WO2013190633A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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悠司 三好
徹 木所
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Definitions

  • the present invention relates to an exhaust purification device for an internal combustion engine.
  • NSR catalyst NOx storage reduction catalyst
  • the sulfur component (SOx) contained in the fuel is also stored in this NSR catalyst in the same manner as NOx.
  • the stored SOx is less likely to be released than NOx and is accumulated in the NSR catalyst. This is called sulfur poisoning. Since the NOx purification rate in the NSR catalyst is reduced by this sulfur poisoning, it is necessary to perform a sulfur poisoning recovery process at an appropriate time. This sulfur poisoning recovery process is performed by circulating the exhaust gas burned at the rich air-fuel ratio in the internal combustion engine to the NSR catalyst.
  • the sulfur component accumulated in the NOx catalyst is purified and collected by the filter downstream of the NOx catalyst.
  • the target air-fuel ratio is lower than the first target air-fuel ratio that is the rich air-fuel ratio.
  • a technique for switching to the second target air-fuel ratio is known (for example, see Patent Document 5).
  • the sulfur poisoning recovery process of the NSR catalyst in order to release the entire amount of the sulfur component occluded in the NSR catalyst, it is necessary to reduce the air-fuel ratio of the exhaust to about 12.5, for example. There is a risk of increased HC and CO emissions. Further, there is a possibility that the fuel efficiency is deteriorated by lowering the air-fuel ratio of the exhaust. Furthermore, if the sulfur poisoning recovery process is performed with the air-fuel ratio of the exhaust gas lowered, H 2 S may be generated. For this reason, the sulfur poisoning recovery process of the NSR catalyst is performed by setting the air-fuel ratio of the exhaust to, for example, about 14.3.
  • the sulfur poisoning recovery process is performed at an air-fuel ratio close to the stoichiometric air-fuel ratio.
  • the sulfur poisoning recovery process of the NSR catalyst is performed with the air-fuel ratio of the exhaust gas being about 14.3, for example, part of the sulfur component stored in the NSR catalyst remains without being completely removed. End up. As the sulfur component remaining in the NSR catalyst gradually increases, the purification performance of the NSR catalyst gradually decreases.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to more appropriately recover sulfur poisoning of the exhaust purification catalyst.
  • an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine comprises: An exhaust purification catalyst is provided in the exhaust passage of the internal combustion engine, A first control for setting the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the exhaust purification catalyst to be equal to or lower than the stoichiometric air-fuel ratio, and removing sulfur components from the exhaust purification catalyst; A second control for removing the sulfur component from the exhaust purification catalyst by setting an air / fuel ratio of the exhaust flowing into the exhaust purification catalyst to an air / fuel ratio that is lower than an air / fuel ratio of the exhaust set in the first control; , In an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine that selectively executes When removing the sulfur component from the exhaust purification catalyst, based on at least one of the purification performance of the exhaust purification catalyst, the travel distance of the vehicle on which the internal combustion engine is mounted, and the number of times the sulfur component is removed from the exhaust purification catalyst And a control device that executes either the first control or the second control.
  • the exhaust purification catalyst is a catalyst whose purification performance is lowered by the sulfur component in the exhaust.
  • the sulfur component is removed, but according to the second control that lowers the air-fuel ratio, more sulfur component can be removed. That is, even if the sulfur component is removed from the exhaust purification catalyst by the first control, a part of the sulfur component remains in the exhaust purification catalyst. However, if the sulfur component is removed only by the second control, the emission amount of HC, CO, H 2 S increases.
  • the control device executes either the first control or the second control when performing the sulfur poisoning recovery process of the exhaust purification catalyst.
  • the sulfur component is usually removed by the first control. Then, when a large amount of sulfur component is accumulated in the exhaust purification catalyst, the sulfur component may be removed by the second control.
  • the purification performance of the exhaust purification catalyst, the travel distance of the vehicle on which the internal combustion engine is mounted, and the number of times the sulfur component is removed from the exhaust purification catalyst are correlated with the amount of sulfur component accumulated in the exhaust purification catalyst. is there.
  • the first control may be executed when the purification performance of the exhaust purification catalyst is relatively high.
  • the second control is executed when the purification performance of the exhaust purification catalyst is relatively low, since it is considered that a large amount of sulfur component is accumulated in the exhaust purification catalyst.
  • the first control or the second control may be executed by acquiring a physical quantity that is correlated with the purification performance of the exhaust purification catalyst, and comparing the physical quantity with a threshold value.
  • the first control may be executed while the travel distance of the vehicle is relatively short.
  • the amount of sulfur component accumulated increases.
  • the second control is executed, a larger amount of sulfur components accumulated in the exhaust purification catalyst can be removed.
  • the second control may be executed after the number of times of executing the first control reaches a specified value.
  • control device can make the frequency of executing the first control higher than the frequency of executing the second control.
  • the frequency of executing the first control may be increased. And what is necessary is just to perform 2nd control, when the sulfur component which cannot be removed by 1st control increases. In this way, by increasing the frequency of executing the first control, it is possible to reduce the discharge amount of HC and the like while suppressing the NOx purification rate from being lowered.
  • control device can execute the second control continuously after the first control when executing the second control.
  • the sulfur component may be removed by the first control immediately before the sulfur component is removed by the second control.
  • H 2 S is likely to be generated because the air-fuel ratio is low.
  • the sulfur component that can be removed by the first control at that time is also stored in the exhaust purification catalyst. Therefore, if the sulfur component that can be removed by the first control is first removed by the first control, and then the sulfur component that cannot be removed by the first control is removed by the second control, the emissions of HC and CO are reduced. In addition, the amount of H 2 S generated can be reduced.
  • control device executes the first control when the purification performance of the exhaust purification catalyst is equal to or higher than a threshold, and the first control when the purification performance of the exhaust purification catalyst is lower than the threshold.
  • Two controls can be executed.
  • the threshold value can be set to the lower limit value of the purification performance of the exhaust purification catalyst in which the NOx purification rate is within the allowable range by executing the first control.
  • the threshold value may be a value with a certain margin.
  • control device controls the purification performance of the exhaust purification catalyst, the NOx purification rate of the exhaust purification catalyst, the NOx storage amount of the exhaust purification catalyst, the oxygen storage amount of the exhaust purification catalyst, the exhaust gas It can be determined based on at least one of the NH 3 production amounts of the purification catalyst.
  • the purification performance of the exhaust purification catalyst may be considered as the performance of the exhaust purification catalyst to purify NOx.
  • the NOx purification rate is the ratio of NOx purified by the exhaust purification catalyst to NOx flowing into the exhaust purification catalyst.
  • the NOx occlusion amount may be, for example, the NOx amount that can be occluded to the maximum by the exhaust purification catalyst.
  • the NOx purification rate, the NOx occlusion amount, the oxygen occlusion amount, and the NH 3 generation amount gradually decrease due to the gradual accumulation of the sulfur component.
  • the NOx purification rate, the NOx occlusion amount, the oxygen occlusion amount, or the NH 3 generation amount decreases, by executing the second control, the NOx purification rate, the NOx occlusion amount, the oxygen occlusion amount, or NH 3
  • the production amount can be recovered.
  • the first control may be executed when the NOx purification rate, the NOx occlusion amount, the oxygen occlusion amount, or the NH 3 generation amount is greater than or equal to a threshold value
  • the second control may be executed when less than the threshold value.
  • a selective reduction type NOx catalyst using NH 3 as a reducing agent can be provided downstream of the exhaust purification catalyst.
  • the exhaust purification catalyst may be an NOx storage reduction catalyst (NSR catalyst).
  • NSR catalyst reduces NOx when the air-fuel ratio is rich, and generates NH 3 by reacting, for example, H 2 or HC with NO. That is, NH 3 is generated when the air-fuel ratio of the exhaust gas is a rich air-fuel ratio. It should be noted that NH 3 can be generated even with a catalyst other than the NSR catalyst (for example, a three-way catalyst).
  • SCR catalyst selective reduction type NOx catalyst adsorbs this NH 3 and reduces NOx by the NH 3 .
  • NH 3 is generated in the NSR catalyst by setting the air-fuel ratio of the exhaust to a rich air-fuel ratio. Further, by setting the air-fuel ratio of the exhaust to a rich air-fuel ratio, it is possible to supply HC or the like as a reducing agent to the NSR catalyst. With this reducing agent, NOx stored in the NSR catalyst is reduced. That is, by setting the rich air-fuel ratio, NOx is purified in the NSR catalyst.
  • the NOx purification rate in the NSR catalyst becomes higher. Further, if the air-fuel ratio of the exhaust gas is switched from lean to rich while the NOx occlusion amount is larger, the NOx purification rate in the SCR catalyst becomes higher.
  • the reaction for producing NH 3 is liable to occur when the rich air-fuel ratio, NH 3 amount is increased to be generated.
  • the production amount of NH 3 increases, a large amount of reducing agent can be supplied to the SCR catalyst, so the NOx purification rate in the SCR catalyst increases. That is, in order to increase the NOx purification rate in the SCR catalyst, it is better to maintain a state where the amount of NOx stored in the NSR catalyst is large.
  • the air-fuel ratio of the exhaust gas is switched from lean to rich while the NOx occlusion amount is smaller, the amount of NH 3 produced is reduced.
  • the amount of reducing agent supplied to the SCR catalyst is reduced, so that the NOx purification rate in the SCR catalyst is lowered.
  • the NOx occlusion amount there is a correlation between the NOx occlusion amount and the lean air-fuel ratio. That is, the amount of NH 3 produced is reduced by shortening the time required for the lean air-fuel ratio. It can be said that the amount of NH 3 produced is reduced by shortening the interval for the rich air-fuel ratio.
  • the NOx purification rate in the NSR catalyst becomes high. That is, in order to increase the NOx purification rate in the NSR catalyst, it is better to maintain a state where the amount of NOx stored in the NSR catalyst is small.
  • the air-fuel ratio of the exhaust may be switched from lean to rich while the amount of NOx is small.
  • NOx in the NSR catalyst can be maintained.
  • the purification rate increases.
  • NOx occlusion amount in the NSR catalyst increases, NOx becomes difficult to occlude, and the NOx purification rate in the NSR catalyst decreases.
  • the conditions necessary for increasing the NOx purification rate in the NSR catalyst are different from the conditions necessary for increasing the NOx purification rate in the SCR catalyst.
  • the sulfur component that cannot be removed by the first control in the NSR catalyst increases, the NOx purification rate in the NSR catalyst decreases and the amount of NH 3 generated also decreases. As a result, the NOx purification rate in the SCR catalyst may also decrease.
  • NOx occlusion ability is reduced by accumulation of sulfur components that cannot be removed in the first control in the NSR catalyst, fuel consumption is deteriorated by lowering the air-fuel ratio, and NOx purification in the SCR catalyst is reduced by reducing NH 3 generation amount.
  • the timing for executing the first control and the second control can be determined. That is, as the sulfur component that cannot be removed by the first control increases, the amount of NOx that can be stored in the NSR catalyst to the maximum decreases.
  • the optimum interval for making the rich air-fuel ratio changes in order to reduce NOx stored in the NSR catalyst.
  • the lean air-fuel ratio may be shortened as the amount of NOx that can be stored in the NSR catalyst to the maximum decreases. That is, the rich air-fuel ratio may be frequently maintained to maintain a small amount of NOx stored in the NSR catalyst.
  • the exhaust purification catalyst is divided into a plurality of parts in the flow direction and the radial direction of the exhaust gas, and a distribution coefficient correlated with the amount of sulfur component stored in each part is obtained.
  • the exhaust gas flowing into the exhaust purification catalyst spreads in the radial direction of the exhaust purification catalyst as the space velocity (SV) is lower. That is, the exhaust gas flows uniformly to the exhaust purification catalyst.
  • SV space velocity
  • sulfur poisoning occurs over a wide radial range.
  • sulfur poisoning occurs mainly on the upstream side of the exhaust purification catalyst.
  • the space velocity (SV) may be the exhaust velocity.
  • NOx When the SV is low, NOx is dispersed in the radial direction of the exhaust purification catalyst, so that NOx can be stored in a wide range in the radial direction of the exhaust purification catalyst. For this reason, NOx can be occluded even if the occlusion amount of the sulfur component is relatively large.
  • SV changes according to the operating state (for example, load) of the internal combustion engine.
  • the exhaust purification catalyst is divided into a plurality of parts in the exhaust flow direction and the radial direction, the amount of exhaust flowing through each part changes according to the operating state of the internal combustion engine. For this reason, the amount of the sulfur component stored in each part also changes according to the operating state of the internal combustion engine.
  • the distribution coefficient is calculated as a value having a correlation with the amount of the sulfur component stored in each part.
  • the purification performance of each part changes according to this distribution coefficient. Therefore, since the purification performance of each part can be estimated by using the distribution coefficient, the purification performance of the entire exhaust purification catalyst can also be estimated based on this.
  • the overall purification performance of the exhaust purification catalyst estimated in this way is a purification performance that takes into account the site where the sulfur component is occluded. This is closer to the actual purification performance than the purification performance calculated based only on the storage amount of the sulfur component. For this reason, the implementation time of sulfur poisoning recovery processing and the time to reduce NOx can be set more appropriately. And since the sulfur component accumulated without being removed by the first control can be calculated for each part, the accuracy of executing the first control or the second control is also increased. Note that the purification performance of each part may be estimated in consideration of the temperature of each part.
  • sulfur poisoning of the exhaust purification catalyst can be recovered more appropriately.
  • NOx purification rate downstream of the NSR catalyst and NOx purification downstream of the SCR catalyst when the rich spike is performed with the lean air-fuel ratio period of 80 seconds and the rich air-fuel ratio period of 2.2 seconds and rate is a diagram showing the transition of the NH 3 generated amount of the NSR catalyst.
  • NOx purification rate downstream of the NSR catalyst and NOx purification downstream of the SCR catalyst when the rich spike is performed with the lean air-fuel ratio period of 40 seconds and the rich air-fuel ratio period of 2.2 seconds and rate is a diagram showing the transition of the NH 3 generated amount of the NSR catalyst.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a flow of sulfur poisoning recovery processing according to the first embodiment.
  • Time when changes in air-fuel ratio, SOx concentration, and H 2 S concentration were performed when sulfur poisoning recovery processing was performed at a weak rich air-fuel ratio and subsequently sulfur poisoning recovery processing was performed at a strong rich air-fuel ratio. It is a chart.
  • the sulfur poisoning recovery process is performed at an air-fuel ratio of 14.3, and then the air-fuel ratio is continuously increased to, for example, 20 and the air-fuel ratio is decreased to, for example, 12 at a predetermined interval while the air-fuel ratio is set to 20.
  • 5 is a time chart showing changes in the air-fuel ratio, the SOx concentration, and the H 2 S concentration when the sulfur poisoning recovery process is performed as .5. It is the figure which showed the sulfur poisoning site
  • FIG. 6 is a flowchart showing a flow of sulfur poisoning recovery processing according to Embodiment 2. And storage amount of the sulfur component at high SV, NOx purification ratio, NOx occlusion amount is a diagram illustrating the NH 3 generating amount, a relationship. And storage amount of the sulfur component in the low SV, NOx purification ratio, NOx occlusion amount is a diagram illustrating the NH 3 generating amount, a relationship.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an internal combustion engine according to the present embodiment and its intake system and exhaust system.
  • the internal combustion engine 1 shown in FIG. 1 is a gasoline engine, but may be a diesel engine.
  • the internal combustion engine 1 is mounted on a vehicle, for example.
  • the exhaust passage 2 is connected to the internal combustion engine 1.
  • the three-way catalyst 3 the NOx storage reduction catalyst 4 (hereinafter referred to as NSR catalyst 4), and the selective reduction type NOx catalyst 5 (hereinafter referred to as SCR catalyst 5) in order from the upstream side. Is provided.
  • the three-way catalyst 3 purifies NOx, HC and CO with maximum efficiency when the catalyst atmosphere is at the stoichiometric air-fuel ratio.
  • the three-way catalyst 3 has an oxygen storage capability. That is, by storing excess oxygen when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is a lean air-fuel ratio, and releasing the insufficient oxygen when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is rich, the exhaust gas is reduced. Purify. By such an action of the oxygen storage ability, the three-way catalyst 3 can purify HC, CO, and NOx even if it is other than the stoichiometric air-fuel ratio.
  • the three-way catalyst 3 stores NOx in the exhaust when the oxygen concentration of the inflowing exhaust gas is high, and stores the NOx stored in the exhaust gas when the oxygen concentration of the inflowing exhaust gas decreases and a reducing agent is present. It can also have a function of reducing. In this case, the NSR catalyst 4 may be omitted.
  • the NSR catalyst 4 stores NOx in the exhaust when the oxygen concentration of the inflowing exhaust gas is high, and reduces the stored NOx when the oxygen concentration of the inflowing exhaust gas decreases and a reducing agent is present.
  • a reducing agent supplied to the NSR catalyst 4 HC or CO that is unburned fuel discharged from the internal combustion engine 1 can be used.
  • NOx in the exhaust gas may react with HC or H 2 to generate ammonia (NH 3 ).
  • NH 3 ammonia
  • the three-way catalyst 3 or the NSR catalyst 4 corresponds to the exhaust purification catalyst in the present invention.
  • the NSR catalyst 4 will be described as an exhaust purification catalyst, but the three-way catalyst 3 can be similarly considered as an exhaust purification catalyst.
  • the SCR catalyst 5 adsorbs a reducing agent, and selectively reduces NOx by the adsorbing reducing agent when NOx passes.
  • a reducing agent supplied to the SCR catalyst 5 NH 3 produced by the three-way catalyst 3 or the NSR catalyst 4 can be used.
  • a first temperature sensor 11 for detecting the temperature of the exhaust and an air-fuel ratio sensor 12 for detecting the air-fuel ratio of the exhaust are provided in the exhaust passage 2 downstream of the three-way catalyst 3 and upstream of the NSR catalyst. It is attached. The temperature of the three-way catalyst 3 or the temperature of the NSR catalyst 4 can be detected by the first temperature sensor 11. Further, the air-fuel ratio sensor 12 can detect the air-fuel ratio of the exhaust gas from the internal combustion engine 1 or the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NSR catalyst 4.
  • a second temperature sensor 13 for detecting the temperature of the exhaust is attached to the exhaust passage 2 downstream of the NSR catalyst 4 and upstream of the SCR catalyst 5.
  • the temperature of the NSR catalyst 4 or the temperature of the SCR catalyst 5 can be detected by the second temperature sensor 13.
  • a third temperature sensor 14 for detecting the temperature of the exhaust is attached to the exhaust passage 2 downstream of the SCR catalyst 5.
  • the temperature of the SCR catalyst 5 can be detected by the third temperature sensor 14. Further, since the temperatures of the NSR catalyst 4 and the SCR catalyst 5 change according to the operation state of the internal combustion engine 1 (for example, the load of the internal combustion engine 1), the NSR catalyst 4 and the SCR catalyst 5 according to the operation state of the internal combustion engine 1 The temperature of the catalyst 5 may be estimated. Further, the temperature of the NSR catalyst 4 and the SCR catalyst 5 may be detected by directly attaching a temperature sensor to the NSR catalyst 4 and the SCR catalyst 5.
  • a NOx sensor for detecting the NOx concentration in the exhaust gas may be attached to the upstream side and the downstream side of each catalyst. Note that it is not necessary to attach all of the above sensors, and they may be appropriately selected and attached.
  • the internal combustion engine 1 is provided with an injection valve 6 for supplying fuel to the internal combustion engine 1.
  • an intake passage 7 is connected to the internal combustion engine 1.
  • a throttle 8 for adjusting the intake air amount of the internal combustion engine 1 is provided in the middle of the intake passage 7.
  • An air flow meter 15 that detects the intake air amount of the internal combustion engine 1 is attached to the intake passage 7 upstream of the throttle 8.
  • the internal combustion engine 1 configured as described above is provided with an ECU 10 that is an electronic control unit for controlling the internal combustion engine 1.
  • the ECU 10 controls the internal combustion engine 1 in accordance with the operating conditions of the internal combustion engine 1 and the driver's request.
  • the ECU 10 outputs an electric signal corresponding to the amount of depression of the accelerator pedal 16 by the driver to detect the engine load, and an accelerator position sensor 17 for detecting the engine speed. 18 are connected via electric wiring, and output signals of these various sensors are input to the ECU 10.
  • the injection valve 6 and the throttle 8 are connected to the ECU 10 via electric wiring, and the ECU 10 controls the opening / closing timing of the injection valve 6 and the opening degree of the throttle 8.
  • the ECU 10 determines the required intake air amount from the accelerator opening detected by the accelerator opening sensor 17 and the engine speed detected by the crank position sensor 18. Then, the opening degree of the throttle 8 is controlled so that the intake air amount detected by the air flow meter 15 becomes the required intake air amount.
  • the injection valve 6 is controlled so as to supply a fuel injection amount corresponding to the intake air amount that changes at this time.
  • the air-fuel ratio set at this time is an air-fuel ratio set according to the operating state of the internal combustion engine 1. Note that the internal combustion engine 1 according to the present embodiment is subjected to lean burn operation. However, the internal combustion engine 1 may be operated near the stoichiometric air-fuel ratio during high load operation or the like.
  • the ECU 10 performs a reduction process of NOx stored in the NSR catalyst 4.
  • NOx stored in the NSR catalyst 4 is reduced, the amount of fuel injected from the injection valve 6 or the opening of the throttle 8 is adjusted so that the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the NSR catalyst 4 is reduced to a predetermined rich air-fuel ratio. A so-called rich spike is performed to lower it to a minimum.
  • This rich spike is performed, for example, when the amount of NOx stored in the NSR catalyst 4 reaches a predetermined amount.
  • the amount of NOx stored in the NSR catalyst 4 is calculated, for example, by integrating the difference between the amount of NOx flowing into the NSR catalyst 4 and the amount of NOx flowing out of the NSR catalyst 4.
  • the amount of NOx flowing into the NSR catalyst 4 and the amount of NOx flowing out of the NSR catalyst 4 can be detected by attaching a sensor.
  • the rich spike may be performed according to the travel distance of the vehicle on which the internal combustion engine 1 is mounted. Further, rich spike may be performed based on the amount of NOx that can be stored in the NSR catalyst 4 to the maximum extent. This will be described later.
  • the ECU 10 performs a sulfur poisoning recovery process of the NSR catalyst 4.
  • This sulfur poisoning recovery process is performed by raising the temperature of the NSR catalyst 4 to a temperature required for sulfur poisoning recovery (for example, 650 ° C. or higher) and then setting the air-fuel ratio to a predetermined rich air-fuel ratio. .
  • the air-fuel ratio is set to about 14.3, for example, which is close to the theoretical air-fuel ratio.
  • a rich air-fuel ratio close to the stoichiometric air-fuel ratio is hereinafter referred to as a weak rich air-fuel ratio.
  • This weakly rich air-fuel ratio may be, for example, a rich air-fuel ratio that can purify HC and CO in the three-way catalyst 3. Note that since the sulfur poisoning recovery is possible even at the stoichiometric air fuel ratio, the stoichiometric air fuel ratio may be included in the weak rich air fuel ratio.
  • the sulfur poisoning recovery process is performed with the air-fuel ratio set to 12.5, for example.
  • a relatively low rich air-fuel ratio among the rich air-fuel ratios is hereinafter referred to as a strong rich air-fuel ratio.
  • This strong rich air-fuel ratio is an air-fuel ratio lower than the weak rich air-fuel ratio.
  • the strong rich air-fuel ratio is, for example, an air-fuel ratio that can remove all the sulfur components accumulated in the NSR catalyst 4, or an air-fuel ratio that can almost eliminate the sulfur components accumulated in the NSR catalyst 4. Also good.
  • the sulfur poisoning recovery process is usually performed at a weak rich air-fuel ratio, and when the sulfur component is accumulated, the sulfur poisoning recovery process is performed at a strong rich air-fuel ratio.
  • FIG. 2 shows the NOx purification rate downstream of the NSR catalyst 4 and the SCR when the rich spike is performed with the lean air-fuel ratio period being 80 seconds and the rich air-fuel ratio period being 2.2 seconds.
  • FIG. 4 is a graph showing the transition of the NOx purification rate downstream of the catalyst 5 and the amount of NH 3 generated in the NSR catalyst 4. That is, FIG. 2 is a diagram when the rich spike interval is 80 seconds and the rich spike time is 2.2 seconds.
  • FIG. 3 shows the NOx purification rate downstream of the NSR catalyst 4 and the SCR catalyst when a rich spike is performed with a lean air-fuel ratio period of 40 seconds and a rich air-fuel ratio period of 2.2 seconds.
  • FIG. 5 is a graph showing the transition of the NOx purification rate downstream of 5 and the amount of NH 3 produced in the NSR catalyst 4.
  • FIG. 3 is a diagram when the rich spike interval is 40 seconds and the rich air-fuel ratio time is 2.2 seconds. The rich spike is repeatedly executed.
  • the horizontal axis represents the vehicle travel distance, the NOx amount that can be stored to the maximum by the NSR catalyst 4 (NOx storage amount), and the NSR catalyst 4 that is stored in the NSR catalyst 4 and can be removed with a weak rich air-fuel ratio.
  • This is the amount of sulfur component that cannot be produced (S accumulation amount).
  • the used fuel has a sulfur component concentration of 37 ppm.
  • the sulfur poisoning recovery process is performed at a weakly rich air-fuel ratio every 1000 km of vehicle travel distance. The reason why the sulfur poisoning recovery process is performed at a slightly rich air-fuel ratio every 1000 km is to prevent the NOx purification rate from being outside the allowable range due to sulfur poisoning. This sulfur poisoning recovery process The distance traveled when performing the operation varies depending on the concentration of the sulfur component in the fuel used.
  • NSR in FIGS. 2 and 3 is the NOx purification rate downstream of the NSR catalyst 4 and upstream of the SCR catalyst 5. This may be a ratio of the amount of NOx purified before passing through the NSR catalyst 4 to the amount of NOx discharged from the internal combustion engine 1.
  • NSR is also referred to as a NOx purification rate in the NSR catalyst 4 hereinafter.
  • SCR in FIGS. 2 and 3 is the NOx purification rate on the downstream side of the SCR catalyst 5. This may be a ratio of the amount of NOx purified before passing through the SCR catalyst 5 to the amount of NOx discharged from the internal combustion engine 1.
  • SCR may be the NOx purification rate of the entire system. Note that “SCR” is hereinafter also referred to as the NOx purification rate of the entire system.
  • NH 3 in FIGS. 2 and 3 is the amount of NH 3 produced by the NSR catalyst 4 when a rich spike is performed once.
  • the accumulated amount of S on the horizontal axis is the amount of sulfur component that is accumulated without being removed even when the sulfur poisoning recovery process is performed at a slightly rich air-fuel ratio. Even if the sulfur poisoning recovery process is performed every 1000 km, the S accumulation amount increases by, for example, 0.2 g every 1000 km traveling. Further, the NOx storage amount on the horizontal axis is the NOx amount that can be stored in the NSR catalyst 4 to the maximum extent. This NOx occlusion amount decreases due to a sulfur component that is not removed even when the sulfur poisoning recovery process is performed at a slightly rich air-fuel ratio.
  • the alternate long and short dash line is a threshold value of the allowable range of the NOx purification rate, and a NOx purification rate equal to or higher than the value indicated by the alternate long and short dash line is required. That is, if “SCR” is greater than or equal to the alternate long and short dash line, the NOx purification rate falls within the allowable range.
  • the threshold value of the NOx purification rate varies depending on laws and regulations, and FIGS. 2 and 3 show two threshold values.
  • the NOx purification rate downstream of the NSR catalyst 4 is higher in the case shown in FIG. That is, the shorter the lean air-fuel ratio, the higher the NOx purification rate in the NSR catalyst 4.
  • the NOx purification rate in the NSR catalyst 4 becomes higher when the interval between rich spikes is shortened.
  • the amount of NH 3 produced is more in the case shown in FIG. That is, the amount of NH 3 generated is larger as the lean air-fuel ratio is longer. As described above, the amount of NH 3 generation increases as the interval between rich spikes is increased. Since the amount of NH 3 produced increases, a large amount of reducing agent can be supplied to the SCR catalyst 5, so that the NOx purification rate in the SCR catalyst 5 can be increased.
  • the NOx purification rate in the NSR catalyst 4 and the SCR catalyst 5 is changed by changing the rich spike interval. 2 and 3, when the travel distance is short, the NOx purification rate of the entire system is high. However, as the travel distance becomes longer, the NOx purification rate of the entire system becomes higher in the case of FIG.
  • the sulfur poisoning recovery process may be performed at a strong rich air-fuel ratio when the NOx purification rate of the entire system is above the threshold value.
  • FIG. 4 summarizes the above.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the maximum amount of NOx that can be stored in the NSR catalyst 4 (NOx storage amount) and the interval between rich spikes.
  • NOx storage amount the maximum amount of NOx that can be stored in the NSR catalyst 4
  • the relationship shown in FIG. 4 is a relationship obtained in consideration of a decrease in the NOx occlusion amount due to accumulation of sulfur components that cannot be removed with a weak rich air-fuel ratio, a deterioration in fuel consumption due to a rich spike, and a decrease in NH 3 generation amount. .
  • “A” represents a range of rich spike intervals that can be set for each NOx storage amount. That is, the range of rich spike intervals that can be set corresponding to the maximum amount of NOx that can be stored in the NSR catalyst 4 is shown. This range becomes narrower as the NOx occlusion amount decreases. That is, as the NOx occlusion amount decreases, the upper limit value B of the rich spike interval decreases and the lower limit value C increases.
  • alternate long and short dash lines D, E, and F indicate the degree of deterioration in fuel consumption due to rich spikes.
  • D is 0.8%
  • E is 1.0%
  • F is 1.1%. Deterioration occurs.
  • the rich spike interval may be the longest among the settable rich spike intervals. That is, the rich spike interval may be set to a value on the line indicated by B according to the NOx occlusion amount. By doing so, the interval between rich spikes becomes shorter as the amount of NOx that can be stored in the NSR catalyst 4 to the maximum becomes smaller. For example, when the NOx occlusion amount is 400 mg, the interval between rich spikes is 88 seconds, when it is 350 mg, it is 86 seconds, and when it is 300 mg, it is 84 seconds.
  • the maximum amount of NOx that can be stored in the NSR catalyst 4 may be the amount of NOx stored when the NOx concentration in the exhaust gas flowing out from the NSR catalyst 4 exceeds the allowable range. Moreover, it is good also as the amount of NOx occluded after performing rich spike until it becomes impossible to occlude NOx. Moreover, it is good also as NOx amount occluded after performing a rich spike control last time until a NOx purification rate becomes less than a threshold value.
  • the NOx amount stored in the NSR catalyst 4 can be calculated as the difference between the NOx amount flowing into the NSR catalyst 4 and the NOx amount flowing out from the NSR catalyst 4.
  • the amount of NOx flowing into the NSR catalyst 4 and the amount of NOx flowing out of the NSR catalyst 4 can be calculated based on the intake air amount and the NOx concentration, respectively. Further, the NOx concentration in the exhaust gas flowing into the NSR catalyst 4 may be estimated based on the operating state of the internal combustion engine 1.
  • the sulfur poisoning recovery process is performed before the NOx purification rate of the entire system falls below the threshold. For this reason, for example, when a fuel containing a sulfur component of 37 ppm is used, a sulfur poisoning recovery process is performed every 1000 km in order to suppress discharge of harmful components. And the NOx occlusion amount for every 1000 km travel corresponds to S1, S2, S3 and S4 in FIG. That is, if the sulfur poisoning recovery process is performed when the NOx occlusion amount is S1, S2, S3, S4, the sulfur poisoning recovery process is performed every 1000 km travel.
  • the sulfur poisoning recovery process By performing the sulfur poisoning recovery process at such NOx occlusion amount, the sulfur poisoning recovery can be performed at an appropriate time. Further, the deterioration of fuel consumption is suppressed, and even if a sulfur component remains in the NSR catalyst 4, harmful components in the exhaust gas can be sufficiently purified.
  • the sulfur poisoning recovery process is performed at a strong rich air-fuel ratio when the NOx occlusion amount of S3 in FIG.
  • the sulfur poisoning recovery process is performed next time when the NOx occlusion amount is S1. That is, the sulfur poisoning recovery process is performed at the weak rich air-fuel ratio at S1 and S2, and the sulfur poisoning recovery process is performed at the strong rich air-fuel ratio at S3.
  • the sulfur poisoning recovery process is performed at a strong rich air-fuel ratio, the three-way catalyst 3 becomes lower than the air-fuel ratio at which HC and CO can be purified, so the amount of HC and CO emissions increases. Further, H 2 S may be generated from the released sulfur component. For this reason, the sulfur poisoning recovery process is performed at a slightly rich air-fuel ratio when the maximum amount of NOx that can be stored in the NSR catalyst 4 is sufficiently within the allowable range at S1 and S2 in FIG. Then, the sulfur poisoning recovery process is performed at the strong rich air-fuel ratio only when the NOx occlusion amount that can be stored at the maximum in the NSR catalyst 4 is outside the allowable range and is the NOx occlusion amount of S3 in FIG. , HC, CO, H 2 S emissions can be reduced.
  • FIG. 5 is a flowchart showing the flow of the sulfur poisoning recovery process according to the present embodiment. This routine is executed by the ECU 10 every predetermined time.
  • step S101 the travel distance of the vehicle is acquired.
  • the travel distance of the vehicle is acquired as a value correlated with the maximum amount of NOx that can be stored in the NSR catalyst 4.
  • the travel distance of the vehicle is also acquired as a value correlated with the amount of sulfur component stored in the NSR catalyst 4.
  • the maximum amount of NOx that can be stored in the NSR catalyst 4 may be detected, or a value that is correlated with the maximum amount of NOx that can be stored in the NSR catalyst 4 may be acquired.
  • step S102 it is determined whether the travel distance of the vehicle is a specified value. In this step, for example, it is determined whether the travel distance of the vehicle is an integral multiple of 1000 km. At this time, it may be determined whether or not the travel distance of the vehicle is within a predetermined range including an integer multiple of 1000 km. In this step, it is determined whether or not the sulfur poisoning recovery of the NSR catalyst 4 is necessary. Note that it may be determined whether or not the sulfur poisoning recovery of the NSR catalyst 4 is necessary based on the maximum amount of NOx that can be stored in the NSR catalyst 4. For example, it may be determined whether or not the maximum amount of NOx that can be stored in the NSR catalyst 4 is less than a threshold value. Since the travel distance for performing the sulfur poisoning recovery process varies depending on the concentration of the sulfur component in the fuel, the determination condition may be changed according to the concentration of the sulfur component in the fuel that can be supplied.
  • step S102 If an affirmative determination is made in step S102, the process proceeds to step S103, whereas if a negative determination is made, the process proceeds to step S106.
  • step S103 it is determined whether or not the vehicle has traveled 3000 km since the previous sulfur poisoning recovery process was completed. At this time, it may be determined whether or not the travel distance of the vehicle after completion of the previous sulfur poisoning recovery process is within a predetermined range including 3000 km. In this step, it may be determined whether or not the maximum amount of NOx that can be stored in the NSR catalyst 4 is less than the threshold value. In this step, it is determined whether or not the accumulated amount of sulfur component that cannot be removed by the weak rich air-fuel ratio exceeds the allowable range. If an affirmative determination is made in step S103, the process proceeds to step S104. On the other hand, if a negative determination is made, the process proceeds to step S105. In this embodiment, the ECU 10 that processes step S103 corresponds to the control device in the present invention.
  • step S104 the sulfur poisoning recovery process is performed at a strong rich air-fuel ratio. That is, a process for removing all sulfur components from the NSR catalyst 4 is performed.
  • step S104 corresponds to the second control in the present invention.
  • step S105 the sulfur poisoning recovery process is performed with a weak rich air-fuel ratio. At this time, the sulfur component remains in the NSR catalyst 4, but the discharge amount of HC, CO, H 2 S is suppressed. In this embodiment, step S105 corresponds to the first control in the present invention.
  • the weak rich air-fuel ratio is selected, and when it is less than the threshold value, the strong rich air-fuel ratio is selected and the sulfur poisoning recovery process is performed. May be.
  • step S106 the interval between rich spikes is determined.
  • the rich spike is performed to reduce NOx stored in the NSR catalyst 4 and to supply NH 3 to the SCR catalyst 5.
  • the interval between the rich spikes is determined using the relationship shown in FIG. 4 according to the travel distance or the NOx occlusion amount.
  • rich spike is performed at an interval determined in this step. The rich spike is performed only for a time corresponding to the NOx occlusion amount.
  • a weak rich air-fuel ratio or a strong rich air-fuel ratio is selected according to the travel distance of the vehicle on which the internal combustion engine 1 is mounted.
  • the weak rich air-fuel ratio or the strong rich air-fuel ratio may be selected using another value that is correlated with the amount of sulfur component that is accumulated and cannot be removed by the weak rich air-fuel ratio.
  • the weak rich air-fuel ratio or the strong rich air-fuel ratio may be selected according to the purification performance of the NSR catalyst 4 or the number of times of performing the sulfur poisoning recovery process.
  • step S101 the number of times of performing the sulfur poisoning recovery process is acquired.
  • step S103 if the number of times of performing the sulfur poisoning recovery process including this time is a multiple of 3, the process proceeds to step S104 In other cases, the process may proceed to step S105. Further, for example, after performing the sulfur poisoning recovery process at the weak rich air-fuel ratio twice, the sulfur poisoning recovery process at the strong rich air-fuel ratio may be performed once.
  • the purification performance of the NSR catalyst 4 is determined based on the NOx purification rate of the NSR catalyst 4, the NOx storage amount of the NSR catalyst 4, the oxygen storage amount of the NSR catalyst 4, or the NH 3 generation amount of the NSR catalyst 4. Also good.
  • the NOx purification rate of the NSR catalyst 4, the NOx storage amount of the NSR catalyst 4, the oxygen storage amount of the NSR catalyst 4, and the NH 3 generation amount of the NSR catalyst 4 may be acquired by a known technique.
  • the NOx purification rate in the NSR catalyst 4 may be acquired in step S101, and when the NOx purification rate is less than the threshold value in step S103, the process may proceed to step S104, and when it is equal to or greater than the threshold value, the process may proceed to step S105.
  • step S101 the maximum amount of NOx that can be stored in the NSR catalyst 4 is acquired, and in step S103, when the maximum amount of NOx that can be stored in the NSR catalyst 4 is less than the threshold value, the process proceeds to step S104. When the value is equal to or greater than the threshold, the process may proceed to step S105.
  • the oxygen storage amount of the NSR catalyst 4 is acquired.
  • step S104 If the oxygen storage amount of the NSR catalyst 4 is less than the threshold value in step S103, the process proceeds to step S104, and if the oxygen storage amount of the NSR catalyst 4 is greater than the threshold value, step S105 is performed. You may go on. Further, for example, in step S101, the NH 3 generation amount of the NSR catalyst 4 is acquired, and when the NH 3 generation amount of the NSR catalyst 4 is less than the threshold value in step S103, the process proceeds to step S104. You may progress to step S105.
  • the air-fuel ratio may be relatively low, for example, 12.5 from the beginning, but after the sulfur component is first released with a weak rich air-fuel ratio, The accumulated sulfur component may be released as a strong rich air-fuel ratio. That is, after performing the sulfur poisoning recovery process at the weak rich air-fuel ratio, the sulfur poisoning recovery process may be performed continuously at the strong rich air-fuel ratio.
  • FIG. 6 is a time chart showing the transition of the air-fuel ratio, SOx concentration, and H 2 S concentration when the sulfur poisoning recovery process is performed at the weak rich air-fuel ratio.
  • FIG. 7 shows the air-fuel ratio, the SOx concentration, and the H 2 S concentration when the sulfur poisoning recovery process is performed at the weak rich air-fuel ratio and the sulfur poisoning recovery process is subsequently performed at the strong rich air-fuel ratio.
  • the air-fuel ratio is the air-fuel ratio of the gas discharged from the internal combustion engine 1 or the air-fuel ratio of the gas flowing into the NSR catalyst 4.
  • the SOx concentration and the H 2 S concentration are values on the downstream side of the NSR catalyst 4.
  • the period during which the weakly rich air-fuel ratio is set to 30 minutes at the maximum.
  • the period for setting the weak rich air-fuel ratio is 30 minutes at the maximum, and the period for setting the strong rich air-fuel ratio is 2.5 minutes at the maximum.
  • the SOx concentration increases due to the sulfur component released from the NSR catalyst 4.
  • the air-fuel ratio is weakly rich, the amount of H 2 S generated is relatively small with respect to the amount of SOx released. That is, the ratio of the H 2 S concentration to the SOx concentration is low.
  • the weak rich air-fuel ratio the amount of H 2 S is suppressed.
  • the sulfur poisoning recovery process may be performed at a weak rich air-fuel ratio until no sulfur component is released, and then the sulfur poisoning recovery process may be performed continuously at a strong rich air-fuel ratio. In this way, the amount of HC, CO, H 2 S emitted can be reduced by shortening the time for performing the sulfur poisoning recovery process at the strong rich air-fuel ratio.
  • the air-fuel ratio reference value may be set to 20, for example, and the air-fuel ratio may be set to 12.5 for a short time at a predetermined interval. That is, the sulfur poisoning recovery process can be performed by frequently changing the lean air-fuel ratio to a strong rich air-fuel ratio. For example, the strongly rich air-fuel ratio may be reached before the oxygen storage amount of the NSR catalyst 4 reaches the upper limit.
  • FIG. 8 shows a case in which sulfur poisoning recovery processing is performed at an air-fuel ratio of 14.3, for example, and then the air-fuel ratio is continuously increased to, for example, 20.
  • 6 is a time chart showing changes in air-fuel ratio, SOx concentration, and H 2 S concentration when a sulfur poisoning recovery process is performed with an fuel ratio of 12.5, for example.
  • the time for setting the air-fuel ratio to 12.5, for example, is 1.4 seconds, for example.
  • the timing of the sulfur poisoning recovery process is changed depending on which part of the NSR catalyst 4 stores the sulfur component. Since other devices are the same as those in the first embodiment, the description thereof is omitted.
  • FIG. 9 is a view showing a sulfur poisoning portion of the NSR catalyst 4 when the space velocity (SV) is relatively low.
  • FIG. 10 is a view showing a sulfur poisoning portion of the NSR catalyst 4 when the SV is relatively high.
  • FIG. 11 is a diagram showing the NOx occlusion site of the NSR catalyst 4 when the SV is relatively low.
  • FIG. 12 is a diagram showing the NOx occlusion site of the NSR catalyst 4 when the SV is relatively high.
  • arrows indicate the direction in which the exhaust flows.
  • the left diagram is a view of the NSR catalyst 4 seen from the lateral direction
  • the right diagram is a diagram of the NSR catalyst 4 seen from the upstream side of the exhaust.
  • SV may be a load of the internal combustion engine 1, an exhaust flow velocity, or an exhaust flow rate.
  • the space velocity (SV) is low, and the exhaust gas flows in a radial direction. That is, the exhaust gas flows in the same manner near the central axis and the outer periphery of the NSR catalyst 4. For this reason, the sulfur component is uniformly occluded from the central axis to the outer periphery. Further, the NSR catalyst 4 is mainly stored in the upstream side. Similarly, NOx spreads in the radial direction of the NSR catalyst 4 and is occluded. And since the site
  • NOx when the internal combustion engine 1 is under a low load, NOx can be stored even if the amount of stored sulfur component is large. For this reason, for example, a sulfur poisoning recovery process may be performed when 2.5 g of a sulfur component is occluded.
  • NOx when the internal combustion engine 1 is at a medium load or a high load, NOx may not be occluded even if the amount of the occluded sulfur component is small. For this reason, for example, a sulfur poisoning recovery process may be performed when 0.7 g of a sulfur component is occluded.
  • the sulfur poisoning recovery process is carried out in a state where the amount of occluded sulfur component is smaller at the time of medium load or high load than at the time of low load. Note that the lower the SV, the longer the interval between the sulfur poisoning recovery processes.
  • the inside of the NSR catalyst 4 is divided into a plurality of parts, and the amount of sulfur component stored in each part is obtained.
  • FIG. 13 is a diagram showing how the inside of the NSR catalyst 4 is divided.
  • FIG. 14 is a diagram for calculating a distribution coefficient that is a value correlated with the amount of sulfur component stored in each part.
  • the arrow indicates the direction in which the exhaust flows.
  • the left diagram is a view of the NSR catalyst 4 seen from the lateral direction
  • the right diagram is a diagram of the NSR catalyst 4 seen from the upstream side of the exhaust.
  • the NSR catalyst 4 is divided into four of X1, X2, X3, and X4 in the exhaust flow direction and three of Y1, Y2, and Y3 in the radial direction. Therefore, the NSR catalyst 4 is divided into 12 parts in total. In the present embodiment, the NSR catalyst 4 is divided into 12 parts, but may be divided into 11 or less parts, or may be divided into 13 or more parts.
  • FIG. 14 for each of the cases where SV is low (low SV) and SV is high (high SV), the transition of the counter correlated with the amount of sulfur component adhering to X1 to X4 and Y1 to Y3 is shown. Show. In this way, counters corresponding to X1 to X4 and Y1 to Y3 are stored in the ECU 10 in advance. This counter multiplies the value in the exhaust flow direction by the value in the radial direction of the NSR catalyst 4 to calculate a distribution coefficient that is correlated with the amount of sulfur component stored in each part. Is set in advance by experiments or the like. This counter is set based on FIG. 9 and FIG. In the present embodiment, although divided into two, low SV and high SV, it may be divided into three or more.
  • the counter becomes larger.
  • the counter increases on the upstream side in the flow direction and in the entire radial direction.
  • the counter becomes large in the entire flow direction and on the central axis side in the radial direction.
  • the counter may be set so that the storage amount of the sulfur component in each part can be calculated by multiplying the distribution coefficient by the SOx concentration in the exhaust gas flowing into the NSR catalyst 4.
  • the amount of sulfur component accumulated without being removed by the sulfur poisoning recovery process at the weak rich air-fuel ratio can also be calculated.
  • the amount or ratio of the sulfur component remaining when the sulfur poisoning recovery process is performed at a weakly rich air-fuel ratio may be obtained in advance by experiments or the like for each part.
  • the NOx purification performance at each site can be estimated from the amount of occluded sulfur component at each site. Furthermore, the NOx purification performance of the entire NSR catalyst 4 can also be estimated. Based on the overall NOx purification performance of the NSR catalyst 4, it is possible to determine when to perform the sulfur poisoning recovery process.
  • FIG. 15 is a flowchart showing a flow of the sulfur poisoning recovery process according to the present embodiment. This routine is executed by the ECU 10 every predetermined time.
  • step S201 SV is read.
  • the SV is calculated from the intake air amount obtained by the air flow meter 15.
  • step S202 a distribution coefficient is calculated.
  • the ECU 10 that processes step S202 corresponds to a coefficient calculation unit in the present invention.
  • step S203 the NOx purification rate of each part in the NSR catalyst 4 is calculated based on the distribution coefficient.
  • the relationship between the distribution coefficient and the NOx purification rate is obtained in advance by experiments or the like for each SV and stored in the ECU 10.
  • the ECU 10 that processes step S203 corresponds to the site-specific purification performance calculation unit in the present invention.
  • step S204 the NOx purification rate of the NSR catalyst 4 as a whole is calculated. By adding the NOx purification rate in each part, the NOx purification rate of the NSR catalyst 4 as a whole is calculated.
  • the ECU 10 that processes step S204 corresponds to the overall purification performance calculation unit in the present invention.
  • step S205 it is determined whether the NOx purification rate in the NSR catalyst 4 is less than a threshold value. This threshold is the lower limit value of the NOx purification rate that does not require the sulfur poisoning recovery process. If an affirmative determination is made in step S205, the process proceeds to step S206. On the other hand, if a negative determination is made, this routine is terminated.
  • step S206 sulfur poisoning recovery processing is executed.
  • the time for performing the sulfur poisoning recovery process is, for example, 10 minutes when the SV is high, and is 30 minutes, for example, when the SV is low. That is, at the time of high SV, the sulfur poisoning recovery process is performed even if the sulfur component storage amount is small, so the time for performing the sulfur poisoning recovery process is shortened according to the sulfur component storage amount.
  • the sulfur poisoning recovery process is performed after the sulfur component storage amount increases, so the time for performing the sulfur poisoning recovery process is lengthened in accordance with the sulfur component storage amount. Further, when the NOx purification rate is so low that it is necessary to perform the sulfur poisoning recovery process at the strong rich air-fuel ratio, the sulfur poisoning recovery process is performed at the strong rich air-fuel ratio.
  • FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the storage amount of the sulfur component at high SV, the NOx purification rate, the NOx storage amount, and the NH 3 generation amount.
  • FIG. 17 is a graph showing the relationship between the sulfur component storage amount at the time of low SV, the NOx purification rate, the NOx storage amount, and the NH 3 generation amount. 16 and 17, the NOx occlusion amount is the NOx amount that can be occluded in the NSR catalyst 4 to the maximum extent.
  • the NOx purification rate is the NOx purification rate of the entire system.
  • the NOx purification rate decreases even if the storage amount of the sulfur component is small. Further, the NOx occlusion amount and the NH 3 production amount are also quickly reduced.
  • the NOx purification rate falls outside the allowable range when the storage amount of the sulfur component exceeds 2.0 g, for example. Further, the NOx occlusion amount and the NH 3 generation amount do not decrease immediately.
  • the sulfur poisoning recovery process may be performed, and the time for performing the sulfur poisoning recovery process may be determined according to each SV.

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Abstract

　排気浄化触媒の硫黄被毒をより適切に回復させる。このため、排気浄化触媒に流入する排気の空燃比を理論空燃比以下に設定して、該排気浄化触媒から硫黄成分を除去する第一制御と、排気浄化触媒に流入する排気の空燃比を、第一制御において設定される排気の空燃比よりもさらに低い空燃比に設定して、排気浄化触媒から硫黄成分を除去する第二制御と、を選択的に実行する内燃機関の排気浄化装置において、排気浄化触媒の浄化性能、内燃機関が搭載される車両の走行距離、排気浄化触媒から硫黄成分を除去した回数の少なくとも１つに基づいて、第一制御または第二制御の何れかを実行する制御装置を備える。

Description

内燃機関の排気浄化装置
　本発明は、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吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＮＳＲ触媒ともいう。）を配置する技術が知られている。このＮＳＲ触媒は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯｘを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していたＮＯｘを還元する。
　このＮＳＲ触媒には、燃料に含まれる硫黄成分（ＳＯｘ）もＮＯｘと同様に吸蔵される。このように吸蔵されたＳＯｘはＮＯｘよりも放出されにくく、ＮＳＲ触媒内に蓄積される。これを硫黄被毒という。この硫黄被毒によりＮＳＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率が低下するため、適宜の時期に硫黄被毒回復処理を施す必要がある。この硫黄被毒回復処理は、内燃機関にてリッチ空燃比で燃焼させた排気をＮＳＲ触媒に流通させて行われる。
　ここで、ＮＳＲ触媒に流入したＳＯｘ量が所定量を超えたときに硫黄被毒回復処理を実施し、蓄積されたＳＯｘのほぼ全量を放出させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
　また、ＮＳＲ触媒が吸蔵し得る最大のＮＯｘ量に基づいて硫黄被毒回復処理を実施する時期を決定する技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
　また、ＮＯｘ触媒を排気の流れ方向に複数の部位に分割し、部位毎に劣化状態を計算し、各部位の劣化状態からＮＯｘ触媒全体としての劣化状態を計算する技術が知られている（例えば、特許文献３参照。）。
　また、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を、リーン側からリッチ側にした後、一旦リーン側に所定時間戻し、再度リッチ側にする一連の制御を少なくとも１回実行することにより、ＮＯｘ触媒に蓄積された硫黄成分を浄化する技術が知られている（例えば、特許文献４参照。）。
　また、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を、リーン側からリッチ側に変化させることで、ＮＯｘ触媒に蓄積された硫黄成分の浄化と、該ＮＯｘ触媒よりも下流側のフィルタに捕集されたＰＭの除去と、を同時に行い、フィルタに流入する排気の空燃比が所定の閾値を下回った場合には、目標空燃比をリッチ空燃比である第１目標空燃比から、さらに低い空燃比である第２目標空燃比に切り替える技術が知られている（例えば、特許文献５参照。）。
　ところで、ＮＳＲ触媒の硫黄被毒回復処理時において、該ＮＳＲ触媒に吸蔵されている硫黄成分の全量を放出させるためには、排気の空燃比を例えば１２．５程度に低くする必要があるため、ＨＣやＣＯの排出量が多くなる虞がある。また、排気の空燃比を低くすることにより、燃費が悪化する虞もある。さらに、排気の空燃比を低くして硫黄被毒回復処理を実施すると、Ｈ２Ｓが発生する虞もある。このような理由から、排気の空燃比を例えば１４．３程度にしてＮＳＲ触媒の硫黄被毒回復処理を実施している。すなわち、リッチ空燃比であるものの、理論空燃比に近い空燃比で硫黄被毒回復処理を実施している。しかし、排気の空燃比を例えば１４．３程度にしてＮＳＲ触媒の硫黄被毒回復処理を実施した場合には、ＮＳＲ触媒に吸蔵されている硫黄成分の一部が除去し切れずに残留してしまう。このＮＳＲ触媒に残留する硫黄成分が徐々に多くなることで、ＮＳＲ触媒の浄化性能が徐々に低下してしまう。
特開２００５－０４２７３４号公報 特開２００１－０５５９１９号公報 特開２００８－２２３６７９号公報 特開２０１０－２２３０７６号公報 特開２０１０－２０３３２０号公報
　本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、排気浄化触媒の硫黄被毒をより適切に回復させることにある。
　上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化装置は、
　内燃機関の排気通路に排気浄化触媒を備え、
　前記排気浄化触媒に流入する排気の空燃比を理論空燃比以下に設定して、該排気浄化触媒から硫黄成分を除去する第一制御と、
　前記排気浄化触媒に流入する排気の空燃比を、前記第一制御において設定される排気の空燃比よりもさらに低い空燃比に設定して、前記排気浄化触媒から硫黄成分を除去する第二制御と、
　を選択的に実行する内燃機関の排気浄化装置において、
　前記排気浄化触媒から硫黄成分を除去する場合に、前記排気浄化触媒の浄化性能、前記内燃機関が搭載される車両の走行距離、前記排気浄化触媒から硫黄成分を除去した回数の少なくとも１つに基づいて、前記第一制御または前記第二制御の何れかを実行する制御装置を備える。
　ここで、排気浄化触媒は、排気中の硫黄成分により浄化性能が低下する触媒である。第一制御及び第二制御によれば、硫黄成分が除去されるが、空燃比をより低くする第二制御によれば、硫黄成分をより多く除去することができる。すなわち、第一制御により排気浄化触媒から硫黄成分を除去したとしても、硫黄成分の一部が排気浄化触媒に残留する。しかし、第二制御のみにより硫黄成分を除去すると、ＨＣ，ＣＯ，Ｈ２Ｓの排出量が多くなる。
　そこで、制御装置は、排気浄化触媒の硫黄被毒回復処理を実施するときに、第一制御または第二制御の何れか一方を実行する。例えば、ＨＣ，ＣＯ，Ｈ２Ｓの排出量を抑えるために、通常は第一制御により硫黄成分を除去する。そして、排気浄化触媒に硫黄成分が多く蓄積されたときに、第二制御により硫黄成分を除去してもよい。
　ここで、排気浄化触媒の浄化性能、内燃機関が搭載される車両の走行距離、及び排気浄化触媒から硫黄成分を除去した回数は、排気浄化触媒に蓄積されている硫黄成分の量と相関関係がある。
　すなわち、排気浄化触媒に蓄積されている硫黄成分の量が多くなるほど、排気浄化触媒の浄化性能が低下する。例えば、排気浄化触媒の浄化性能が比較的高い場合には、第一制御を実行すればよい。一方、排気浄化触媒の浄化性能が比較的低い場合には、排気浄化触媒に多くの硫黄成分が蓄積されていると考えられるため、第二制御を実行する。また、例えば、排気浄化触媒の浄化性能と相関関係にある物理量を取得し、該物理量を閾値と比較することで、第一制御または第二制御を実行してもよい。
　また、内燃機関が搭載される車両の走行距離が長くなると、排気浄化触媒により多くの硫黄成分が蓄積される。したがって、車両の走行距離が比較的短い間は、第一制御を実行すればよい。一方、車両の走行距離が比較的長くなった場合には、硫黄成分の蓄積量が多くなる。このような場合に、第二制御を実行すれば、排気浄化触媒に蓄積された硫黄成分をより多く除去することができる。
　さらに、第一制御により硫黄成分を除去しても、その回数が多くなると、除去されずに蓄積された硫黄成分の量が多くなる。したがって、例えば、第一制御を実行した回数が規定値となった後に、第二制御を実行してもよい。
　なお、第二制御により硫黄成分が除去された後は、排気浄化触媒の浄化性能が回復するため、その後は第一制御を実行すればよい。
　このように、排気浄化触媒から硫黄成分を除去する手段を二つ備え、そのときの状況に応じて何れかを実行すれば、排気浄化触媒の硫黄被毒をより適切に回復させることができる。
　また、本発明においては、前記制御装置は、前記第一制御を実行する頻度を、前記第二制御を実行する頻度よりも高くすることができる。
　ここで、排気浄化触媒に硫黄成分が多く蓄積されるまでは、第一制御を実行すれば足りるため、第一制御を実行する頻度を高くすればよい。そして、第一制御によっては除去できない硫黄成分が多くなったときに第二制御を実行すればよい。このように、第一制御を実行する頻度を高くすることにより、ＮＯｘの浄化率が低下することを抑制しつつ、ＨＣ等の排出量を低減することができる。
　また、本発明においては、前記制御装置は、前記第二制御を実行するときに、前記第一制御の後に連続して前記第二制御を実行することができる。
　すなわち、第二制御により硫黄成分を除去する直前に、第一制御により硫黄成分を除去してもよい。ここで、第二制御により硫黄成分を除去するときには、空燃比が低いためにＨ２Ｓが発生しやすくなる。そして、第二制御により硫黄成分を除去するときに蓄積されている硫黄成分の量が多くなるほど、Ｈ２Ｓの発生量が多くなる。また、第二制御により硫黄成分を除去する必要があっても、そのときに第一制御により除去可能な硫黄成分も排気浄化触媒に吸蔵されている。そこで、最初に第一制御により除去可能な硫黄成分を第一制御により除去し、その後に、第一制御では除去できない硫黄成分を第二制御により除去すれば、ＨＣ，ＣＯの排出量を減少させることができ、また、Ｈ２Ｓの発生量を減少させることができる。
　また、本発明においては、前記制御装置は、前記排気浄化触媒の浄化性能が閾値以上の場合には前記第一制御を実行し、前記排気浄化触媒の浄化性能が閾値未満の場合には前記第二制御を実行することができる。
　ここで、排気浄化触媒に蓄積された硫黄成分の量が多くなりすぎると、第一制御を繰り返し実施しても、システム全体としてのＮＯｘ浄化率が許容範囲外となる。これに対し、排気浄化触媒の浄化性能が、閾値以上の場合には第一制御を実行し、閾値未満の場合には第二制御を実行すれば、ＮＯｘ浄化率が許容範囲外となることを抑制できる。すなわち、閾値は、第一制御を実行することによりＮＯｘ浄化率が許容範囲内となる排気浄化触媒の浄化性能の下限値とすることができる。なお、閾値は、ある程度の余裕を持たせた値としてもよい。
　また、本発明においては、前記制御装置は、前記排気浄化触媒の浄化性能を、前記排気浄化触媒のＮＯｘ浄化率、前記排気浄化触媒のＮＯｘ吸蔵量、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量、前記排気浄化触媒のＮＨ３生成量のうちの少なくとも１つに基づいて決定することができる。
　ここで、排気浄化触媒の浄化性能は、排気浄化触媒がＮＯｘを浄化する性能と考えてもよい。また、ＮＯｘ浄化率は、排気浄化触媒に流入するＮＯｘに対して、該排気浄化触媒で浄化されるＮＯｘの比である。また、ＮＯｘ吸蔵量は、例えば、排気浄化触媒に最大限吸蔵可能なＮＯｘ量としてもよい。ここで、第一制御を繰り返し実行しても、硫黄成分が徐々に蓄積されることにより、ＮＯｘ浄化率、ＮＯｘ吸蔵量、酸素吸蔵量、及びＮＨ３生成量が徐々に低下する。これに対し、ＮＯｘ浄化率、ＮＯｘ吸蔵量、酸素吸蔵量、またはＮＨ３生成量が低下した場合に、第二制御を実行することにより、ＮＯｘ浄化率、ＮＯｘ吸蔵量、酸素吸蔵量、またはＮＨ３生成量を回復させることができる。例えば、ＮＯｘ浄化率、ＮＯｘ吸蔵量、酸素吸蔵量、またはＮＨ３生成量が、閾値以上の場合には第一制御を実行し、閾値未満の場合には第二制御を実行してもよい。
　また、本発明においては、前記排気浄化触媒よりも下流側にＮＨ３を還元剤とする選択還元型ＮＯｘ触媒を備えることができる。
　なお、排気浄化触媒は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＮＳＲ触媒）としてもよい。ＮＳＲ触媒は、リッチ空燃比のときにＮＯｘを還元すると共に、例えば、Ｈ２またはＨＣと、ＮＯと、を反応させてＮＨ３を生成する。すなわち、排気の空燃比がリッチ空燃比のときにＮＨ３が生成される。なお、ＮＳＲ触媒以外の他の触媒（例えば三元触媒）であっても、ＮＨ３を生成することができる。選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）は、このＮＨ３を吸着し、該ＮＨ３によりＮＯｘを還元する。
　したがって、ＮＳＲ触媒にＮＯｘが吸蔵されているときに、排気の空燃比をリッチ空燃比とすることで、該ＮＳＲ触媒においてＮＨ３が生成される。また、排気の空燃比をリッチ空燃比とすることにより、ＮＳＲ触媒に還元剤であるＨＣ等を供給することができる。この還元剤により、ＮＳＲ触媒に吸蔵されていたＮＯｘが還元される。すなわち、リッチ空燃比とすることにより、ＮＳＲ触媒においてＮＯｘが浄化される。
　ここで、ＮＯｘの吸蔵量がより少ない状態で、排気の空燃比がリーンからリッチに切り替わるようにすると、ＮＳＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率が高くなる。また、ＮＯｘの吸蔵量がより多い状態で、排気の空燃比がリーンからリッチに切り替わるようにすると、ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率が高くなる。
　例えば、ＮＳＲ触媒に吸蔵されているＮＯｘが多いほど、リッチ空燃比としたときにＮＨ３を生成する反応が起こり易くなるので、生成されるＮＨ３量が多くなる。そして、ＮＨ３の生成量が多くなれば、ＳＣＲ触媒に多くの還元剤を供給することができるので、ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率が高くなる。すなわち、ＳＣＲ触媒においてＮＯｘ浄化率を高くするためには、ＮＳＲ触媒に吸蔵されているＮＯｘ量が多い状態を維持したほうがよい。
　一方、ＮＯｘの吸蔵量がより少ない状態で、排気の空燃比がリーンからリッチに切り替わるようにすれば、ＮＨ３の生成量が少なくなる。そうすると、ＳＣＲ触媒に供給される還元剤の量が少なくなるので、ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率は低くなる。なお、ＮＯｘの吸蔵量と、リーン空燃比とする時間と、には相関関係がある。すなわち、リーン空燃比とする時間を短くすることにより、ＮＨ３の生成量が少なくなる。これは、リッチ空燃比とする間隔を短くすることにより、ＮＨ３の生成量が少なくなるともいえる。
　また、ＮＳＲ触媒に吸蔵されているＮＯｘ量が少ない状態で、排気の空燃比がリーンからリッチに切り替わるようにすると、ＮＳＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率が高くなる。すなわち、ＮＳＲ触媒においてＮＯｘ浄化率を高くするためには、ＮＳＲ触媒に吸蔵されているＮＯｘ量が少ない状態を維持したほうがよい。例えば、ＮＳＲ触媒に吸蔵されているＮＯｘを還元するときに、ＮＯｘ量が少ない状態で排気の空燃比をリーンからリッチへ切り替えればよい。このように、リッチ空燃比とする間隔を短くすることで頻繁にＮＯｘを還元して、ＮＯｘの吸蔵量が少ない状態を維持するほうが、ＮＯｘを吸蔵し易い状態を維持できるので、ＮＳＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率が高くなる。一方、ＮＳＲ触媒におけるＮＯｘ吸蔵量が多くなると、ＮＯｘが吸蔵され難くなり、ＮＳＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率が低下してしまう。
　このように、ＮＳＲ触媒においてＮＯｘ浄化率を高くするために必要となる条件と、ＳＣＲ触媒においてＮＯｘ浄化率を高くするために必要となる条件と、は異なる。しかし、ＮＳＲ触媒において第一制御では除去することができない硫黄成分が多くなると、該ＮＳＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率が低下すると共に、ＮＨ３の生成量も少なくなる。これにより、ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率も低下する虞がある。
　そして、第一制御では除去することができない硫黄成分がＮＳＲ触媒に蓄積することによるＮＯｘ吸蔵能力の低下、空燃比を低下させることによる燃費の悪化、ＮＨ３生成量の低下によるＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率の低下等を考慮することで、第一制御及び第二制御を実行する時期を決定することができる。すなわち、第一制御では除去することができない硫黄成分が多くなるにしたがって、ＮＳＲ触媒に最大限吸蔵可能なＮＯｘの量が減少する。そして、ＮＳＲ触媒に吸蔵されているＮＯｘを還元するためにリッチ空燃比とする最適な間隔が変化する。なお、ＮＳＲ触媒に最大限吸蔵可能なＮＯｘ量が少なくなるほど、リーン空燃比とする時間を短くしてもよい。すなわち、頻繁にリッチ空燃比として、ＮＳＲ触媒に吸蔵されているＮＯｘ量が少ない状態維持してもよい。
　また、本発明においては、前記排気浄化触媒を排気の流れ方向および径方向に複数の部位に分割して、各部位に吸蔵される硫黄成分の量と相関関係にある分布係数を、前記内燃機関の運転状態に基づいて算出する係数算出部と、
　前記係数算出部により算出される分布係数から、前記各部位の浄化性能を算出する部位毎浄化性能算出部と、
　前記部位毎浄化性能算出部により算出される各部位の浄化性能から、前記排気浄化触媒の全体での浄化性能を算出する全体浄化性能算出部と、
　を備えることができる。
　ここで、排気浄化触媒に流入する排気は、空間速度（ＳＶ）が低いほど、排気浄化触媒の径方向に広がって流れる。すなわち、排気浄化触媒に対して、均一に排気が流れる。その結果、ＳＶが低いときには、径方向の広い範囲に硫黄被毒が発生する。また、硫黄成分が径方向に分散されるので、排気浄化触媒の主に上流側において硫黄被毒が発生する。
　一方、ＳＶが高いときには、排気浄化触媒の中心軸付近を排気が流れる。すなわち、排気浄化触媒に対して、偏って排気が流れる。その結果、ＳＶが高いときには、排気浄化触媒の主に中心軸付近に硫黄被毒が発生する。そして、排気浄化触媒の中心軸付近に硫黄成分が集中して流れるため、排気の流れ方向のより広い範囲に硫黄被毒が発生する。
　このように、ＳＶが高くなるほど、硫黄被毒が発生する範囲は、排気浄化触媒の中心軸側に偏り、且つ、より下流側に延びる。これは、ＮＯｘが吸蔵される範囲についても同じである。なお、空間速度（ＳＶ）は、排気の速度としてもよい。
　そして、ＳＶが低いときには、排気浄化触媒の径方向にＮＯｘが分散されるため、排気浄化触媒の径方向の広い範囲にＮＯｘを吸蔵することができる。このため、硫黄成分の吸蔵量が比較的多くても、ＮＯｘを吸蔵することができる。
　一方、ＳＶが高いときには、排気浄化触媒の中心軸付近に集中してＮＯｘが吸蔵される。このため、硫黄成分が中心軸付近に多く吸蔵されていると、ＮＯｘを吸蔵可能な部位が狭くなる。そうすると、硫黄成分の吸蔵量が比較的少ない場合にしかＮＯｘを吸蔵することができない。
　ここで、ＳＶは、内燃機関の運転状態（例えば負荷）に応じて変化する。そして、排気浄化触媒を排気の流れ方向および径方向に複数の部位に分割した場合には、各部位を流れる排気の量が、内燃機関の運転状態に応じて変化する。このため、各部に吸蔵される硫黄成分の量も内燃機関の運転状態に応じて変化する。この各部位に吸蔵される硫黄成分の量と相関関係にある値として分布係数が算出される。
　この分布係数に応じて、各部位の浄化性能が変化する。したがって、分布係数を用いれば、各部位の浄化性能を推定することができるので、これに基づいて、排気浄化触媒全体の浄化性能を推定することもできる。このようにして推定される排気浄化触媒全体の浄化性能は、硫黄成分が吸蔵されている部位が考慮された浄化性能である。これは、硫黄成分の吸蔵量のみに基づいて算出される浄化性能よりも、実際の浄化性能に近い。このため、硫黄被毒回復処理の実施時期やＮＯｘを還元する時期をより適切に設定することができる。そして、第一制御では除去しきれないで蓄積される硫黄成分も、部位毎に算出することができるので、第一制御または第二制御を実行する精度も高くなる。なお、各部位の温度も併せて考慮して、各部位の浄化性能を推定してもよい。
　本発明によれば、排気浄化触媒の硫黄被毒をより適切に回復させることができる。
実施例に係る内燃機関と、その吸気系及び排気系との概略構成を示す図である。 リーン空燃比の期間を８０秒とし、リッチ空燃比の期間を２．２秒としてリッチスパイクを実施したときの、ＮＳＲ触媒よりも下流側のＮＯｘ浄化率と、ＳＣＲ触媒よりも下流側のＮＯｘ浄化率と、ＮＳＲ触媒におけるＮＨ３生成量との推移を示した図である。 リーン空燃比の期間を４０秒とし、リッチ空燃比の期間を２．２秒としてリッチスパイクを実施したときの、ＮＳＲ触媒よりも下流側のＮＯｘ浄化率と、ＳＣＲ触媒よりも下流側のＮＯｘ浄化率と、ＮＳＲ触媒におけるＮＨ３生成量との推移を示した図である。 ＮＳＲ触媒において最大限吸蔵可能なＮＯｘ量（ＮＯｘ吸蔵量）と、リッチスパイクの間隔と、の関係を示した図である。 実施例１に係る硫黄被毒回復処理のフローを示したフローチャートである。 弱リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理を実施したときの、空燃比、ＳＯｘ濃度、Ｈ２Ｓ濃度の推移を示したタイムチャートである。 弱リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理を実施し、その後連続して強リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理を実施したときの、空燃比、ＳＯｘ濃度、Ｈ２Ｓ濃度の推移を示したタイムチャートである。 例えば１４．３の空燃比で硫黄被毒回復処理を実施し、その後連続して空燃比を例えば２０まで高くし、空燃比を２０としている間に所定の間隔で短い時間だけ空燃比を例えば１２．５として硫黄被毒回復処理を実施したときの、空燃比、ＳＯｘ濃度、Ｈ２Ｓ濃度の推移を示したタイムチャートである。 ＳＶが比較的低いときのＮＳＲ触媒の硫黄被毒部位を示した図である。 ＳＶが比較的高いときのＮＳＲ触媒の硫黄被毒部位を示した図である。 ＳＶが比較的低いときのＮＳＲ触媒のＮＯｘ吸蔵部位を示した図である。 ＳＶが比較的高いときのＮＳＲ触媒のＮＯｘ吸蔵部位を示した図である。 ＮＳＲ触媒の内部の分け方を示した図である。 各部位に吸蔵されている硫黄成分の量と相関関係にある値である分布係数を算出するための図である。 実施例２に係る硫黄被毒回復処理のフローを示したフローチャートである。 高ＳＶ時における硫黄成分の吸蔵量と、ＮＯｘ浄化率、ＮＯｘ吸蔵量、ＮＨ３生成量と、の関係を示した図である。 低ＳＶ時における硫黄成分の吸蔵量と、ＮＯｘ浄化率、ＮＯｘ吸蔵量、ＮＨ３生成量と、の関係を示した図である。
　以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
　図１は、本実施例に係る内燃機関と、その吸気系及び排気系との概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、ガソリン機関であるが、ディーゼル機関であってもよい。内燃機関１は、たとえば車両に搭載される。
　内燃機関１には、排気通路２が接続されている。この排気通路２の途中には、上流側から順に、三元触媒３、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４（以下、ＮＳＲ触媒４という。）、選択還元型ＮＯｘ触媒５（以下、ＳＣＲ触媒５という。）が備えられている。
　三元触媒３は、触媒雰囲気が理論空燃比のときにＮＯｘ，ＨＣおよびＣＯを最大効率で浄化する。また、三元触媒３は、酸素ストレージ能を有している。すなわち、流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときに過剰分の酸素を吸蔵し、流入する排気の空燃比がリッチ空燃比であるときに不足分の酸素を放出することにより、排気を浄化する。このような酸素ストレージ能の作用により、三元触媒３がＨＣ，ＣＯおよびＮＯｘを理論空燃比以外であっても浄化することができる。
　なお、三元触媒３には、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯｘを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していたＮＯｘを還元する機能を持たせることもできる。この場合、ＮＳＲ触媒４は無くてもよい。
　また、ＮＳＲ触媒４は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯｘを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していたＮＯｘを還元する。ＮＳＲ触媒４に供給する還元剤には、内燃機関１から排出される未燃燃料であるＨＣまたはＣＯを利用することができる。
　なお、三元触媒３またはＮＳＲ触媒４を排気が通過するときに、排気中のＮＯｘがＨＣまたはＨ２と反応してアンモニア（ＮＨ３）が生成されることがある。例えば、水性ガスシフト反応または水蒸気改質反応により排気中のＣＯやＨ２ＯからＨ２が発生すれば、該Ｈ２が三元触媒３またはＮＳＲ触媒４においてＮＯと反応してＮＨ３が生成される。そして、本実施例においては三元触媒３またはＮＳＲ触媒４が、本発明における排気浄化触媒に相当する。なお、本実施例では、ＮＳＲ触媒４を排気浄化触媒として説明するが、三元触媒３を排気浄化触媒としても同様に考えることができる。
　ＳＣＲ触媒５は、還元剤を吸着しておき、ＮＯｘが通過するときに、吸着していた還元剤によりＮＯｘを選択還元する。ＳＣＲ触媒５へ供給する還元剤には、三元触媒３またはＮＳＲ触媒４にて生成されるＮＨ３を利用することができる。
　また、三元触媒３よりも下流で且つＮＳＲ触媒よりも上流の排気通路２には、排気の温度を検出する第一温度センサ１１と、排気の空燃比を検出する空燃比センサ１２と、が取り付けられている。なお、第一温度センサ１１により三元触媒３の温度、または、ＮＳＲ触媒４の温度を検出することができる。また、空燃比センサ１２により、内燃機関１の排気の空燃比、または、ＮＳＲ触媒４に流入する排気の空燃比を検出することができる。
　また、ＮＳＲ触媒４よりも下流で且つＳＣＲ触媒５よりも上流の排気通路２には、排気の温度を検出する第二温度センサ１３が取り付けられている。なお、第二温度センサ１３によりＮＳＲ触媒４の温度、または、ＳＣＲ触媒５の温度を検出することができる。
　また、ＳＣＲ触媒５よりも下流の排気通路２には、排気の温度を検出する第三温度センサ１４が取り付けられている。なお、第三温度センサ１４によりＳＣＲ触媒５の温度を検出することができる。また、ＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒５の温度は、内燃機関１の運転状態（例えば、内燃機関１の負荷）に応じて変化するため、該内燃機関１の運転状態に応じてＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒５の温度を推定してもよい。また、ＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒５に温度センサを直接取り付けて、該ＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒５の温度を検出してもよい。
　また、各触媒の上流側及び下流側に、排気中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサを取り付けてもよい。なお、上記センサは、全て取り付ける必要はなく、適宜選択して取り付けてもよい。
　また、内燃機関１には、内燃機関１へ燃料を供給する噴射弁６が取り付けられている。
　一方、内燃機関１には、吸気通路７が接続されている。吸気通路７の途中には、内燃機関１の吸入空気量を調整するスロットル８が設けられている。また、スロットル８よりも上流の吸気通路７には、内燃機関１の吸入空気量を検出するエアフローメータ１５が取り付けられている。
　以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１を制御する。
　また、ＥＣＵ１０には、上記センサの他、運転者がアクセルペダル１６を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検知するアクセル開度センサ１７、および機関回転数を検知するクランクポジションセンサ１８が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ１０に入力される。
　一方、ＥＣＵ１０には、噴射弁６及びスロットル８が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１０により噴射弁６の開閉時期及びスロットル８の開度が制御される。
　例えばＥＣＵ１０は、アクセル開度センサ１７により検出されるアクセル開度とクランクポジションセンサ１８により検出される機関回転数とから要求吸入空気量を決定する。そして、エアフローメータ１５により検出される吸入空気量が要求吸入空気量となるように、スロットル８の開度が制御される。このときに変化する吸入空気量に応じた燃料噴射量を供給するように噴射弁６を制御する。このときに設定される空燃比は、内燃機関１の運転状態に応じて設定される空燃比である。なお、本実施例に係る内燃機関１は、リーンバーン運転がなされている。ただし、高負荷運転時などにおいて、理論空燃比近傍で内燃機関１が運転されることもある。
　そして、ＥＣＵ１０は、ＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯｘの還元処理を実施する。ＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯｘの還元時には、噴射弁６から噴射する燃料の量またはスロットル８の開度を調整することにより、ＮＳＲ触媒４に流入する排気の空燃比を所定のリッチ空燃比まで低下させる所謂リッチスパイクを実施する。
　このリッチスパイクは、例えば、ＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯｘ量が所定量となった場合に実施される。ＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯｘ量は、たとえば、ＮＳＲ触媒４に流入するＮＯｘ量と、ＮＳＲ触媒４から流出するＮＯｘ量と、の差を積算することにより算出される。ＮＳＲ触媒４に流入するＮＯｘ量と、ＮＳＲ触媒４から流出するＮＯｘ量とは、センサを取り付けることにより検出できる。また、内燃機関１を搭載する車両の走行距離に応じてリッチスパイクを行ってもよい。さらに、ＮＳＲ触媒４に最大限吸蔵可能なＮＯｘ量に基づいてリッチスパイクを行ってもよい。これについては、後述する。
　また、ＮＳＲ触媒４を硫黄被毒から回復させるために、ＥＣＵ１０は、ＮＳＲ触媒４の硫黄被毒回復処理を実施する。この硫黄被毒回復処理は、ＮＳＲ触媒４の温度を硫黄被毒回復に必要となる温度（例えば６５０℃以上）まで上昇させた後に、空燃比を所定のリッチ空燃比とすることにより実施される。
　ここで、硫黄被毒回復処理時に空燃比を低くしすぎると、ＨＣやＣＯの排出量が増加したり、また、Ｈ２Ｓが発生したりする虞がある。このため、硫黄被毒回復処理時には、理論空燃比に近い例えば１４．３程度の空燃比に設定している。なお、このような理論空燃比に近いリッチ空燃比を、以下、弱リッチ空燃比という。この弱リッチ空燃比は、例えば、リッチ空燃比であって三元触媒３においてＨＣやＣＯを浄化可能な空燃比としてもよい。なお、理論空燃比であっても硫黄被毒回復が可能であるため、弱リッチ空燃比に理論空燃比を含めてもよい。
　しかし、弱リッチ空燃比として硫黄被毒回復処理を実施しても、硫黄成分を全て除去することは困難である。このため、硫黄被毒回復処理を実施しても、除去されない硫黄成分が徐々に蓄積されていき、ＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ浄化率が低下する。また、硫黄被毒によりＮＨ３の生成量も減少するので、弱リッチ空燃比では除去されない硫黄成分により、ＳＣＲ触媒５におけるＮＯｘ浄化率も低下する。
　このため、本実施例では、弱リッチ空燃比では除去されずにＮＳＲ触媒４に蓄積された硫黄成分を除去するために、空燃比を例えば１２．５として硫黄被毒回復処理を実施する。なお、このようにリッチ空燃比の中でも比較的低いリッチ空燃比を、以下、強リッチ空燃比という。この強リッチ空燃比は、弱リッチ空燃比よりも低い空燃比である。強リッチ空燃比は、例えば、ＮＳＲ触媒４に蓄積されていた硫黄成分を全て除去することができる空燃比、または、ＮＳＲ触媒４に蓄積されていた硫黄成分を殆ど除去することができる空燃比としてもよい。
　すなわち、本実施例では、通常は弱リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理を実施し、硫黄成分が蓄積されたときに強リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理を実施する。
　ここで、図２は、リーン空燃比の期間を８０秒とし、リッチ空燃比の期間を２．２秒としてリッチスパイクを実施したときの、ＮＳＲ触媒４よりも下流側のＮＯｘ浄化率と、ＳＣＲ触媒５よりも下流側のＮＯｘ浄化率と、ＮＳＲ触媒４におけるＮＨ３生成量との推移を示した図である。すなわち、図２は、リッチスパイクの間隔を８０秒とし、リッチスパイクの時間を２．２秒としたときの図である。また、図３は、リーン空燃比の期間を４０秒とし、リッチ空燃比の期間を２．２秒としてリッチスパイクを実施したときの、ＮＳＲ触媒４よりも下流側のＮＯｘ浄化率と、ＳＣＲ触媒５よりも下流側のＮＯｘ浄化率と、ＮＳＲ触媒４におけるＮＨ３生成量との推移を示した図である。すなわち、図３は、リッチスパイクの間隔を４０秒とし、リッチ空燃比の時間を２．２秒としたときの図である。リッチスパイクは、繰り返し実行される。
　図２，３において、横軸は車両の走行距離、ＮＳＲ触媒４が最大限吸蔵可能なＮＯｘ量（ＮＯｘ吸蔵量）、及び、ＮＳＲ触媒４に蓄積されていて弱リッチ空燃比では除去することができない硫黄成分の量（Ｓ蓄積量）である。また、使用した燃料は、硫黄成分の濃度が３７ｐｐｍである。さらに、車両の走行距離が１０００ｋｍ毎に弱リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理を実施している。なお、走行距離が１０００ｋｍ毎に弱リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理を実施するのは、硫黄被毒によりＮＯｘ浄化率が許容範囲外となるのを防ぐためであり、この硫黄被毒回復処理を実施するときの走行距離は使用する燃料中の硫黄成分の濃度により変わる。
　図２，３中の「ＮＳＲ」は、ＮＳＲ触媒４よりも下流側で且つＳＣＲ触媒５よりも上流側におけるＮＯｘ浄化率である。これは、内燃機関１から排出されるＮＯｘ量に対して、ＮＳＲ触媒４を通過するまでに浄化されるＮＯｘ量の比としてもよい。なお、「ＮＳＲ」は、以下、ＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ浄化率ともいう。また、図２，３中の「ＳＣＲ」は、ＳＣＲ触媒５よりも下流側におけるＮＯｘ浄化率である。これは、内燃機関１から排出されるＮＯｘ量に対して、ＳＣＲ触媒５を通過するまでに浄化されるＮＯｘ量の比としてもよい。また、「ＳＣＲ」は、システム全体としてのＮＯｘ浄化率としてもよい。なお、「ＳＣＲ」は、以下、システム全体のＮＯｘ浄化率ともいう。また、図２，３中の「ＮＨ３」は、リッチスパイクを１回行った時にＮＳＲ触媒４で生成されるＮＨ３の量である。
　横軸のＳ蓄積量は、弱リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理を実施しても除去されないで蓄積されていく硫黄成分の量である。１０００ｋｍ毎に硫黄被毒回復処理を実施しても、Ｓ蓄積量は１０００ｋｍ走行毎に例えば０．２ｇずつ増加する。また、横軸のＮＯｘ吸蔵量は、ＮＳＲ触媒４に最大限吸蔵可能なＮＯｘ量である。このＮＯｘ吸蔵量は、弱リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理を実施しても除去されない硫黄成分により減少する。
　なお、図２，３において、一点鎖線はＮＯｘ浄化率の許容範囲の閾値であり、一点鎖線に示される値以上のＮＯｘ浄化率が要求される。すなわち、「ＳＣＲ」が一点鎖線以上であれば、ＮＯｘ浄化率が許容範囲内となる。なお、ＮＯｘ浄化率の閾値は法規などにより変わり、図２，３では、閾値を２つ示している。
　ここで、図２と図３とを比較すると、ＮＳＲ触媒４の下流におけるＮＯｘ浄化率は、図３に示した場合の方が高い。すなわち、リーン空燃比の時間が短いほうが、ＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ浄化率が高い。このように、リッチスパイクの間隔を短くした方が、ＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ浄化率が高くなる。
　一方、ＮＨ３生成量を見ると、図２に示した場合のほうが多い。すなわち、リーン空燃比の時間が長いほうが、ＮＨ３生成量が多い。このように、リッチスパイクの間隔を長くした方が、ＮＨ３生成量が多くなる。そして、ＮＨ３生成量が多くなることにより、ＳＣＲ触媒５により多くの還元剤を供給することができるため、ＳＣＲ触媒５におけるＮＯｘ浄化率を高くすることができる。
　すなわち、リッチスパイクの間隔を変化させることにより、ＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒５におけるＮＯｘ浄化率が夫々変化する。図２，３の何れの場合であっても、走行距離が短い場合には、システム全体としてのＮＯｘ浄化率は高い。しかし、走行距離が長くなると、図２の場合のほうがシステム全体としてのＮＯｘ浄化率が高くなる。
　そして、システム全体のＮＯｘ浄化率を閾値以上に維持するためには、システム全体としてのＮＯｘ浄化率が閾値上のときに、強リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理を実施すればよい。
　以上をまとめたのが図４である。図４は、ＮＳＲ触媒４において最大限吸蔵可能なＮＯｘ量（ＮＯｘ吸蔵量）と、リッチスパイクの間隔と、の関係を示した図である。この図４に示した関係は、弱リッチ空燃比では除去できない硫黄成分の蓄積によるＮＯｘ吸蔵量の低下、リッチスパイクによる燃費の悪化、及びＮＨ３生成量の低下を考慮して求めた関係である。
　図４において、Ａで示されるのは、各ＮＯｘ吸蔵量のときに設定可能なリッチスパイクの間隔の範囲である。すなわち、ＮＳＲ触媒４に最大限吸蔵可能なＮＯｘ量に対応して設定し得るリッチスパイクの間隔の範囲を示している。この範囲は、ＮＯｘ吸蔵量が少なくなるほど狭くなる。すなわち、ＮＯｘ吸蔵量の減少にしたがって、リッチスパイクの間隔の上限値Ｂは小さくなり、下限値Ｃは大きくなる。
　また、図４中の、一点鎖線Ｄ，Ｅ，Ｆは、リッチスパイクによる燃費悪化の程度を示しており、Ｄで０．８％、Ｅで１．０％、Ｆで１．１％の燃費悪化が起こる。
　そして、図４に示した関係に従ってリッチスパイクの間隔を決定することにより、システム全体のＮＯｘ浄化率を高く維持することができる。なお、設定可能なリッチスパイクの間隔の中で、リッチスパイクの間隔を長くするほど、燃費が良くなる。このため、設定可能なリッチスパイクの間隔の中で、リッチスパイクの間隔が最も長くなるようにしてもよい。すなわち、リッチスパイクの間隔を、ＮＯｘ吸蔵量に応じてＢで示される線上の値にすればよい。このようにすることで、ＮＳＲ触媒４に最大限吸蔵可能なＮＯｘ量が少なくなるほど、リッチスパイクの間隔が短くなる。例えば、ＮＯｘ吸蔵量が４００ｍｇのときには、リッチスパイクの間隔を８８秒とし、３５０ｍｇのときには８６秒、３００ｍｇのときには８４秒となる。
　なお、ＮＳＲ触媒４に最大限吸蔵可能なＮＯｘ量は、ＮＳＲ触媒４から流出する排気中のＮＯｘ濃度が許容範囲を超えるときに吸蔵されているＮＯｘ量としてもよい。また、リッチスパイクを行ってからＮＯｘを吸蔵することができなくなるまでに吸蔵されるＮＯｘ量としてもよい。また、前回のリッチスパイク制御を行ってからＮＯｘ浄化率が閾値未満となるまでに吸蔵されるＮＯｘ量としてもよい。また、ＮＳＲ触媒４に吸蔵されるＮＯｘ量は、ＮＳＲ触媒４に流入するＮＯｘ量とＮＳＲ触媒４から流出するＮＯｘ量との差として算出することができる。ＮＳＲ触媒４に流入するＮＯｘ量、及びＮＳＲ触媒４から流出するＮＯｘ量は、吸入空気量およびＮＯｘ濃度に基づいて夫々算出することができる。また、ＮＳＲ触媒４に流入する排気中のＮＯｘ濃度は、内燃機関１の運転状態に基づいて推定してもよい。
　ここで、システム全体のＮＯｘ浄化率が閾値未満となる前に硫黄被毒回復処理を実施している。このため、例えば３７ｐｐｍの硫黄成分を含んだ燃料を用いた場合には、有害成分の排出を抑制するために、１０００ｋｍ走行毎に硫黄被毒回復処理を実施している。そして、１０００ｋｍ走行毎のＮＯｘ吸蔵量は、図４のＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４に対応している。すなわち、ＮＯｘ吸蔵量がＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４のときに夫々硫黄被毒回復処理を実施すれば、１０００ｋｍ走行毎に硫黄被毒回復処理を実施することになる。
　このようなＮＯｘ吸蔵量のときに硫黄被毒回復処理を実施することにより、該硫黄被毒回復を適切な時期に実施することができる。また、燃費の悪化を抑制し、さらにＮＳＲ触媒４に硫黄成分が残留していても、排気中の有害成分を十分に浄化することができる。
　なお、図４においてＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４のＮＯｘ吸蔵量のときには、弱リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理を実施している。このため、ＮＳＲ触媒４には硫黄成分が蓄積される。そして、ＮＯｘ吸蔵量が例えば２５０ｍｇ近傍（図４の二点鎖線参照）よりも少なくなると、排気中の有害成分の排出量が許容範囲を超える。
　したがって、本実施例では、図４中のＳ３のＮＯｘ吸蔵量のときに、強リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理を実施する。これにより、ＮＳＲ触媒４に蓄積されていた硫黄成分をほとんど除去することができるため、次回は、Ｓ１のＮＯｘ吸蔵量のときに硫黄被毒回復処理を実施する。すなわち、Ｓ１，Ｓ２のときに弱リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理を実施し、Ｓ３のときに強リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理を実施する。
　ここで、強リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理を実施するときには、三元触媒３においてＨＣやＣＯを浄化可能な空燃比よりも低くなるので、ＨＣ及びＣＯの排出量が増加する。また、放出された硫黄成分からＨ２Ｓが発生する虞がある。このため、ＮＳＲ触媒４において最大限吸蔵可能なＮＯｘ量が十分に許容範囲内である図４のＳ１およびＳ２のときには弱リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理を実施している。そして、ＮＳＲ触媒４において最大限吸蔵可能なＮＯｘ量が許容範囲外となる虞のある図４中のＳ３のＮＯｘ吸蔵量のときにのみ強リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理を実施することで、ＨＣ，ＣＯ，Ｈ２Ｓの排出量を低減することができる。
　図５は、本実施例に係る硫黄被毒回復処理のフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、所定の時間毎に、ＥＣＵ１０により実行される。
　ステップＳ１０１では、車両の走行距離が取得される。この車両の走行距離は、ＮＳＲ触媒４に最大限吸蔵可能なＮＯｘ量と相関関係にある値として取得される。また、車両の走行距離は、ＮＳＲ触媒４に吸蔵されている硫黄成分の量と相関関係にある値としても取得される。なお、本ステップでは、ＮＳＲ触媒４に最大限吸蔵可能なＮＯｘ量を検出してもよく、ＮＳＲ触媒４に最大限吸蔵可能なＮＯｘ量と相関関係にある値を取得してもよい。
　ステップＳ１０２では、車両の走行距離が規定値であるか否か判定される。本ステップでは、例えば車両の走行距離が１０００ｋｍの整数倍であるか否か判定される。このときには、車両の走行距離が１０００ｋｍの整数倍を含む所定の範囲内であるか否か判定してもよい。本ステップでは、ＮＳＲ触媒４の硫黄被毒回復が必要か否か判定している。なお、ＮＳＲ触媒４に最大限吸蔵可能なＮＯｘ量に基づいて、ＮＳＲ触媒４の硫黄被毒回復が必要か否か判定してもよい。例えば、ＮＳＲ触媒４に最大限吸蔵可能なＮＯｘ量が閾値未満であるか否か判定してもよい。なお、硫黄被毒回復処理を実施する走行距離は、燃料中の硫黄成分の濃度によって変わるため、供給し得る燃料中の硫黄成分の濃度に応じて判定条件を変更してもよい。
　ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０６へ進む。
　ステップＳ１０３では、前回の硫黄被毒回復処理が完了してから車両が３０００ｋｍ走行しているか否か判定される。このときには、前回の硫黄被毒回復処理が完了してからの車両の走行距離が３０００ｋｍを含む所定の範囲内であるか否か判定してもよい。なお、本ステップでは、ＮＳＲ触媒４に最大限吸蔵可能なＮＯｘ量が閾値未満であるか否か判定してもよい。本ステップでは、弱リッチ空燃比では除去できない硫黄成分の蓄積量が許容範囲を超えるか否か判定している。ステップＳ１０３で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０４へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０５へ進む。なお、本実施例では、ステップＳ１０３を処理するＥＣＵ１０が、本発明における制御装置に相当する。
　ステップＳ１０４では、強リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理が実施される。すなわち、ＮＳＲ触媒４から硫黄成分を全て除去するための処理が実施される。なお、本実施例では、ステップＳ１０４が、本発明における第二制御に相当する。
　ステップＳ１０５では、弱リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理が実施される。このときには、ＮＳＲ触媒４に硫黄成分が残留するが、ＨＣ，ＣＯ，Ｈ２Ｓの排出量は抑制される。なお、本実施例では、ステップＳ１０５が、本発明における第一制御に相当する。
　なお、ＮＳＲ触媒４に最大限吸蔵可能なＮＯｘ量が、閾値以上の場合には弱リッチ空燃比を選択し、閾値未満の場合には強リッチ空燃比を選択して硫黄被毒回復処理を実施してもよい。
　また、ステップＳ１０６では、リッチスパイクの間隔が決定される。このリッチスパイクは、ＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯｘの還元のため、及び、ＳＣＲ触媒５にＮＨ３を供給するために行われる。このリッチスパイクの間隔は、走行距離またはＮＯｘ吸蔵量に応じて図４に示した関係を用いて決定される。そして、硫黄被毒回復処理が実施されていないときには、本ステップで決定される間隔でリッチスパイクが実施される。なお、リッチスパイクは、ＮＯｘ吸蔵量に応じた時間だけ実施される。
　なお、図５に示したフローでは、内燃機関１が搭載される車両の走行距離に応じて、弱リッチ空燃比または強リッチ空燃比を選択しているが、これに代えて、ＮＳＲ触媒４に蓄積されており弱リッチ空燃比では除去できない硫黄成分の量と相関関係にある他の値を用いて、弱リッチ空燃比または強リッチ空燃比を選択してもよい。例えば、ＮＳＲ触媒４の浄化性能または硫黄被毒回復処理を実施した回数に応じて、弱リッチ空燃比または強リッチ空燃比を選択してもよい。
　例えば、前記ステップＳ１０１において、硫黄被毒回復処理を実施した回数を取得し、前記ステップＳ１０３において、今回を含めて硫黄被毒回復処理を実施する回数が３の倍数の場合にステップＳ１０４へ進み、それ以外のときにステップＳ１０５へ進んでもよい。また、例えば、弱リッチ空燃比での硫黄被毒回復処理を２回実施した後に、強リッチ空燃比での硫黄被毒回復処理を１回実施することを繰り返してもよい。
　また、ＮＳＲ触媒４の浄化性能を、該ＮＳＲ触媒４のＮＯｘ浄化率、ＮＳＲ触媒４のＮＯｘ吸蔵量、ＮＳＲ触媒４の酸素吸蔵量、またはＮＳＲ触媒４のＮＨ３生成量に基づいて判断してもよい。なお、ＮＳＲ触媒４のＮＯｘ浄化率、ＮＳＲ触媒４のＮＯｘ吸蔵量、ＮＳＲ触媒４の酸素吸蔵量、ＮＳＲ触媒４のＮＨ３生成量は周知の技術により取得してもよい。例えば、前記ステップＳ１０１において、ＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ浄化率を取得し、前記ステップＳ１０３においてＮＯｘ浄化率が、閾値未満のときにステップＳ１０４へ進み、閾値以上のときにステップＳ１０５へ進んでもよい。また、例えば、前記ステップＳ１０１において、ＮＳＲ触媒４に最大限吸蔵可能なＮＯｘ量を取得し、前記ステップＳ１０３においてＮＳＲ触媒４に最大限吸蔵可能なＮＯｘ量が、閾値未満のときにステップＳ１０４へ進み、閾値以上のときにステップＳ１０５へ進んでもよい。また、例えば、前記ステップＳ１０１において、ＮＳＲ触媒４の酸素吸蔵量を取得し、前記ステップＳ１０３においてＮＳＲ触媒４の酸素吸蔵量が、閾値未満のときにステップＳ１０４へ進み、閾値以上のときにステップＳ１０５へ進んでもよい。また、例えば、前記ステップＳ１０１において、ＮＳＲ触媒４のＮＨ３生成量を取得し、前記ステップＳ１０３においてＮＳＲ触媒４のＮＨ３生成量が、閾値未満のときにステップＳ１０４へ進み、閾値以上のときにステップＳ１０５へ進んでもよい。
　なお、強リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理を実施するときには、最初から空燃比を例えば１２．５と比較的低くしてもよいが、最初に弱リッチ空燃比で硫黄成分を放出させた後に、強リッチ空燃比として、蓄積された分の硫黄成分を放出させてもよい。すなわち、弱リッチ空燃比にて硫黄被毒回復処理を実施した後、連続して、強リッチ空燃比にて硫黄被毒回復処理を実施してもよい。
　ここで、図６は、弱リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理を実施したときの、空燃比、ＳＯｘ濃度、Ｈ２Ｓ濃度の推移を示したタイムチャートである。また、図７は、弱リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理を実施し、その後連続して強リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理を実施したときの、空燃比、ＳＯｘ濃度、Ｈ２Ｓ濃度の推移を示したタイムチャートである。なお、図６，７において、空燃比は内燃機関１から排出されるガスの空燃比、または、ＮＳＲ触媒４に流入するガスの空燃比である。また、ＳＯｘ濃度及びＨ２Ｓ濃度は、ＮＳＲ触媒４よりも下流側における値である。なお、図６において、弱リッチ空燃比とする期間は、最大でも例えば３０分とする。また、図７において、弱リッチ空燃比とする期間は、最大でも例えば３０分とし、強リッチ空燃比とする期間は、最大でも例えば２．５分とする。
　リッチ空燃比にすると、ＮＳＲ触媒４から放出される硫黄成分により、ＳＯｘ濃度が高くなる。このときに、弱リッチ空燃比であれば、放出されるＳＯｘ量に対して、発生するＨ２Ｓ量は比較的少ない。すなわち、ＳＯｘ濃度に対するＨ２Ｓ濃度の比は低い。このように、弱リッチ空燃比であれば、Ｈ２Ｓの発生量が抑制される。
　一方、強リッチ空燃比のときには、放出されるＳＯｘ量に対して、発生するＨ２Ｓ量は比較的多い。すなわち、ＳＯｘ濃度に対するＨ２Ｓ濃度の比が高くなる。このように、硫黄被毒回復処理を行うときに、強リッチ空燃比の場合のほうが、弱リッチ空燃比の場合よりも、Ｈ２Ｓが発生しやすくなる。このため、ＮＳＲ触媒４に蓄積された硫黄成分を除去するときに、最初から強リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理を実施すると、Ｈ２Ｓの発生量が多くなる。
　ここで、図４中のＳ３で示されるＮＯｘ吸蔵量のときには、強リッチ空燃比でなければ除去できない硫黄成分が多く蓄積されているが、弱リッチ空燃比でも除去可能な硫黄成分も吸蔵されている。したがって、一旦弱リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理を実施しておけば、弱リッチ空燃比で除去可能な硫黄成分を予め除去しておくことができる。このときには、Ｈ２Ｓの発生量を抑制できる。そして、それに続いて強リッチ空燃比で硫黄被毒回復を行えば、ＮＳＲ触媒４に残留している硫黄成分が少ない状態で強リッチ空燃比とされるので、Ｈ２Ｓの発生量が少なくなる。
　すなわち、最初から強リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理を実施すると、ＮＳＲ触媒４に吸蔵されている全ての硫黄成分の量に応じたＨ２Ｓが発生するため、比較的多くのＨ２Ｓが発生する。一方、最初は弱リッチ空燃比とし、その後に強リッチ空燃比とすれば、ＮＳＲ触媒４に吸蔵されていた硫黄成分の中でも弱リッチ空燃比で除去できない硫黄成分の量に応じたＨ２Ｓが発生するため、Ｈ２Ｓの発生量は比較的少なくなる。同様に、ＨＣ、ＣＯの排出量も減少させることができる。
　例えば、硫黄成分が放出されなくなるまで弱リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理を実施してから、連続して強リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理を行ってもよい。このようにして、強リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理を実施する時間を短くすることで、ＨＣ，ＣＯ，Ｈ２Ｓの排出量を低減することができる。
　また、強リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理を実施するときには、空燃比の基準値を例えば２０とし、所定の間隔で短い時間だけ空燃比を例えば１２．５としてもよい。すなわち、リーン空燃比から頻繁に強リッチ空燃比とすることにより、硫黄被毒回復処理を行うこともできる。例えば、ＮＳＲ触媒４の酸素の貯蔵量が上限に達する前に、強リッチ空燃比となるようにしてもよい。
　図８は、例えば１４．３の空燃比で硫黄被毒回復処理を実施し、その後連続して空燃比を例えば２０まで高くし、空燃比を２０としている間に所定の間隔で短い時間だけ空燃比を例えば１２．５として硫黄被毒回復処理を実施したときの、空燃比、ＳＯｘ濃度、Ｈ２Ｓ濃度の推移を示したタイムチャートである。空燃比を例えば１２．５とする時間は、例えば１．４秒である。
　このようにして硫黄被毒回復処理を実施すると、空燃比が例えば２０となっているときにＮＳＲ触媒４に酸素が供給されるため、各触媒の温度が上昇しやすい。このため、リッチ空燃比となる時間が短くても、硫黄成分を速やかに放出させることができる。
　また、リーン空燃比となる時間があるために、継続して強リッチ空燃比とする場合よりも、ＨＣ及びＣＯの排出量を少なくすることができる。同様に、Ｈ２Ｓ及びＮＯｘの排出量も低減することができる。
　本実施例では、ＮＳＲ触媒４のどの部位に硫黄成分が吸蔵されているのかによって、硫黄被毒回復処理の時期を変える。その他の装置等は実施例１と同じため、説明を省略する。
　ここで、図９は、空間速度（ＳＶ）が比較的低いときのＮＳＲ触媒４の硫黄被毒部位を示した図である。また、図１０は、ＳＶが比較的高いときのＮＳＲ触媒４の硫黄被毒部位を示した図である。また、図１１は、ＳＶが比較的低いときのＮＳＲ触媒４のＮＯｘ吸蔵部位を示した図である。また、図１２は、ＳＶが比較的高いときのＮＳＲ触媒４のＮＯｘ吸蔵部位を示した図である。図９から図１２において、矢印は排気の流れる方向を示している。また、図９から図１２において、左側の図は、ＮＳＲ触媒４を横方向から見た図であり、右側の図は、ＮＳＲ触媒４を排気の上流側から見た図である。なお、ＳＶは、内燃機関１の負荷、または排気の流速、排気の流量としてもよい。
　ここで、内燃機関１の低負荷時には、空間速度（ＳＶ）が低くなり、排気が径方向に広がって流れる。すなわち、ＮＳＲ触媒４の中心軸付近と外周付近とで同じように排気が流れる。このため、硫黄成分は、中心軸から外周まで均一に吸蔵される。また、ＮＳＲ触媒４の主に上流側に吸蔵される。ＮＯｘも同様にＮＳＲ触媒４の径方向に広がって吸蔵される。そして、硫黄被毒が発生している部位は、ＮＳＲ触媒４の上流側だけなので、それよりも下流側の広い範囲に亘ってＮＯｘを多く吸蔵することができる。
　すなわち、内燃機関１の低負荷時には、吸蔵されている硫黄成分の量が多くてもＮＯｘを吸蔵することができる。このため、例えば２．５ｇの硫黄成分が吸蔵されたときに硫黄被毒回復処理を実施すればよい。
　一方、内燃機関１の中負荷または高負荷時には、排気の慣性力が大きくなり、排気はＮＳＲ触媒４の主に中心軸付近を流れる。このため、硫黄成分は、ＮＳＲ触媒４の中心軸側に偏って吸蔵される。そして、ＮＳＲ触媒４の中心軸付近に多くの硫黄成分が流入することにより、該中心軸付近の硫黄被毒が早く進むので、下流側にも硫黄成分が吸蔵される。そして、ＮＯｘも同様に、ＮＳＲ触媒４の中心軸付近に吸蔵される。ただし、硫黄被毒が発生している部位が、ＮＳＲ触媒４の下流側にまで及んでいるため、吸蔵できるＮＯｘ量は、低負荷時よりも少なくなる。
　すなわち内燃機関１の中負荷または高負荷時には、吸蔵されている硫黄成分の量が少なくてもＮＯｘを吸蔵することができなくなる虞がある。このため、例えば０．７ｇの硫黄成分が吸蔵されたときに硫黄被毒回復処理を実施すればよい。
　このように、中負荷時または高負荷時には、低負荷時よりも、硫黄成分の吸蔵量が少ない状態で硫黄被毒回復処理を実施する。なお、ＳＶが低いほど、硫黄被毒回復処理の間隔を長くするとしてもよい。
　そして、本実施例では、ＮＳＲ触媒４の内部を複数の部位に分け、各部位においける硫黄成分の吸蔵量を求める。
　ここで、図１３は、ＮＳＲ触媒４の内部の分け方を示した図である。また、図１４は、各部位に吸蔵されている硫黄成分の量と相関関係にある値である分布係数を算出するための図である。図１３において、矢印は排気の流れる方向を示している。また、図１３において、左側の図は、ＮＳＲ触媒４を横方向から見た図であり、右側の図は、ＮＳＲ触媒４を排気の上流側から見た図である。
　図１３に示すように、ＮＳＲ触媒４を、排気の流れ方向にＸ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４の４つに分け、且つ、径方向にＹ１，Ｙ２，Ｙ３の３つに分けている。したがって、ＮＳＲ触媒４を全部で１２の部位に分けて考える。なお、本実施例では、ＮＳＲ触媒４を１２の部位に分けて考えるが、１１以下の部位に分けて考えてもよく、１３以上の部位に分けて考えてもよい。
　図１４では、ＳＶが低い場合（低ＳＶ）及びＳＶが高い場合（高ＳＶ）の夫々について、Ｘ１からＸ４、及び、Ｙ１からＹ３に付着する硫黄成分の量と相関関係にあるカウンタの推移を示す。このように、Ｘ１からＸ４、及び、Ｙ１からＹ３に対応したカウンタを予めＥＣＵ１０に記憶させておく。このカウンタは、排気の流れ方向の値と、ＮＳＲ触媒４の径方向の値と、を乗算することにより、各部位に吸蔵されている硫黄成分の量と相関関係にある分布係数を算出することができるように予め実験等により設定される。このカウンタは、図９及び図１０に基づいて設定される。なお、本実施例では、低ＳＶと高ＳＶとの２つに分けているが、３つ以上に分けて考えてもよい。
　ここで、硫黄成分が流入する部位では、時間が長くなるほど、硫黄成分の吸蔵量が多くなるので、カウンタは大きくなる。また、低ＳＶの場合には、流れ方向の上流側で、且つ、径方向の全体でカウンタが大きくなる。一方、高ＳＶの場合には、流れ方向の全体で且つ径方向の中心軸側でカウンタが大きくなる。
　そして、例えば、分布係数と、ＮＳＲ触媒４に流入する排気中のＳＯｘ濃度と、を乗算することにより、各部位における硫黄成分の吸蔵量が算出できるように、カウンタを設定してもよい。
　そして、各部位に吸蔵されている硫黄成分の量に基づいて、弱リッチ空燃比での硫黄被毒回復処理では除去できずに蓄積される硫黄成分の量も算出することができる。例えば、弱リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理を実施したときに残留する硫黄成分の量または割合を、部位毎に予め実験等により求めておいてもよい。
　さらに、各部位における硫黄成分の吸蔵量から、各部位におけるＮＯｘ浄化性能を推定することができる。さらに、ＮＳＲ触媒４の全体でのＮＯｘ浄化性能を推定することもできる。そして、このＮＳＲ触媒４の全体でのＮＯｘ浄化性能に基づいて、硫黄被毒回復処理を実施する時期を決定することができる。
　図１５は、本実施例に係る硫黄被毒回復処理のフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、所定の時間毎に、ＥＣＵ１０により実行される。
　ステップＳ２０１では、ＳＶが読み込まれる。例えば、エアフローメータ１５により得られる吸入空気量からＳＶを算出する。
　ステップＳ２０２では、分布係数が算出される。なお、本実施例においてはステップＳ２０２を処理するＥＣＵ１０が、本発明における係数算出部に相当する。
　ステップＳ２０３では、分布係数に基づいて、ＮＳＲ触媒４における各部位のＮＯｘ浄化率が算出される。分布係数とＮＯｘ浄化率との関係は、ＳＶ毎に予め実験等により求めてＥＣＵ１０に記憶させておく。なお、本実施例においてはステップＳ２０３を処理するＥＣＵ１０が、本発明における部位毎浄化性能算出部に相当する。
　ステップＳ２０４では、ＮＳＲ触媒４全体としてのＮＯｘ浄化率が算出される。各部位におけるＮＯｘ浄化率を加算することで、ＮＳＲ触媒４の全体としてのＮＯｘ浄化率を算出する。なお、本実施例においてはステップＳ２０４を処理するＥＣＵ１０が、本発明における全体浄化性能算出部に相当する。
　ステップＳ２０５では、ＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ浄化率が閾値未満であるか否か判定される。この閾値は、硫黄被毒回復処理を実施する必要のないＮＯｘ浄化率の下限値である。ステップＳ２０５で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２０６へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを終了させる。
　ステップＳ２０６では、硫黄被毒回復処理が実行される。ここで、硫黄被毒回復処理を実施する時間は、高ＳＶ時には例えば１０分とし、低ＳＶ時には例えば３０分とする。すなわち、高ＳＶ時には、硫黄成分の吸蔵量が少なくても硫黄被毒回復処理が実施されるため、硫黄成分の吸蔵量に合わせて、硫黄被毒回復処理を実施する時間を短くする。一方、低ＳＶ時には、硫黄成分の吸蔵量が多くなってから硫黄被毒回復処理が実施されるため、硫黄成分の吸蔵量に合わせて、硫黄被毒回復処理を実施する時間を長くする。また、強リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理を実施する必要があるほど、ＮＯｘ浄化率が低下している場合には、強リッチ空燃比で硫黄被毒回復処理を実施する。
　また、図１６は、高ＳＶ時における硫黄成分の吸蔵量と、ＮＯｘ浄化率、ＮＯｘ吸蔵量、ＮＨ３生成量と、の関係を示した図である。また、図１７は、低ＳＶ時における硫黄成分の吸蔵量と、ＮＯｘ浄化率、ＮＯｘ吸蔵量、ＮＨ３生成量と、の関係を示した図である。なお、図１６，１７においてＮＯｘ吸蔵量は、ＮＳＲ触媒４に最大限吸蔵可能なＮＯｘ量である。また、ＮＯｘ浄化率は、システム全体としてのＮＯｘ浄化率である。
　ここで、高ＳＶ時には、硫黄成分の吸蔵量が少なくてもＮＯｘ浄化率が低下し、例えば１．０ｇのときに許容範囲外となる。また、ＮＯｘ吸蔵量及びＮＨ３生成量も、すぐに低下する。
　一方、低ＳＶ時には、硫黄成分の吸蔵量が例えば２．０ｇを超えたときに、ＮＯｘ浄化率が許容範囲外になる。また、ＮＯｘ吸蔵量及びＮＨ３生成量も、すぐには低下しない。
　したがって、ＮＯｘ浄化率が閾値未満となったときに、硫黄被毒回復処理を実施し、各ＳＶに応じて硫黄被毒回復処理を実施する時間を決定してもよい。
１     内燃機関
２     排気通路
３     三元触媒
４     吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＮＳＲ触媒）
５     選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）
６     噴射弁
７     吸気通路
８     スロットル
１０   ＥＣＵ
１１   第一温度センサ
１２   空燃比センサ
１３   第二温度センサ
１４   第三温度センサ
１５   エアフローメータ
１６   アクセルペダル
１７   アクセル開度センサ
１８   クランクポジションセンサ

Claims (7)

  1. 　内燃機関の排気通路に排気浄化触媒を備え、
    　前記排気浄化触媒に流入する排気の空燃比を理論空燃比以下に設定して、該排気浄化触媒から硫黄成分を除去する第一制御と、
    　前記排気浄化触媒に流入する排気の空燃比を、前記第一制御において設定される排気の空燃比よりもさらに低い空燃比に設定して、前記排気浄化触媒から硫黄成分を除去する第二制御と、
    　を選択的に実行する内燃機関の排気浄化装置において、
    　前記排気浄化触媒から硫黄成分を除去する場合に、前記排気浄化触媒の浄化性能、前記内燃機関が搭載される車両の走行距離、前記排気浄化触媒から硫黄成分を除去した回数の少なくとも１つに基づいて、前記第一制御または前記第二制御の何れかを実行する制御装置を備える内燃機関の排気浄化装置。
  2. 　前記制御装置は、前記第一制御を実行する頻度を、前記第二制御を実行する頻度よりも高くする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 　前記制御装置は、前記第二制御を実行するときに、前記第一制御の後に連続して前記第二制御を実行する請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 　前記制御装置は、前記排気浄化触媒の浄化性能が閾値以上の場合には前記第一制御を実行し、前記排気浄化触媒の浄化性能が閾値未満の場合には前記第二制御を実行する請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 　前記制御装置は、前記排気浄化触媒の浄化性能を、前記排気浄化触媒のＮＯｘ浄化率、前記排気浄化触媒のＮＯｘ吸蔵量、前記排気浄化触媒の酸素吸蔵量、前記排気浄化触媒のＮＨ３生成量のうちの少なくとも１つに基づいて決定する請求項１から４の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  6. 　前記排気浄化触媒よりも下流側にＮＨ３を還元剤とする選択還元型ＮＯｘ触媒を備える請求項１から５の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  7. 　前記排気浄化触媒を排気の流れ方向および径方向に複数の部位に分割して、各部位に吸蔵される硫黄成分の量と相関関係にある分布係数を、前記内燃機関の運転状態に基づいて算出する係数算出部と、
    　前記係数算出部により算出される分布係数から、前記各部位の浄化性能を算出する部位毎浄化性能算出部と、
    　前記部位毎浄化性能算出部により算出される各部位の浄化性能から、前記排気浄化触媒の全体での浄化性能を算出する全体浄化性能算出部と、
    　を備える請求項１から６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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