＯ_Xが大気に放出されることが防止される。
また、このように、ＳＯ_X被毒によるＮＯ_X浄化能力の低下が検出された運転領域のみ理論空燃比運転を行いながら運転状態の変化による排気温度の上昇を待ってＳＯ_X被毒解消操作を行うことにより、ＳＯ_X被毒解消操作による機関燃料消費率の増大を抑制することが可能となる。
【００７３】
次に、上述したＳＯ_X被毒判定操作とＳＯ_X被毒解消操作について具体的に説明する。
図６はＳＯ_X被毒が生じているか否かの有無の判定操作を具体的に示すフローチャートである。本操作は、ＥＣＵ３０により一定時間毎に実行されるルーチンにより実施される。
図６の操作では、図３で説明したＮＯ_Xセンサ１０出力に基づいて推定したＮＯ_X浄化能力の低下によりＳＯ_X被毒の有無が判定される。
【００７４】
図６の操作では、まずステップ６０１で現在機関がリーン空燃比運転されているか否かが判定される。現在機関がリーン空燃比運転されていない場合には、図３の方法でＮＯ_X浄化能力（ＮＯ_X吸蔵能力）を推定することはできないため、ステップ６２９に進み、現在リーン空燃比運転が実行されていないのはリッチスパイクを実行中であるためか否かを判定する。現在リッチスパイク実行中でない場合は、現在定常的に理論空燃比またはリッチ空燃比の運転が行われているため本操作はＳＯ_X被毒判定を行うことなく直ちに終了する。
また、ステップ６２９で現在リッチスパイク実行中であった場合には、リッチスパイク操作終了後に再度ＳＯ_X被毒判定操作を新たに開始するため、今までに記憶したＮＯ_Xセンサ１０出力最大値ＲＮＭＸと最小値ＲＮＭＮとを予め定めた初期値ＲＮＭＸ０、ＲＮＭＮ０に設定する。
【００７５】
ステップ６０１で現在機関がリーン空燃比運転中であった場合には、次にステップ６０３で現在の機関負荷（燃料噴射量ＱＪ）と機関回転数ＮＥとが読込まれる。更に、ステップ６０５では現在機関が定常運転されているか否かが判定される。ステップ６０５では、読込んだ燃料噴射量ＱＪと機関回転数ＮＥとの前回本操作実行時からの変化が所定値以下である場合には現在機関が定常運転されていると判定する。現在機関が定常運転されていない場合にはＳＯ_X被毒の判定は実行せずに本操作は終了する。
【００７６】
次いで、ステップ６０７ではＮＯ_Xセンサ１０からＮＯ_X吸蔵還元触媒７下流側排気中のＮＯ_X濃度ＲＮが読込まれる。また、ステップ６０９から６１５では、このＮＯ_X濃度ＲＮの最大値ＲＮＭＸと最小値ＲＮＭＮとを記憶する。
ステップ６１７は、現在の運転領域Ａｉの判定を示す。ステップ６１７では、ステップ６０３で読込んだ機関負荷（燃料噴射量ＱＪ）と機関回転数ＮＥとに基づいて現在機関が図２のいずれの運転領域で運転されているかを判断するとともに、ステップ６１９では、ステップ６１７で判定された運転領域Ａｉに対応する判定値ＫＭＡＸｉ、ＫＭＩＮｉをＥＣＵ３０のＲＯＭに予め記憶した数値テーブルから読出す。
【００７７】
そして、ステップ６２１と６２３とでは、ステップ６１１、６１５で記憶したＮＯ_X濃度最大値ＲＮＭＸと最小値ＲＮＭＮとが、それぞれ現在の運転領域における判定値ＫＭＡＸｉ、ＫＭＩＮｉを越えているか否かを判定する。図３で説明したように、ＲＮＭＸ＞ＫＭＡＸｉかつＲＮＭＮ＞ＫＭＩＮｉであった場合には、この運転領域ではＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＮＯ_X浄化力が低下しておりＳＯ_X被毒が生じていると判断される。従って、ステップ６２１と６２３との両方のステップで肯定判定がなされた場合には、ステップ６２５では、この運転領域ＡｉにおいてＳＯ_X被毒が生じていることを示すフラグＦＳＸｉが１（被毒）に設定される。フラグＦＳＸｉの値は各運転領域毎に設定される。
【００７８】
また、ステップ６２７では、この運転領域における理論空燃比フラグＲＣｉの値が１にセットされる。理論空燃比フラグＲＣｉの値が１にセットされると、別途ＥＣＵ３０により実行される図示しない制御操作により、運転領域ＡｉではＳＯ_X被毒が解消するまで機関が理論空燃比運転されるようになる。
なお、本実施形態ではＳＯ_X被毒が生じている運転領域のみを理論空燃比運転するようにしているが、ＳＯ_X被毒が生じたと判定された領域とともに、その領域に隣接した低回転側（低排気流量側）の領域をも理論空燃比運転するようにしても良い。ＳＯ_X被毒が更に進行すると次にＳＯ_X被毒判定されるのは低排気量側に隣接した運転領域になるからである。
【００７９】
次に、図７はＳＯ_X被毒判定操作の別の実施形態を示すフローチャートである。本操作は、図４で説明したリッチスパイク実行間隔に基づくＳＯ_X被毒判定操作を示している。本操作はＥＣＵ３０により一定時間毎に行われるルーチンとして実行される。
本操作では、図６の操作と同様に、まずステップ７０１で機関が現在リーン空燃比運転されているか否かが判定され、リーン空燃比運転されていない場合にはＳＯ_X被毒の有無を判定することなくそのまま操作を終了する。
ステップ７０１で現在機関がリーン空燃比運転されている場合には、次にステップ７０３で機関負荷ＱＪと回転数ＮＥとを読込み、ステップ７０５では現在機関が定常運転されているか否かが判定される。ステップ７０３、７０５の操作は、図６ステップ６０３、６０５の操作と同じ操作である。
【００８０】
ステップ７０５で現在定常運転が行われていた場合には、次にステップ７０７でＮＯ_Xセンサ１０からＮＯ_X吸蔵還元触媒７下流側排気中のＮＯ_X濃度ＲＮを読込み、ステップ７０９では読込んだＮＯ_X濃度ＲＮを用いてリッチスパイク操作を実行すべきタイミングか否かを判定する。ステップ７０９におけるＲＳＮはリッチスパイク操作実行可否判定のためのＮＯ_X濃度判定値である。
ステップ７０９でＲＮが判定値ＲＳＮに到達していない場合（ＲＮ＜ＲＳＮ）には、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＮＯ_X吸蔵量はまだ少なくリッチスパイク操作を実施する必要はないのでステップ７１１に進みリッチスパイク実行間隔カウンタＲＳＴをインクリメントして本操作を終了する。
【００８１】
ステップ７０９でＲＮ≧ＲＳＮであった場合には、リッチスパイク操作を実行する必要があるため、ステップ７１３でリッチスパイク実行フラグＲＳＸの値を１にセットするとともに、現在のリッチスパイク実行間隔カウンタＲＳＴの値をＲＳＴＬとして記憶した後、カウンタＲＳＴの値をクリアする。これにより、ステップ７１１でインクリメントされた後のＲＳＴの値は前回リッチスパイクが実行されてからの経過時間に対応した値となり、ステップ７１３で記憶されるＲＳＴＬの値は前回リッチスパイクが実行されてから今回リッチスパイクが実行されるまでの時間、すなわちリッチスパイク実行間隔に対応した値となる。
【００８２】
上記によりリッチスパイク実行間隔計測のための操作を実行した後、ステップ７１５では、機関負荷ＱＪと回転数ＮＥとに基づいて図２の関係から現在の運転領域Ａｉが判定され、ステップ７１７では判定された領域Ａｉに対応したＳＯ_X被毒判定値ＲＳＴ０ｉが予めＥＣＵ３０のＲＯＭに格納した数値テーブルから読出される。本実施形態においても判定値ＲＳＴＯｉは各運転領域毎に設定される。
【００８３】
ステップ７１９から７２５はリッチスパイク実行間隔ＲＳＴＬに基づくＳＯ_X被毒判定を示す。すなわち、ステップ７１９では実際のリッチスパイク実行間隔ＲＳＴＬが現在の機関運転領域における判定値ＲＳＴ０ｉより短くなっているか否かが判定され、短くなっている場合にはＳＯ_X被毒が生じている可能性があるため、ステップ７２３に進み、被毒判定カウンタＣＫの値をインクリメントする。また、ステップ７１９で、実際のリッチスパイク実行間隔ＲＳＴＬが現在の機関運転領域における判定値ＲＳＴ０ｉより短くなっていない場合には、ステップ７２１で被毒判定カウンタＣＫの値をクリアして本操作を終了する。
【００８４】
また、ステップ７２５では、ステップ７２３でインクリメントされた被毒判定カウンタＣＫの値が所定の判定値αに到達したか否かを判定し、到達していない場合にはステップ７２７以下を実行することなく操作を終了する。
一方、ステップ７２５でカウンタＣＫの値が判定値αに到達していた場合には、次にステップ７２７で現在の運転領域におけるＳＯ_X被毒フラグＦＳＸｉの値が１（被毒）にセットされるとともに、ステップ７２９ではこの運転領域における理論空燃比フラグＲＣｉの値が１にセットされる。ＳＯ_X被毒フラグＦＳＸｉ及び理論空燃比フラグＲＣｉの機能は図６のものと同一である。
すなわち、本実施形態ではリッチスパイク実行間隔ＲＳＴＬが連続してα回判定値より小さく（短く）なった場合に初めてＮＯ_X吸蔵還元触媒７にＳＯ_X被毒が生じていると判定している。
【００８５】
次に、図８はＳＯ_X被毒が生じていると判定された場合のＳＯ_X被毒解消操作について説明するフローチャートである。
図８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８の操作では、ステップ８０１で機関負荷ＱＪと回転数ＮＥとが読込まれ、ステップ８０３では、ＱＪとＮＥとに基づいて現在の機関の運転領域Ａｉが図２のいずれの領域に該当するかが判定される。
【００８６】
また、ステップ８０５では、ＳＯ_X被毒フラグＦＳＸの現在の運転領域における値ＦＳＸｉが１にセットされているか否か、すなわちこの運転領域でＳＯ_X被毒が生じているか否かが判定され、生じていない場合（ＦＳＸｉ≠１）にはステップ８０７以下を実行することなく本操作を終了する。
ステップ８０５でＦＳＸｉ＝１であった場合、すなわちこの運転領域でＳＯ_X被毒が生じていた場合には、ステップ８０７で現在の運転領域に対応した被毒解消操作（理論空燃比運転のみ、排気通路切換、気筒バンク制御、ポスト燃料噴射等）を選択するとともに、ステップ８０９では、被毒解消操作を開始する下限排気温度ＴＥＳｉを運転領域に応じて設定する。
【００８７】
そして、ステップ８１１では現在の排気温度ＴＥＸが被毒解消操作開始下限温度ＴＥＳｉに到達しているか否かを判定し、到達していない場合にはそのまま操作を終了し、排気温度がＴＥＳｉまで上昇するのを待つ。なお、図６、図７の判定操作ではＳＯ_X被毒フラグＦＳＸｉの値が１にセットされるのと同時に理論空燃比フラグＲＣｉの値が１にセットされるため、ステップ８１１で排気温度が下限温度に到達しておらずＳＯ_X被毒解消操作が開始されない場合、あるいは一旦温度が上昇したにもかかわらず何らかの理由で排気温度が低下してＳＯ_X被毒解消操作が中断された場合にも、この運転領域では理論空燃比運転が行われ、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X浄化能力低下によりＮＯ_Xが大気に放出されることが防止される。
【００８８】
ステップ８１１で排気温度が下限値ＴＥＳｉに到達していた場合には、ステップ８１３では、ステップ８０７で選択した種類のＳＯ_X被毒解消操作が行われ、ステップ８１５で被毒解消操作が完了したと判定されるまで被毒解消操作が継続される。
ステップ８１５の被毒解消操作完了の判定は、例えばステップ８１３で被毒解消操作が開始されてから触媒温度がＳＯ_X放出温度以上になっている時間が所定時間以上継続したか否か、或は被毒解消操作開始後の燃料消費量が所定量以上になったか否かにより判断する。
ステップ８１５でＳＯ_X被毒解消操作が完了した場合には、ステップ８１７と８１９とで、全ての運転領域のＳＯ_X被毒フラグＦＳＸｉと理論空燃比フラグＲＣｉの値を０にセットした後操作を終了する。
これにより、各運転領域ではＮＯ_X吸蔵還元触媒７がＮＯ_X浄化能力を回復した状態でリーン空燃比運転が再開されるようになる。
【００８９】
なお、本実施形態では、各運転領域毎にＳＯ_X被毒操作実行の下限温度ＴＥＳｉを設定しているが、この下限温度は例えば、各運転領域で理論空燃比運転を行った場合に最終的に到達する排気温度付近に設定してもよい。この場合には、ＳＯ_X被毒判定とともに実際に各運転領域で理論空燃比運転が行われると、実際に排気温度が理論空燃比運転に相当する温度まで上昇すると直ちにＳＯ_X被毒解消操作が開始されるようになる。また、上記下限温度ＴＥＳｉを各運転領域に異なる値に設定するのではなく、各運転領域に共通した値に設定するようにすることも可能である。
【００９０】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明によれば、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＳＯ_X被毒解消を効率的に行うことにより、燃費の増大や排気性状の悪化を抑制することが可能となる共通の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】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示す図である。
【図２】機関運転領域の分割例を示す図である。
【図３】ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X浄化能力の推定方法の一例を示す図である。
【図４】ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X浄化能力の推定方法の別の例を示す図である。
【図５】排気通路切換によるＮＯ_X吸蔵還元触媒の温度制御を説明する図である。
【図６】ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＳＯ_X被毒判定操作を具体的に説明するフローチャートである。
【図７】ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＳＯ_X被毒判定操作の、図６とは別の例を具体的に説明するフローチャートである。
【図８】ＳＯ_X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。
【符号の説明】
１…内燃機関本体
２…排気通路
７…ＮＯ_X吸蔵還元触媒
１０…ＮＯ_Xセンサー
３０…電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (3)

1. 機関排気系に配置され、排気中のＮＯ_Xを浄化するとともに排気中の特定物質を吸着もしくは吸収により保持し、保持量の増大に応じて前記ＮＯ_Xの浄化能力が低下するＮＯ_X浄化触媒と、
   前記ＮＯ_X浄化触媒の前記特定物質の保持量増大によるＮＯ_X浄化能力の低下を検出する被毒検出手段と、
   該検出されたＮＯ_X浄化能力が所定の判定値以下であるときに、前記ＮＯ_X浄化触媒が被毒していると判定する被毒判定手段と、
   前記被毒判定手段により前記ＮＯ_X浄化触媒が被毒したと判定されたときに、前記ＮＯ_X浄化触媒から前記特定物質を放出させる被毒解消操作を行う被毒解消手段と、を備え、
   前記被毒判定手段の前記所定の判定値は、高負荷高回転運転領域では低負荷低回転運転領域より大きく設定されることを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記被毒解消手段は、複数の種類の被毒解消操作の中から前記機関の運転状態に応じて選択した被毒解消操作を実行し、前記ＮＯ_X浄化触媒から前記特定物質を放出させることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記被毒解消手段は、前記被毒判定手段により前記ＮＯ_X浄化触媒が被毒していると判定され、更に機関の運転状態が所定の運転条件を満たしたときに前記被毒解消操作を実行するとともに、前記ＮＯ_X浄化触媒が被毒していると判定されたときには、機関の運転状態が前記所定の運転条件を満たさない場合には前記機関を理論空燃比で運転する、請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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