JP3721894B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排ガス浄化用の三元触媒と排ガス中の窒素酸化物をトラップするNOx トラップ触媒を排気通路に備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃費の向上を図るため、リーン空燃比での燃焼を可能とした希薄燃焼内燃機関が実用化されている。この希薄燃焼内燃機関では、従来の三元触媒ではその浄化特性によりリーン燃焼時の排ガス中の窒素酸化物（NOx ）を十分に浄化できないといった問題がある。そこで、近年では、例えば、リーン空燃比で運転中に排ガス中のNOx を吸蔵し、理論空燃比（ストイキ）またはリッチ空燃比で運転中に吸蔵されたNOx を放出還元する吸蔵型NOx 触媒等のNOx トラップ触媒装置を備えた排気浄化装置が採用されてきている。
【０００３】
例えば、この吸蔵型NOx 触媒は、リーン空燃比（酸素の過剰状態）で排ガス中のNOx から硝酸塩（もしくは酸化塩）を生成し、これによりNOx を吸蔵する一方、ストイキまたはリッチ空燃比（酸素濃度が低下した雰囲気）では、触媒装置に吸蔵した硝酸塩と排気中のCOとを反応させて炭酸塩を生成し、これによりNOx を放出還元させるようになっている。
【０００４】
また、三元触媒は、一般に、貴金属（例えば、白金やロジウム等）が担持されており、排ガスが高温のリーン雰囲気になったときに酸化して触媒性能が低下（劣化）する。そのため、排気通路に三元触媒を有する排気浄化装置では、酸化雰囲気下でこの触媒が所定の高温状態に晒される場合、排気空燃比をストイキにする熱劣化対策のための空燃比制御が、例えば、特開平5-59935 号公報によって提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、希薄燃焼内燃機関にあっては、例えば、排気通路に三元触媒と吸蔵型NOx 触媒を設けているが、三元触媒と吸蔵型NOx 触媒とでは熱劣化をはじめとした劣化特性が異なるものであるため、両者を両立させて有効に劣化抑制する技術が確立されていないのが現状である。
【０００６】
即ち、三元触媒と吸蔵型NOx 触媒とでは耐熱温度が異なると共に、三元触媒は高温で排ガスがリーン雰囲気になったときに酸化して劣化する一方、吸蔵型NOx 触媒は高温でストイキ雰囲気になってCOやTHC 等が少なくなったときに吸蔵材が炭酸塩、硝酸塩（もしくは酸化塩）のいずれの状態にもならず吸蔵材が不安定となり担体と結びついてNOx を吸蔵することができなくなる（劣化）。特に、排ガス流量が多い場合に、酸化が促進されて三元触媒の劣化に対して悪影響を及ぼし、排ガス流量が少ない場合にCOやTHC 等が不足して吸蔵型NOx 触媒の劣化に対して悪影響を及ぼしてしまう。触媒温度が高くなりやすい状況下で空燃比をリッチ雰囲気に制御すれば、触媒温度の上昇及び酸化や不安定化が抑制され、三元触媒と吸蔵型NOx 触媒の両者の劣化を抑制することができるが、空燃比をリッチ空燃比に単純に切り換える手法は燃費の大幅な悪化を招いてしまう問題があった。
【０００７】
このように、三元触媒と吸蔵型NOx 触媒を備えた希薄燃焼内燃機関の触媒装置では、三元触媒と吸蔵型NOx 触媒の両者の劣化を抑制するためには様々な問題が生じ、燃費の悪化を抑えながら触媒の劣化を抑制することは困難で、劣化抑制の技術が確立されていないのが現状である。
【０００８】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、燃費の悪化を抑えて三元触媒とNOx トラップ触媒の両者の劣化を抑制することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項１の本発明では、排気浄化用の三元触媒と窒素酸化物をトラップするNOx トラップ触媒とを備えた触媒装置において、劣化指数導出手段により内燃機関の運転状態や排ガス量に基づいて三元触媒の劣化指数及びNOx トラップ触媒の劣化指数を導出し、空燃比制御手段により、三元触媒の劣化指数が三元触媒用の所定値を越えたときにリーン空燃比での内燃機関の運転を禁止すると共にNOx トラップ触媒の劣化指数がNOx トラップ触媒用の所定値を越えたときに理論空燃比での内燃機関の運転を禁止するようにしたものである。このため、劣化指数が高い、即ち、劣化しやすい側の触媒の劣化が優先的に抑制されると共に、両方の劣化指数が高くなったときにリーン空燃比及び理論空燃比での内燃機関の運転が禁止され、状況によってはリッチ空燃比にしなくても劣化を抑制できる。これにより、燃費の悪化を抑えて三元触媒とNOx トラップ触媒の両者の劣化が抑制される。
【００１０】
好ましい態様として、劣化指数を導出する場合には、具体的には、触媒温度、排ガス流量及び排ガス成分の情報が少なくとも１つ以上用いられる。
【００１１】
上記目的を達成するため請求項２の本発明では、排気浄化用の三元触媒と窒素酸化物をトラップするNOx トラップ触媒とを備えた触媒装置において、触媒の温度に相関するパラメータ値と排ガス流量に相関するパラメータ値とに応じて内燃機関のリーン空燃比運転領域及びリッチ運転領域を設定するようにしたものである。このため、触媒の劣化特性に合わせて温度及び排ガス流量に応じて適切な運転領域が選択され、燃費の悪化を抑えて三元触媒とNOx トラップ触媒の両者の劣化が抑制される。
【００１２】
好ましい態様として、運転領域は、触媒温度と排ガス流量（吸気流量）との関係のマップにより三元触媒とNOx トラップ触媒のそれぞれに設定され、運転領域の選択は、所定の高温度以上の領域で実施されて熱劣化が抑制される。
【００１３】
この場合、NOx トラップ触媒のマップにおける排ガス流量が少ない領域では、リッチ空燃比側への切り換えが極力高温側で実施され、リーン空燃比側への切り換えが極力低温側で実施されるように設定されることが望ましい。これは、NOx トラップ触媒の場合、リーン空燃比では吸蔵材が硝酸塩（もしくは酸化塩）の状態になって安定しているので、リーン空燃比からリッチ空燃比側への切り換えを極力高温側で実施することで、酸素もしくはNOx の放出を阻止して安定状態を維持することができるからである。また、リッチ空燃比でのNOx 吸蔵触媒は、吸蔵材が炭酸塩の状態になって安定しているので、リッチ空燃比からリーン空燃比側への切り換えを極力低温側で実施することで、炭酸塩の放出を阻止して安定状態を維持することができるからである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下図面に基づいて本発明の実施形態例を説明する。図示の実施形態例は、混合気の空燃比を理論空燃比よりも燃料希薄側に制御して燃焼室内に燃料を直接噴射するようにした火花点火式の多気筒型筒内噴射内燃機関を例に挙げて説明してある。図１には本発明の一実施形態例に係る排気浄化装置を備えた内燃機関の概略構成、図２には排気浄化装置による劣化抑制制御のフローチャート、図３には吸蔵型NOx 触媒の劣化指数の状況を表すグラフ、図４には三元触媒の劣化指数の状況を表すグラフを示してある。
【００１５】
多気筒型筒内噴射内燃機関としては、例えば、燃料を直接燃焼室に噴射する筒内噴射型直列４気筒ガソリンエンジン（筒内噴射エンジン）１が適用される。筒内噴射エンジン１は、例えば、燃焼モード（運転モード）を切り換えることで、吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射モード）または圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射モード）が実施可能となっている。そして、この筒内噴射エンジン１は、理論空燃比（ストイキ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）が実現可能となっており、特に、圧縮行程噴射モードでは、吸気行程でのリーン空燃比運転よりも大きな空燃比となる超リーン空燃比での運転が可能となっている。
【００１６】
図１に示すように、筒内噴射エンジン１のシリンダヘッド２には各気筒毎に点火プラグ３が取り付けられると共に、各気筒毎に電磁式の燃料噴射弁４が取り付けられている。燃焼室５内には燃料噴射弁４の噴射口が開口し、燃料噴射弁４から噴射される燃料が燃焼室５内に直接噴射されるようになっている。筒内噴射エンジン１のシリンダ６にはピストン７が上下方向に摺動自在に支持され、ピストン７の頂面には半球状に窪んだキャビティ８が形成されている。キャビティ８により、図１では時計回りの逆タンブル流を発生させるようになっている。
【００１７】
シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成され、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド９の一端がそれぞれ接続されている。吸気マニホールド９の他端にはドライブバイワイヤ（ＤＢＷ）方式の電動スロットル弁（ＥＴＶ）２１が接続され、ＥＴＶ２１にはスロットル開度θthを検出するスロットルポジションセンサ２２が設けられている。また、筒内噴射エンジン１には、クランク角を検出するクランク角センサ２３が設けられ、クランク角センサ２３はエンジン回転速度Neを検出可能となっている。
【００１８】
また、シリンダヘッド２には各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成され、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されている。また、排気マニホールド１０には図示しないＥＧＲ装置が設けられている。一方、排気マニホールド１０には排気管１１が接続され、排気管１１には筒内噴射エンジン１に隣接した小型の三元触媒３２及び排気浄化触媒装置１３を介して図示しないマフラーが接続されている。
【００１９】
三元触媒３２は、筒内噴射エンジン１の冷態始動時に排ガスによって加熱して早期に活性化させると共に、排気空燃比がストイキ近傍のときに排ガス中の有害物質（HC,CO,NOx ）を浄化するものであり、貴金属として白金（Pt）、ロジウム（Rh）等を有した触媒となっている。排気管１１における三元触媒３２と排気浄化触媒装置１３の間には、排気浄化触媒装置１３の直上流に位置して、即ち、後述するNOx トラップ触媒としての吸蔵型NOx 触媒３３及び三元触媒３２の直上流に位置して排気温度を検出する高温センサ１４，１４ａが設けられている。
【００２０】
排気浄化触媒装置１３は、排気空燃比がリーン空燃比のときに排ガス中のNOx を吸蔵すると共に主としてCOの存在する還元雰囲気中において吸蔵したNOx を放出して窒素（N2）等に還元させる吸蔵・放出・還元機能と、排気空燃比がストイキ近傍のときに排ガス中の有害物質（HC,CO,NOx ) を浄化する還元機能とを有している。つまり、排気浄化触媒装置１３は、吸蔵・放出・還元機能を持たせるための吸蔵型NOx 触媒３３と、三元機能を持たせるための三元触媒３４とを備えた構成になっており、三元触媒３４が吸蔵型NOx 触媒３３の下流側に配置されている。
【００２１】
吸蔵型NOx 触媒３３は、貴金属として白金（Pt）、ロジウム（Rh）等を有し吸蔵材としてバリウム（Ba）等のアルカリ金属、アルカリ土類金属が採用された触媒で構成されている。また、三元触媒３４は、吸蔵されたNOx が吸蔵型NOx 触媒３３から放出された際に吸蔵型NOx 触媒３３自身で還元しきれなかったNOx を還元する役目も果たしている。尚、排気浄化触媒装置１３は、吸蔵型NOx 触媒３３がNOx を還元し、HCとCOを酸化する三元触媒の機能（三元機能）を十分有している場合には、吸蔵型NOx 触媒３３だけで構成してもよい。
【００２２】
車両には電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１が設けられ、このＥＣＵ３１には、入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶を行う記憶装置、中央処理装置及びタイマやカウンタ類が備えられている。ＥＣＵ３１によって筒内噴射エンジン１を含めた本実施形態の排気浄化装置の総合的な制御が実施される。各種センサ類の検出情報はＥＣＵ３１に入力され、ＥＣＵ３１は各種センサ類の検出情報に基づいて、燃料噴射モードや燃料噴射量を始めとして点火時期等を決定し、燃料噴射弁４や点火プラグ３等を駆動制御する。
【００２３】
筒内噴射エンジン１では、吸気マニホールド９から燃焼室５内に流入した吸気流が逆タンブル流を形成し、圧縮行程中期以降に燃料を噴射して逆タンブル流を利用しながら燃焼室５の頂部中央に配設された点火プラグ３の近傍のみに少量の燃料を集め、点火プラグ３から離隔した部分で極めてリーンな空燃比状態とする。点火プラグ３の近傍のみをストイキ又はリッチな空燃比とすることで、安定した層状燃焼（層状超リーン燃焼）を実現しながら燃料消費を抑制する。
【００２４】
また、筒内噴射エンジン１から高出力を得る場合には、燃料噴射弁４からの燃料を吸気行程に噴射することにより燃焼室５全体に均質化し、燃焼室５内をストイキやリーン空燃比の混合気状態にさせて予混合燃焼を行う。もちろん、ストイキもしくはリッチ空燃比の方がリーン空燃比よりも高出力が得られるため、この際にも、燃料の霧化及び気化が十分に行なわれるようなタイミングで燃料噴射を行ない、効率よく高出力を得るようにしている。
【００２５】
ＥＣＵ３１では、スロットルポジションセンサ２２からのスロットル開度θthとクランク角センサ２３からのエンジン回転速度Neとに基づいてエンジン負荷に対応する目標筒内圧、即ち、目標平均有効圧Peが求められ、更に、この目標平均有効圧Peとエンジン回転速度Neとに応じてマップ（図示せず）より燃料噴射モードが設定される。例えば、目標平均有効圧Peとエンジン回転速度Neとが共に小さいときは、燃料噴射モードは圧縮行程噴射モードとされて燃料が圧縮行程で噴射され、一方、目標平均有効圧Peが大きくなり、あるいはエンジン回転速度Neが大きくなると燃料噴射モードは吸気行程噴射モードとされ、燃料が吸気行程で噴射される。そして、目標平均有効圧Peとエンジン回転速度Neとから各燃料噴射モードでの制御目標となる目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）が設定され、適正量の燃料噴射量がこの目標Ａ／Ｆに基づいて決定される。
【００２６】
また、高温センサ１４あるいは高温センサ１４ａにより検出された排気温度情報から触媒温度（三元触媒３２、吸蔵型NOx 触媒３３、三元触媒３４）が推定される。詳しくは、高温センサ１４と三元触媒３２及び排気浄化装置１３とが多少なりとも離れて配置されていることに起因する誤差を補正するため、目標平均有効圧Peとエンジン回転速度Neとの情報に応じて温度誤差マップが予め実験等により設定されており、触媒温度は目標平均有効圧Peとエンジン回転速度Neが決まると一義的に推定される。更に、運転状態により排ガス流量及び排ガス成分の状況がマップにより設定されている。尚、排ガス流量は図示しない吸気量センサの情報により推定することも可能であり、排ガス成分は排ガスの状況を直接検出するセンサを別途設けることも可能である。
【００２７】
上記構成の内燃機関の排気浄化装置では、三元触媒３２では、筒内噴射エンジン１の冷態始動時に排ガスによって加熱されて早期に活性化すると共に、排気空燃比がストイキ近傍のときに排ガス中の有害物質（HC,CO,NOx ）を浄化する。
【００２８】
また、排気浄化装置１３において、吸蔵型NOx 触媒３３では、リーンモードにおける超リーン燃焼運転のような酸素濃度過剰雰囲気で、排気中のNOx が硝酸塩として吸蔵されて排気の浄化が行なわれる。一方、酸素濃度が低下した雰囲気では、吸蔵型NOx 触媒３３に吸蔵した硝酸塩と排気中のCOとが反応して炭酸塩が生成されると共にNOx が放出される。従って、吸蔵型NOx 触媒３３へのNOx の吸蔵が進むと、空燃比のリッチ化あるいは追加の燃料噴射を行なう等して、吸蔵型NOx 触媒３３からNOx を放出させて機能を維持する。
【００２９】
更に、排気浄化装置１３の三元触媒３４では、三元触媒３２と同様に、排気空燃比がストイキ近傍のときに排ガス中の有害物質（HC,CO,NOx ）を浄化する。また、吸蔵型NOx 触媒３３から吸蔵されたNOx が放出された際に、吸蔵型NOx 触媒３３自身だけでは還元しきれなかったNOx を還元する。
【００３０】
本実施形態例の内燃機関の排気浄化装置では、排ガス温度、排ガス流量及び排ガス成分を最適に制御して（運転状態を最適に切り換えて）、三元触媒３２、吸蔵型NOx 触媒３３及び三元触媒３４の熱劣化を抑制している。
【００３１】
三元触媒と吸蔵型NOx 触媒とでは耐熱温度が異なると共に、三元触媒は排ガスがリーン雰囲気になったときに酸化して劣化する一方、吸蔵型NOx 触媒はストイキ雰囲気になってCOやTHC 等が少なくなったときに吸蔵材が炭酸塩、硝酸塩（もしくは酸化塩）のいずれの状態にもならず吸蔵材が不安定となり担体と結びついてNOx を吸蔵することができなくなる（劣化）。特に、排ガス流量が多い場合に、酸化が促進されて三元触媒の劣化に対して悪影響を及ぼし、排ガス流量が少ない場合にCOやTHC 等が不足して吸蔵型NOx 触媒の劣化に対して悪影響を及ぼしてしまう。つまり、吸蔵型NOx 触媒３３と三元触媒３２（三元触媒３４）とは排ガス流量に対する劣化の特性が相反する。
【００３２】
このため、排ガス温度、排ガス流量及び排ガス成分に対する吸蔵型NOx 触媒３３と三元触媒３２（三元触媒３４）の劣化指数をそれぞれ導出し（劣化指数導出手段）、吸蔵型NOx 触媒３３での排ガス温度、排ガス流量及び排ガス成分に対する劣化指数により劣化指標を求めると共に三元触媒３２（三元触媒３４）での排ガス温度、排ガス流量及び排ガス成分に対する劣化指数により劣化指標を求め、各劣化指標に基づいて運転領域を最適に切り換えて劣化を抑制している。
【００３３】
具体的には、吸蔵型NOx 触媒３３の劣化指標（劣化指数）がNOx 触媒用の所定値（第１所定値）を越えたときにストイキでの筒内噴射エンジン１の運転を禁止すると共に、三元触媒３２（三元触媒３４）の劣化指標（劣化指数）が三元触媒用の所定値（第２所定値）を越えたときにリーン空燃比での筒内噴射エンジン１の運転を禁止するようにしている（空燃比制御手段）。これにより、燃費の悪化を招くことなく、劣化の特性が相反する吸蔵型NOx 触媒３３及び三元触媒３２（三元触媒３４）の熱劣化を抑制するようにしている。
【００３４】
以下、図２のフローチャートに基づいて排気浄化装置における劣化抑制制御について説明する。
【００３５】
図に示すように、ステップＳ１で吸蔵型NOx 触媒３３の劣化指数を図３に基づいて検出し、ステップＳ２で三元触媒３２の劣化指数を図４に基づいて検出し、ステップＳ３で三元触媒３４の劣化指数を図４に基づいて検出する。つまり、図３に示すように、吸蔵型NOx 触媒３３における触媒温度に対する劣化指数1A、排ガス流量に対する劣化指数1B、排ガス成分に対する劣化指数1Cが設定されている。また、図４に示すように、三元触媒３２及び三元触媒３４における触媒温度に対する劣化指数2A、排ガス流量に対する劣化指数2B、排ガス成分に対する劣化指数2Cが設定されている。
【００３６】
図３(a) 、図４(a) に示すように、吸蔵型NOx 触媒３３及び三元触媒３２、３４は触媒温度が高くなるにしたがって劣化指数が悪化状態になる。図３(b) 、図４(b) に示すように、吸蔵型NOx 触媒３３は排ガス流量が少ない状態で劣化指数が悪化状態になる一方、三元触媒３２、３４は排ガス流量が多くなる状態で劣化指数が悪化状態になる。図３(c) 、図４(c) に示すように、吸蔵型NOx 触媒３３は排ガス成分のCO,H2,TCH,NOx ,O2 が少ない状態で劣化指数が悪化状態になる一方、三元触媒３２、３４はO2,NO x が多くなる状態で劣化指数が悪化状態になる。
【００３７】
ステップＳ１では、図３に基づいて劣化指数1A、劣化指数1B、劣化指数1Cが検出され、ステップＳ２及びステップＳ３では、図４に基づいて劣化指数2A、劣化指数2B、劣化指数2Cが検出される。それぞれの劣化指数が検出されると、ステップＳ４で劣化指標１、２が演算される。劣化指標１は劣化指数1A、劣化指数1B、劣化指数1Cに基づいて演算される吸蔵型NOx 触媒３３の劣化の指標であり、劣化指標２は劣化指数2A、劣化指数2B、劣化指数2Cに基づいて演算される三元触媒３２、３４の劣化の指標である。
【００３８】
例えば、劣化指標１は、（劣化指数1A×劣化指数1B×劣化指数1C）または｛劣化指数1A×（劣化指数1B＋劣化指数1C）｝として演算される。また、劣化指標２は劣化指標１と同様に、（劣化指数2A×劣化指数2B×劣化指数2C）または｛劣化指数2A×（劣化指数2B＋劣化指数2C）｝として演算される。尚、触媒の性質等により重み付けをして演算することも可能である。また、劣化指標を演算する場合には、各劣化指数を少なくとも１つ以上を用いればよい。
【００３９】
ステップＳ４で劣化指標１、２が演算されると、即ち、吸蔵型NOx 触媒３３及び三元触媒３２、３４の劣化のし易さが求められると、ステップＳ５で劣化指標１が第１所定値を越えているか否かが判断される。ステップＳ５で劣化指標１が第１所定値を越えていると判断された場合、ステップＳ６でストイキフィードバック（ストイキF/B)運転が禁止される。即ち、高温で排ガス流量が少なく排ガス成分のCO,H2,TCH,NOx ,O2 が少ない状態の場合に、吸蔵型NOx 触媒３３が劣化しやすい状況にあると判断され、排ガス成分のCO,H2,TCH,NOx ,O2 が少ないストイキF/B が禁止されて吸蔵型NOx 触媒３３の劣化が抑制される。
【００４０】
ステップＳ６でストイキF/B 運転を禁止した後、もしくは、ステップＳ５で劣化指標１がNOx 所定値を越えていないと判断された場合、ステップＳ７で劣化指標２が第２所定値を越えているか否かが判断される。ステップＳ７で劣化指標２が第２所定値を越えていると判断された場合、ステップＳ８でリーン運転が禁止される。高温で排ガス流量が多く排ガス成分のNOx ,O2 が多い場合に、三元触媒３２、３４が劣化しやすい状況にあると判断され、NOx ,O2 が多いリーン運転が禁止されて三元触媒３２、３４の劣化が抑制される。
【００４１】
つまり、劣化指標１が第１所定値を越え且つ劣化指標２が第２所定値を越えている場合には、両方の触媒の劣化を抑制するために、ストイキF/B 及びリーンが禁止されてリッチ運転状態とされる。また、劣化指標１が第１所定値を越え劣化指標２が第２所定値を越えてていない場合には、吸蔵型NOx 触媒３３の劣化を抑制するために、ストイキF/B だけが禁止されてリーン運転もしくはリッチ運転が可能な状態とされる。また、劣化指標１が第１所定値を越えておらず劣化指標２が第２所定値を越えている場合には、リーン運転だけが禁止されてストイキF/B もしくはリッチ運転が可能な状態とされ、劣化指標１が第１所定値を越えておらず且つ劣化指標２が第２所定値を越えていない場合には、ストイキF/B 及びリーンは禁止されず、ストイキF/B 、リーン運転及びリッチ運転の全てが可能な状態とされる。
【００４２】
尚、ストイキF/B を禁止する際に、CO,H2,TCH,NOx ,O2 を増量させたり、触媒を冷却して温度を低下させたり、排ガス流量を増加させる手段を併用することも可能である。この場合、第１所定値を別設定にしてもよい。また、リーン運転を禁止する際に、NOx ,O2 を減少させたり、触媒を冷却して温度を低下させたり、排ガス流量を減少させる手段を併用することも可能である。この場合、第２所定値を別設定にしてもよい。
【００４３】
上述したように、劣化指標が高い、即ち、触媒温度や排ガス流量や排ガス成分に起因する劣化指数が高く劣化しやすくなっている側の触媒の劣化を抑制する状態に運転状態が制御されて優先的に劣化が抑制されると共に、劣化指標１、２両方が高い、即ち、触媒温度や排ガス流量や排ガス成分に起因する劣化指数が高く共に劣化しやすくなっている場合は吸蔵型NOx 触媒３３及び三元触媒３２、３４の劣化を抑制するようにリーン及びストイキでの運転が禁止されるようになっている。このため、リッチ運転のみに運転領域が制限されるのは吸蔵型NOx 触媒３３及び三元触媒３２，３４が共に劣化しやすくなっている場合のみとなり、燃費の悪化を抑えて劣化特性が異なる吸蔵型NOx 触媒３３及び三元触媒３２、３４の両者の劣化を効率よく抑制することができる。
【００４４】
図５、図６に基づいてい劣化抑制制御の他の実施形態例を説明する。本実施形態例の劣化抑制制御は、触媒の温度と排ガス流量（吸気流量）とで定まる吸蔵型NOx 触媒３３の劣化指数及び三元触媒３２、３４の劣化指数に応じて定まる筒内噴射エンジン１の運転領域を触媒温度と排ガス流量とをパラメータとしてマップ化（運転領域設定手段）したもので、マップに従い劣化を抑制する状態の運転領域となるように運転を行なって三元触媒３２、吸蔵型NOx 触媒３３及び三元触媒３４の熱劣化を抑制するようにしたものである。
【００４５】
図５には吸蔵型NOx 触媒３３の運転領域を表す触媒温度と吸気流量との関係のマップ、図６には三元触媒３２、３４の運転領域を表す触媒温度と吸気流量との関係のマップを示してある。
【００４６】
図５、図６に示すように、吸蔵型NOx 触媒３３及び三元触媒３２、３４のそれぞれにおいて、触媒温度と吸気流量との関係で劣化が抑制される運転領域が設定されている。即ち、所定温度Ｔ℃以上で触媒温度と吸気流量とに基づいて運転領域が高温側から順にＡゾーン、Ｂゾーン、Ｃゾーン及びＤゾーンに分けられている。尚、各ゾーンの境界における実線は低温側から高温側にゾーンを切り換えるときの境界で、点線は高温側から低温側にゾーンを切り換えるときの境界となっており、ヒステリシスが設けられた状態になっている。
【００４７】
Ａゾーンはリッチ空燃比で、触媒温度が高くオープンループモードのゾーンとなっている。但し、Ａ／Ｆは所定値（例えば１３）以下になっている。ＢゾーンはストイキF/B ＋リッチシフトによりストイキよりややリッチな空燃比を達成するゾーンとなっており、F/B ゲインは通常のストイキF/B とは別設定される。Ｃゾーンはリーン空燃比で、定常時はリーンモードとなるゾーンとなっている。但し、目標Ａ／Ｆ＜所定値（ストイキF/B ＋リッチシフトも含む）が３０秒以上経過した後に突入した場合は上述の、ストイキF/B ＋リッチシフトを所定時間（例えば５秒間）実行させた後にリーンモードとして触媒の昇温が防止される。また、この領域での加速時は、上述のストイキF/B ＋リッチシフトが実行され、F/B ゲインは別設定される。Ｄゾーンは高負荷オープンループモード禁止のゾーンとなっている。但し、図７に示すように、判定Ａ／Ｆが規定Ａ／Ｆ（例えば１３．８）以下では、オープンループモードとし目標Ａ／Ｆを判定Ａ／Ｆ以下とする。始動モード、フェールモード、燃料カットモードは除く。このため、Ａゾーンに比べてＢゾーンが、Ｂゾーンに比べてＣゾーンの方が燃費は向上し、Ｄゾーンはドライバビリティを犠牲にしない範囲内で燃費を抑制できる。
【００４８】
尚、上記実施形態例では、筒内噴射エンジン１の運転領域を４つの運転領域に設定しているが、４つ以上の運転領域に設定することも可能であり、また、ストイキ空燃比の領域を設定することも可能である。更に、所定温度Ｔ℃以上で触媒の劣化抑制のための運転領域を設定しているが、低温域を含む全ての温度領域で劣化抑制のための運転領域を設定することも可能である。
【００４９】
吸気流量が少ない場合には、吸蔵型NOx 触媒３３が劣化しやすいため、高い触媒温度までリーンモードを実施し（Ｃゾーンの領域を広くし）、吸蔵型NOx 触媒３３の劣化を抑制する。吸気流量が多い場合には、三元触媒３２、３４が劣化しやすいため、触媒温度が高くならないうちにリッチ側のモードであるＢゾーンの非リーンモードを実施し、三元触媒３２、３４の劣化を抑制する。各触媒温度から求めたゾーンに対し、図５及び図６で選択されるゾーンが異なった場合、Ａゾーン、Ｂゾーン、Ｃゾーン、Ｄゾーンの順に優先される（例えば、図５ではＢゾーンが選択され図６ではＣゾーンが選択された場合、Ｂゾーンが優先される）。
【００５０】
このため、図５及び図６で示したように、Ａゾーン、Ｂゾーン、Ｃゾーン、Ｄゾーンに運転領域を設定し、触媒温度と吸気流量（排ガス流量）とに基づいてゾーンを選択することで、劣化しやすい触媒の劣化が優先的に抑制される状態の運転領域が選択され、燃費の悪化を抑えて吸蔵型NOx 触媒３３と三元触媒３２、３４の両者の劣化が効率よく抑制される。
【００５１】
尚、図５に示したように、ＢゾーンとＣゾーンの境界において、高温側から低温側のＢゾーンからＣゾーンに切り換える時（点線）、吸気流量が少ない領域で低温側に点線が傾いている。これは、Ｂゾーンにおける吸蔵型NOx 触媒３３はリッチ運転のために炭酸塩になっており、排ガス流量が少ないので、低温側でリーンにしても新たなCO,O2,Noが少ない状態になっている。このため、すぐにリーンに切り換えると炭酸塩を放出してしまうので、なるべく低温側までリッチ状態を維持して炭酸塩の放出を抑え劣化を抑制するためである。
【００５２】
逆に、ＢゾーンとＣゾーンの境界において、低温側から高温側のＣゾーンからＢゾーンに切り換える時（実線）、吸気流量が少ない領域で高温側に実線が傾いている。これは、Ｃゾーンにおける吸蔵型NOx 触媒３３はリーン運転のために硝酸塩になっており、排ガス流量が少ない。このため、すぐにリッチに切り換えるとO2を放出してしまうので、なるべく低温側までリッチ状態である安定状態を維持して劣化を抑制するためである。
【００５３】
上記実施形態例では、排気管１１に三元触媒３２と排気浄化装置１３とを別々に設けたが、１つの触媒装置の中に三元触媒３２、吸蔵型NOx 触媒３３、三元触媒３４を設けるようにしてもよい。また、吸蔵型NOx 触媒３３に三元機能を持たせて一体型としてもよい。また、内燃機関として筒内噴射エンジン１を例に挙げて説明したが、排気浄化用の三元触媒（三元機能）と排ガス中の窒素酸化物を吸蔵する吸蔵型NOx 触媒を有するものであれば、吸気管噴射型のリーンバーンエンジンに本発明を適用することも可能である。
【００５４】
また、NOx 選択還元型触媒を更に使用する場合、NOx 選択還元型触媒は三元触媒と類似した劣化特性を示すため、三元触媒と同じ傾向の劣化指数やマップを使用すればよい。また、触媒温度に相関するパラメータ値として、実施形態例では触媒温度と排気温度から推定するものとしたが、触媒温度を実測してもよいし、排気温度検出値を直接または補正して使用するものとしてもよい。更に、NOx トラップ触媒として、リーン雰囲気でNOx を吸蔵してリッチまたはストイキ雰囲気で吸蔵しているNOx を放出還元する吸蔵型NOx 触媒を例に挙げて説明したが、リーン雰囲気でNOx を吸蔵しリッチまたはストイキ雰囲気で吸蔵しているNOx を直接還元するNOx トラップ触媒を使用してもよい。
【００５５】
【発明の効果】
請求項１の本発明の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の運転状態や排ガス量に基づいて三元触媒の劣化指数及びNOx トラップ触媒の劣化指数を導出し、三元触媒の劣化指数が三元触媒用の所定値を越えたときにリーン空燃比での内燃機関の運転を禁止すると共にNOx トラップ触媒の劣化指数がNOx トラップ触媒用の所定値を越えたときに理論空燃比での内燃機関の運転を禁止するようにしたので、劣化しやすい側の触媒の劣化が優先的に抑制されると共に、両方の劣化指数が高くなったときにリーン空燃比及び理論空燃比での内燃機関の運転が禁止される。この結果、燃費の悪化を抑えて三元触媒とNOx トラップ触媒の両者の劣化を効率よく抑制することが可能となる。
【００５６】
請求項２の本発明の内燃機関の排気浄化装置は、触媒の温度と排ガス流量とに応じて内燃機関のリーン空燃比運転領域及びリッチ運転領域を設定するようにしたもので、触媒の劣化特性に合わせて温度及び排ガス流量に応じて適切な運転領域が選択される。この結果、燃費の悪化を抑えて三元触媒とNOx トラップ触媒の両者の劣化を効率よく抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例に係る排気浄化装置を備えた内燃機関の概略構成図。
【図２】排気浄化装置による劣化抑制制御のフローチャート。
【図３】吸蔵型NOx 触媒の劣化指数の状況を表すグラフ。
【図４】三元触媒の劣化指数の状況を表すグラフ。
【図５】吸蔵型NOx 触媒の運転領域を表す触媒温度と吸気流量との関係のマップ。
【図６】三元触媒の運転領域を表す触媒温度と吸気流量との関係のマップ。
【図７】空燃比と負荷との関係を表すグラフ。
【符号の説明】
１ 筒内噴射エンジン
１３ 排気浄化触媒装置
３１ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
３２ 三元触媒
３３ 吸蔵型NOx 触媒
３４ 三元触媒
【発明の属する技術分野】
本発明は、排ガス浄化用の三元触媒と排ガス中の窒素酸化物をトラップするNOx トラップ触媒を排気通路に備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃費の向上を図るため、リーン空燃比での燃焼を可能とした希薄燃焼内燃機関が実用化されている。この希薄燃焼内燃機関では、従来の三元触媒ではその浄化特性によりリーン燃焼時の排ガス中の窒素酸化物（NOx ）を十分に浄化できないといった問題がある。そこで、近年では、例えば、リーン空燃比で運転中に排ガス中のNOx を吸蔵し、理論空燃比（ストイキ）またはリッチ空燃比で運転中に吸蔵されたNOx を放出還元する吸蔵型NOx 触媒等のNOx トラップ触媒装置を備えた排気浄化装置が採用されてきている。
【０００３】
例えば、この吸蔵型NOx 触媒は、リーン空燃比（酸素の過剰状態）で排ガス中のNOx から硝酸塩（もしくは酸化塩）を生成し、これによりNOx を吸蔵する一方、ストイキまたはリッチ空燃比（酸素濃度が低下した雰囲気）では、触媒装置に吸蔵した硝酸塩と排気中のCOとを反応させて炭酸塩を生成し、これによりNOx を放出還元させるようになっている。
【０００４】
また、三元触媒は、一般に、貴金属（例えば、白金やロジウム等）が担持されており、排ガスが高温のリーン雰囲気になったときに酸化して触媒性能が低下（劣化）する。そのため、排気通路に三元触媒を有する排気浄化装置では、酸化雰囲気下でこの触媒が所定の高温状態に晒される場合、排気空燃比をストイキにする熱劣化対策のための空燃比制御が、例えば、特開平5-59935 号公報によって提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、希薄燃焼内燃機関にあっては、例えば、排気通路に三元触媒と吸蔵型NOx 触媒を設けているが、三元触媒と吸蔵型NOx 触媒とでは熱劣化をはじめとした劣化特性が異なるものであるため、両者を両立させて有効に劣化抑制する技術が確立されていないのが現状である。
【０００６】
即ち、三元触媒と吸蔵型NOx 触媒とでは耐熱温度が異なると共に、三元触媒は高温で排ガスがリーン雰囲気になったときに酸化して劣化する一方、吸蔵型NOx 触媒は高温でストイキ雰囲気になってCOやTHC 等が少なくなったときに吸蔵材が炭酸塩、硝酸塩（もしくは酸化塩）のいずれの状態にもならず吸蔵材が不安定となり担体と結びついてNOx を吸蔵することができなくなる（劣化）。特に、排ガス流量が多い場合に、酸化が促進されて三元触媒の劣化に対して悪影響を及ぼし、排ガス流量が少ない場合にCOやTHC 等が不足して吸蔵型NOx 触媒の劣化に対して悪影響を及ぼしてしまう。触媒温度が高くなりやすい状況下で空燃比をリッチ雰囲気に制御すれば、触媒温度の上昇及び酸化や不安定化が抑制され、三元触媒と吸蔵型NOx 触媒の両者の劣化を抑制することができるが、空燃比をリッチ空燃比に単純に切り換える手法は燃費の大幅な悪化を招いてしまう問題があった。
【０００７】
このように、三元触媒と吸蔵型NOx 触媒を備えた希薄燃焼内燃機関の触媒装置では、三元触媒と吸蔵型NOx 触媒の両者の劣化を抑制するためには様々な問題が生じ、燃費の悪化を抑えながら触媒の劣化を抑制することは困難で、劣化抑制の技術が確立されていないのが現状である。
【０００８】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、燃費の悪化を抑えて三元触媒とNOx トラップ触媒の両者の劣化を抑制することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項１の本発明では、排気浄化用の三元触媒と窒素酸化物をトラップするNOx トラップ触媒とを備えた触媒装置において、劣化指数導出手段により内燃機関の運転状態や排ガス量に基づいて三元触媒の劣化指数及びNOx トラップ触媒の劣化指数を導出し、空燃比制御手段により、三元触媒の劣化指数が三元触媒用の所定値を越えたときにリーン空燃比での内燃機関の運転を禁止すると共にNOx トラップ触媒の劣化指数がNOx トラップ触媒用の所定値を越えたときに理論空燃比での内燃機関の運転を禁止するようにしたものである。このため、劣化指数が高い、即ち、劣化しやすい側の触媒の劣化が優先的に抑制されると共に、両方の劣化指数が高くなったときにリーン空燃比及び理論空燃比での内燃機関の運転が禁止され、状況によってはリッチ空燃比にしなくても劣化を抑制できる。これにより、燃費の悪化を抑えて三元触媒とNOx トラップ触媒の両者の劣化が抑制される。
【００１０】
好ましい態様として、劣化指数を導出する場合には、具体的には、触媒温度、排ガス流量及び排ガス成分の情報が少なくとも１つ以上用いられる。
【００１１】
上記目的を達成するため請求項２の本発明では、排気浄化用の三元触媒と窒素酸化物をトラップするNOx トラップ触媒とを備えた触媒装置において、触媒の温度に相関するパラメータ値と排ガス流量に相関するパラメータ値とに応じて内燃機関のリーン空燃比運転領域及びリッチ運転領域を設定するようにしたものである。このため、触媒の劣化特性に合わせて温度及び排ガス流量に応じて適切な運転領域が選択され、燃費の悪化を抑えて三元触媒とNOx トラップ触媒の両者の劣化が抑制される。
【００１２】
好ましい態様として、運転領域は、触媒温度と排ガス流量（吸気流量）との関係のマップにより三元触媒とNOx トラップ触媒のそれぞれに設定され、運転領域の選択は、所定の高温度以上の領域で実施されて熱劣化が抑制される。
【００１３】
この場合、NOx トラップ触媒のマップにおける排ガス流量が少ない領域では、リッチ空燃比側への切り換えが極力高温側で実施され、リーン空燃比側への切り換えが極力低温側で実施されるように設定されることが望ましい。これは、NOx トラップ触媒の場合、リーン空燃比では吸蔵材が硝酸塩（もしくは酸化塩）の状態になって安定しているので、リーン空燃比からリッチ空燃比側への切り換えを極力高温側で実施することで、酸素もしくはNOx の放出を阻止して安定状態を維持することができるからである。また、リッチ空燃比でのNOx 吸蔵触媒は、吸蔵材が炭酸塩の状態になって安定しているので、リッチ空燃比からリーン空燃比側への切り換えを極力低温側で実施することで、炭酸塩の放出を阻止して安定状態を維持することができるからである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下図面に基づいて本発明の実施形態例を説明する。図示の実施形態例は、混合気の空燃比を理論空燃比よりも燃料希薄側に制御して燃焼室内に燃料を直接噴射するようにした火花点火式の多気筒型筒内噴射内燃機関を例に挙げて説明してある。図１には本発明の一実施形態例に係る排気浄化装置を備えた内燃機関の概略構成、図２には排気浄化装置による劣化抑制制御のフローチャート、図３には吸蔵型NOx 触媒の劣化指数の状況を表すグラフ、図４には三元触媒の劣化指数の状況を表すグラフを示してある。
【００１５】
多気筒型筒内噴射内燃機関としては、例えば、燃料を直接燃焼室に噴射する筒内噴射型直列４気筒ガソリンエンジン（筒内噴射エンジン）１が適用される。筒内噴射エンジン１は、例えば、燃焼モード（運転モード）を切り換えることで、吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射モード）または圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射モード）が実施可能となっている。そして、この筒内噴射エンジン１は、理論空燃比（ストイキ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）が実現可能となっており、特に、圧縮行程噴射モードでは、吸気行程でのリーン空燃比運転よりも大きな空燃比となる超リーン空燃比での運転が可能となっている。
【００１６】
図１に示すように、筒内噴射エンジン１のシリンダヘッド２には各気筒毎に点火プラグ３が取り付けられると共に、各気筒毎に電磁式の燃料噴射弁４が取り付けられている。燃焼室５内には燃料噴射弁４の噴射口が開口し、燃料噴射弁４から噴射される燃料が燃焼室５内に直接噴射されるようになっている。筒内噴射エンジン１のシリンダ６にはピストン７が上下方向に摺動自在に支持され、ピストン７の頂面には半球状に窪んだキャビティ８が形成されている。キャビティ８により、図１では時計回りの逆タンブル流を発生させるようになっている。
【００１７】
シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成され、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド９の一端がそれぞれ接続されている。吸気マニホールド９の他端にはドライブバイワイヤ（ＤＢＷ）方式の電動スロットル弁（ＥＴＶ）２１が接続され、ＥＴＶ２１にはスロットル開度θthを検出するスロットルポジションセンサ２２が設けられている。また、筒内噴射エンジン１には、クランク角を検出するクランク角センサ２３が設けられ、クランク角センサ２３はエンジン回転速度Neを検出可能となっている。
【００１８】
また、シリンダヘッド２には各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成され、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されている。また、排気マニホールド１０には図示しないＥＧＲ装置が設けられている。一方、排気マニホールド１０には排気管１１が接続され、排気管１１には筒内噴射エンジン１に隣接した小型の三元触媒３２及び排気浄化触媒装置１３を介して図示しないマフラーが接続されている。
【００１９】
三元触媒３２は、筒内噴射エンジン１の冷態始動時に排ガスによって加熱して早期に活性化させると共に、排気空燃比がストイキ近傍のときに排ガス中の有害物質（HC,CO,NOx ）を浄化するものであり、貴金属として白金（Pt）、ロジウム（Rh）等を有した触媒となっている。排気管１１における三元触媒３２と排気浄化触媒装置１３の間には、排気浄化触媒装置１３の直上流に位置して、即ち、後述するNOx トラップ触媒としての吸蔵型NOx 触媒３３及び三元触媒３２の直上流に位置して排気温度を検出する高温センサ１４，１４ａが設けられている。
【００２０】
排気浄化触媒装置１３は、排気空燃比がリーン空燃比のときに排ガス中のNOx を吸蔵すると共に主としてCOの存在する還元雰囲気中において吸蔵したNOx を放出して窒素（N2）等に還元させる吸蔵・放出・還元機能と、排気空燃比がストイキ近傍のときに排ガス中の有害物質（HC,CO,NOx ) を浄化する還元機能とを有している。つまり、排気浄化触媒装置１３は、吸蔵・放出・還元機能を持たせるための吸蔵型NOx 触媒３３と、三元機能を持たせるための三元触媒３４とを備えた構成になっており、三元触媒３４が吸蔵型NOx 触媒３３の下流側に配置されている。
【００２１】
吸蔵型NOx 触媒３３は、貴金属として白金（Pt）、ロジウム（Rh）等を有し吸蔵材としてバリウム（Ba）等のアルカリ金属、アルカリ土類金属が採用された触媒で構成されている。また、三元触媒３４は、吸蔵されたNOx が吸蔵型NOx 触媒３３から放出された際に吸蔵型NOx 触媒３３自身で還元しきれなかったNOx を還元する役目も果たしている。尚、排気浄化触媒装置１３は、吸蔵型NOx 触媒３３がNOx を還元し、HCとCOを酸化する三元触媒の機能（三元機能）を十分有している場合には、吸蔵型NOx 触媒３３だけで構成してもよい。
【００２２】
車両には電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１が設けられ、このＥＣＵ３１には、入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶を行う記憶装置、中央処理装置及びタイマやカウンタ類が備えられている。ＥＣＵ３１によって筒内噴射エンジン１を含めた本実施形態の排気浄化装置の総合的な制御が実施される。各種センサ類の検出情報はＥＣＵ３１に入力され、ＥＣＵ３１は各種センサ類の検出情報に基づいて、燃料噴射モードや燃料噴射量を始めとして点火時期等を決定し、燃料噴射弁４や点火プラグ３等を駆動制御する。
【００２３】
筒内噴射エンジン１では、吸気マニホールド９から燃焼室５内に流入した吸気流が逆タンブル流を形成し、圧縮行程中期以降に燃料を噴射して逆タンブル流を利用しながら燃焼室５の頂部中央に配設された点火プラグ３の近傍のみに少量の燃料を集め、点火プラグ３から離隔した部分で極めてリーンな空燃比状態とする。点火プラグ３の近傍のみをストイキ又はリッチな空燃比とすることで、安定した層状燃焼（層状超リーン燃焼）を実現しながら燃料消費を抑制する。
【００２４】
また、筒内噴射エンジン１から高出力を得る場合には、燃料噴射弁４からの燃料を吸気行程に噴射することにより燃焼室５全体に均質化し、燃焼室５内をストイキやリーン空燃比の混合気状態にさせて予混合燃焼を行う。もちろん、ストイキもしくはリッチ空燃比の方がリーン空燃比よりも高出力が得られるため、この際にも、燃料の霧化及び気化が十分に行なわれるようなタイミングで燃料噴射を行ない、効率よく高出力を得るようにしている。
【００２５】
ＥＣＵ３１では、スロットルポジションセンサ２２からのスロットル開度θthとクランク角センサ２３からのエンジン回転速度Neとに基づいてエンジン負荷に対応する目標筒内圧、即ち、目標平均有効圧Peが求められ、更に、この目標平均有効圧Peとエンジン回転速度Neとに応じてマップ（図示せず）より燃料噴射モードが設定される。例えば、目標平均有効圧Peとエンジン回転速度Neとが共に小さいときは、燃料噴射モードは圧縮行程噴射モードとされて燃料が圧縮行程で噴射され、一方、目標平均有効圧Peが大きくなり、あるいはエンジン回転速度Neが大きくなると燃料噴射モードは吸気行程噴射モードとされ、燃料が吸気行程で噴射される。そして、目標平均有効圧Peとエンジン回転速度Neとから各燃料噴射モードでの制御目標となる目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）が設定され、適正量の燃料噴射量がこの目標Ａ／Ｆに基づいて決定される。
【００２６】
また、高温センサ１４あるいは高温センサ１４ａにより検出された排気温度情報から触媒温度（三元触媒３２、吸蔵型NOx 触媒３３、三元触媒３４）が推定される。詳しくは、高温センサ１４と三元触媒３２及び排気浄化装置１３とが多少なりとも離れて配置されていることに起因する誤差を補正するため、目標平均有効圧Peとエンジン回転速度Neとの情報に応じて温度誤差マップが予め実験等により設定されており、触媒温度は目標平均有効圧Peとエンジン回転速度Neが決まると一義的に推定される。更に、運転状態により排ガス流量及び排ガス成分の状況がマップにより設定されている。尚、排ガス流量は図示しない吸気量センサの情報により推定することも可能であり、排ガス成分は排ガスの状況を直接検出するセンサを別途設けることも可能である。
【００２７】
上記構成の内燃機関の排気浄化装置では、三元触媒３２では、筒内噴射エンジン１の冷態始動時に排ガスによって加熱されて早期に活性化すると共に、排気空燃比がストイキ近傍のときに排ガス中の有害物質（HC,CO,NOx ）を浄化する。
【００２８】
また、排気浄化装置１３において、吸蔵型NOx 触媒３３では、リーンモードにおける超リーン燃焼運転のような酸素濃度過剰雰囲気で、排気中のNOx が硝酸塩として吸蔵されて排気の浄化が行なわれる。一方、酸素濃度が低下した雰囲気では、吸蔵型NOx 触媒３３に吸蔵した硝酸塩と排気中のCOとが反応して炭酸塩が生成されると共にNOx が放出される。従って、吸蔵型NOx 触媒３３へのNOx の吸蔵が進むと、空燃比のリッチ化あるいは追加の燃料噴射を行なう等して、吸蔵型NOx 触媒３３からNOx を放出させて機能を維持する。
【００２９】
更に、排気浄化装置１３の三元触媒３４では、三元触媒３２と同様に、排気空燃比がストイキ近傍のときに排ガス中の有害物質（HC,CO,NOx ）を浄化する。また、吸蔵型NOx 触媒３３から吸蔵されたNOx が放出された際に、吸蔵型NOx 触媒３３自身だけでは還元しきれなかったNOx を還元する。
【００３０】
本実施形態例の内燃機関の排気浄化装置では、排ガス温度、排ガス流量及び排ガス成分を最適に制御して（運転状態を最適に切り換えて）、三元触媒３２、吸蔵型NOx 触媒３３及び三元触媒３４の熱劣化を抑制している。
【００３１】
三元触媒と吸蔵型NOx 触媒とでは耐熱温度が異なると共に、三元触媒は排ガスがリーン雰囲気になったときに酸化して劣化する一方、吸蔵型NOx 触媒はストイキ雰囲気になってCOやTHC 等が少なくなったときに吸蔵材が炭酸塩、硝酸塩（もしくは酸化塩）のいずれの状態にもならず吸蔵材が不安定となり担体と結びついてNOx を吸蔵することができなくなる（劣化）。特に、排ガス流量が多い場合に、酸化が促進されて三元触媒の劣化に対して悪影響を及ぼし、排ガス流量が少ない場合にCOやTHC 等が不足して吸蔵型NOx 触媒の劣化に対して悪影響を及ぼしてしまう。つまり、吸蔵型NOx 触媒３３と三元触媒３２（三元触媒３４）とは排ガス流量に対する劣化の特性が相反する。
【００３２】
このため、排ガス温度、排ガス流量及び排ガス成分に対する吸蔵型NOx 触媒３３と三元触媒３２（三元触媒３４）の劣化指数をそれぞれ導出し（劣化指数導出手段）、吸蔵型NOx 触媒３３での排ガス温度、排ガス流量及び排ガス成分に対する劣化指数により劣化指標を求めると共に三元触媒３２（三元触媒３４）での排ガス温度、排ガス流量及び排ガス成分に対する劣化指数により劣化指標を求め、各劣化指標に基づいて運転領域を最適に切り換えて劣化を抑制している。
【００３３】
具体的には、吸蔵型NOx 触媒３３の劣化指標（劣化指数）がNOx 触媒用の所定値（第１所定値）を越えたときにストイキでの筒内噴射エンジン１の運転を禁止すると共に、三元触媒３２（三元触媒３４）の劣化指標（劣化指数）が三元触媒用の所定値（第２所定値）を越えたときにリーン空燃比での筒内噴射エンジン１の運転を禁止するようにしている（空燃比制御手段）。これにより、燃費の悪化を招くことなく、劣化の特性が相反する吸蔵型NOx 触媒３３及び三元触媒３２（三元触媒３４）の熱劣化を抑制するようにしている。
【００３４】
以下、図２のフローチャートに基づいて排気浄化装置における劣化抑制制御について説明する。
【００３５】
図に示すように、ステップＳ１で吸蔵型NOx 触媒３３の劣化指数を図３に基づいて検出し、ステップＳ２で三元触媒３２の劣化指数を図４に基づいて検出し、ステップＳ３で三元触媒３４の劣化指数を図４に基づいて検出する。つまり、図３に示すように、吸蔵型NOx 触媒３３における触媒温度に対する劣化指数1A、排ガス流量に対する劣化指数1B、排ガス成分に対する劣化指数1Cが設定されている。また、図４に示すように、三元触媒３２及び三元触媒３４における触媒温度に対する劣化指数2A、排ガス流量に対する劣化指数2B、排ガス成分に対する劣化指数2Cが設定されている。
【００３６】
図３(a) 、図４(a) に示すように、吸蔵型NOx 触媒３３及び三元触媒３２、３４は触媒温度が高くなるにしたがって劣化指数が悪化状態になる。図３(b) 、図４(b) に示すように、吸蔵型NOx 触媒３３は排ガス流量が少ない状態で劣化指数が悪化状態になる一方、三元触媒３２、３４は排ガス流量が多くなる状態で劣化指数が悪化状態になる。図３(c) 、図４(c) に示すように、吸蔵型NOx 触媒３３は排ガス成分のCO,H2,TCH,NOx ,O2 が少ない状態で劣化指数が悪化状態になる一方、三元触媒３２、３４はO2,NO x が多くなる状態で劣化指数が悪化状態になる。
【００３７】
ステップＳ１では、図３に基づいて劣化指数1A、劣化指数1B、劣化指数1Cが検出され、ステップＳ２及びステップＳ３では、図４に基づいて劣化指数2A、劣化指数2B、劣化指数2Cが検出される。それぞれの劣化指数が検出されると、ステップＳ４で劣化指標１、２が演算される。劣化指標１は劣化指数1A、劣化指数1B、劣化指数1Cに基づいて演算される吸蔵型NOx 触媒３３の劣化の指標であり、劣化指標２は劣化指数2A、劣化指数2B、劣化指数2Cに基づいて演算される三元触媒３２、３４の劣化の指標である。
【００３８】
例えば、劣化指標１は、（劣化指数1A×劣化指数1B×劣化指数1C）または｛劣化指数1A×（劣化指数1B＋劣化指数1C）｝として演算される。また、劣化指標２は劣化指標１と同様に、（劣化指数2A×劣化指数2B×劣化指数2C）または｛劣化指数2A×（劣化指数2B＋劣化指数2C）｝として演算される。尚、触媒の性質等により重み付けをして演算することも可能である。また、劣化指標を演算する場合には、各劣化指数を少なくとも１つ以上を用いればよい。
【００３９】
ステップＳ４で劣化指標１、２が演算されると、即ち、吸蔵型NOx 触媒３３及び三元触媒３２、３４の劣化のし易さが求められると、ステップＳ５で劣化指標１が第１所定値を越えているか否かが判断される。ステップＳ５で劣化指標１が第１所定値を越えていると判断された場合、ステップＳ６でストイキフィードバック（ストイキF/B)運転が禁止される。即ち、高温で排ガス流量が少なく排ガス成分のCO,H2,TCH,NOx ,O2 が少ない状態の場合に、吸蔵型NOx 触媒３３が劣化しやすい状況にあると判断され、排ガス成分のCO,H2,TCH,NOx ,O2 が少ないストイキF/B が禁止されて吸蔵型NOx 触媒３３の劣化が抑制される。
【００４０】
ステップＳ６でストイキF/B 運転を禁止した後、もしくは、ステップＳ５で劣化指標１がNOx 所定値を越えていないと判断された場合、ステップＳ７で劣化指標２が第２所定値を越えているか否かが判断される。ステップＳ７で劣化指標２が第２所定値を越えていると判断された場合、ステップＳ８でリーン運転が禁止される。高温で排ガス流量が多く排ガス成分のNOx ,O2 が多い場合に、三元触媒３２、３４が劣化しやすい状況にあると判断され、NOx ,O2 が多いリーン運転が禁止されて三元触媒３２、３４の劣化が抑制される。
【００４１】
つまり、劣化指標１が第１所定値を越え且つ劣化指標２が第２所定値を越えている場合には、両方の触媒の劣化を抑制するために、ストイキF/B 及びリーンが禁止されてリッチ運転状態とされる。また、劣化指標１が第１所定値を越え劣化指標２が第２所定値を越えてていない場合には、吸蔵型NOx 触媒３３の劣化を抑制するために、ストイキF/B だけが禁止されてリーン運転もしくはリッチ運転が可能な状態とされる。また、劣化指標１が第１所定値を越えておらず劣化指標２が第２所定値を越えている場合には、リーン運転だけが禁止されてストイキF/B もしくはリッチ運転が可能な状態とされ、劣化指標１が第１所定値を越えておらず且つ劣化指標２が第２所定値を越えていない場合には、ストイキF/B 及びリーンは禁止されず、ストイキF/B 、リーン運転及びリッチ運転の全てが可能な状態とされる。
【００４２】
尚、ストイキF/B を禁止する際に、CO,H2,TCH,NOx ,O2 を増量させたり、触媒を冷却して温度を低下させたり、排ガス流量を増加させる手段を併用することも可能である。この場合、第１所定値を別設定にしてもよい。また、リーン運転を禁止する際に、NOx ,O2 を減少させたり、触媒を冷却して温度を低下させたり、排ガス流量を減少させる手段を併用することも可能である。この場合、第２所定値を別設定にしてもよい。
【００４３】
上述したように、劣化指標が高い、即ち、触媒温度や排ガス流量や排ガス成分に起因する劣化指数が高く劣化しやすくなっている側の触媒の劣化を抑制する状態に運転状態が制御されて優先的に劣化が抑制されると共に、劣化指標１、２両方が高い、即ち、触媒温度や排ガス流量や排ガス成分に起因する劣化指数が高く共に劣化しやすくなっている場合は吸蔵型NOx 触媒３３及び三元触媒３２、３４の劣化を抑制するようにリーン及びストイキでの運転が禁止されるようになっている。このため、リッチ運転のみに運転領域が制限されるのは吸蔵型NOx 触媒３３及び三元触媒３２，３４が共に劣化しやすくなっている場合のみとなり、燃費の悪化を抑えて劣化特性が異なる吸蔵型NOx 触媒３３及び三元触媒３２、３４の両者の劣化を効率よく抑制することができる。
【００４４】
図５、図６に基づいてい劣化抑制制御の他の実施形態例を説明する。本実施形態例の劣化抑制制御は、触媒の温度と排ガス流量（吸気流量）とで定まる吸蔵型NOx 触媒３３の劣化指数及び三元触媒３２、３４の劣化指数に応じて定まる筒内噴射エンジン１の運転領域を触媒温度と排ガス流量とをパラメータとしてマップ化（運転領域設定手段）したもので、マップに従い劣化を抑制する状態の運転領域となるように運転を行なって三元触媒３２、吸蔵型NOx 触媒３３及び三元触媒３４の熱劣化を抑制するようにしたものである。
【００４５】
図５には吸蔵型NOx 触媒３３の運転領域を表す触媒温度と吸気流量との関係のマップ、図６には三元触媒３２、３４の運転領域を表す触媒温度と吸気流量との関係のマップを示してある。
【００４６】
図５、図６に示すように、吸蔵型NOx 触媒３３及び三元触媒３２、３４のそれぞれにおいて、触媒温度と吸気流量との関係で劣化が抑制される運転領域が設定されている。即ち、所定温度Ｔ℃以上で触媒温度と吸気流量とに基づいて運転領域が高温側から順にＡゾーン、Ｂゾーン、Ｃゾーン及びＤゾーンに分けられている。尚、各ゾーンの境界における実線は低温側から高温側にゾーンを切り換えるときの境界で、点線は高温側から低温側にゾーンを切り換えるときの境界となっており、ヒステリシスが設けられた状態になっている。
【００４７】
Ａゾーンはリッチ空燃比で、触媒温度が高くオープンループモードのゾーンとなっている。但し、Ａ／Ｆは所定値（例えば１３）以下になっている。ＢゾーンはストイキF/B ＋リッチシフトによりストイキよりややリッチな空燃比を達成するゾーンとなっており、F/B ゲインは通常のストイキF/B とは別設定される。Ｃゾーンはリーン空燃比で、定常時はリーンモードとなるゾーンとなっている。但し、目標Ａ／Ｆ＜所定値（ストイキF/B ＋リッチシフトも含む）が３０秒以上経過した後に突入した場合は上述の、ストイキF/B ＋リッチシフトを所定時間（例えば５秒間）実行させた後にリーンモードとして触媒の昇温が防止される。また、この領域での加速時は、上述のストイキF/B ＋リッチシフトが実行され、F/B ゲインは別設定される。Ｄゾーンは高負荷オープンループモード禁止のゾーンとなっている。但し、図７に示すように、判定Ａ／Ｆが規定Ａ／Ｆ（例えば１３．８）以下では、オープンループモードとし目標Ａ／Ｆを判定Ａ／Ｆ以下とする。始動モード、フェールモード、燃料カットモードは除く。このため、Ａゾーンに比べてＢゾーンが、Ｂゾーンに比べてＣゾーンの方が燃費は向上し、Ｄゾーンはドライバビリティを犠牲にしない範囲内で燃費を抑制できる。
【００４８】
尚、上記実施形態例では、筒内噴射エンジン１の運転領域を４つの運転領域に設定しているが、４つ以上の運転領域に設定することも可能であり、また、ストイキ空燃比の領域を設定することも可能である。更に、所定温度Ｔ℃以上で触媒の劣化抑制のための運転領域を設定しているが、低温域を含む全ての温度領域で劣化抑制のための運転領域を設定することも可能である。
【００４９】
吸気流量が少ない場合には、吸蔵型NOx 触媒３３が劣化しやすいため、高い触媒温度までリーンモードを実施し（Ｃゾーンの領域を広くし）、吸蔵型NOx 触媒３３の劣化を抑制する。吸気流量が多い場合には、三元触媒３２、３４が劣化しやすいため、触媒温度が高くならないうちにリッチ側のモードであるＢゾーンの非リーンモードを実施し、三元触媒３２、３４の劣化を抑制する。各触媒温度から求めたゾーンに対し、図５及び図６で選択されるゾーンが異なった場合、Ａゾーン、Ｂゾーン、Ｃゾーン、Ｄゾーンの順に優先される（例えば、図５ではＢゾーンが選択され図６ではＣゾーンが選択された場合、Ｂゾーンが優先される）。
【００５０】
このため、図５及び図６で示したように、Ａゾーン、Ｂゾーン、Ｃゾーン、Ｄゾーンに運転領域を設定し、触媒温度と吸気流量（排ガス流量）とに基づいてゾーンを選択することで、劣化しやすい触媒の劣化が優先的に抑制される状態の運転領域が選択され、燃費の悪化を抑えて吸蔵型NOx 触媒３３と三元触媒３２、３４の両者の劣化が効率よく抑制される。
【００５１】
尚、図５に示したように、ＢゾーンとＣゾーンの境界において、高温側から低温側のＢゾーンからＣゾーンに切り換える時（点線）、吸気流量が少ない領域で低温側に点線が傾いている。これは、Ｂゾーンにおける吸蔵型NOx 触媒３３はリッチ運転のために炭酸塩になっており、排ガス流量が少ないので、低温側でリーンにしても新たなCO,O2,Noが少ない状態になっている。このため、すぐにリーンに切り換えると炭酸塩を放出してしまうので、なるべく低温側までリッチ状態を維持して炭酸塩の放出を抑え劣化を抑制するためである。
【００５２】
逆に、ＢゾーンとＣゾーンの境界において、低温側から高温側のＣゾーンからＢゾーンに切り換える時（実線）、吸気流量が少ない領域で高温側に実線が傾いている。これは、Ｃゾーンにおける吸蔵型NOx 触媒３３はリーン運転のために硝酸塩になっており、排ガス流量が少ない。このため、すぐにリッチに切り換えるとO2を放出してしまうので、なるべく低温側までリッチ状態である安定状態を維持して劣化を抑制するためである。
【００５３】
上記実施形態例では、排気管１１に三元触媒３２と排気浄化装置１３とを別々に設けたが、１つの触媒装置の中に三元触媒３２、吸蔵型NOx 触媒３３、三元触媒３４を設けるようにしてもよい。また、吸蔵型NOx 触媒３３に三元機能を持たせて一体型としてもよい。また、内燃機関として筒内噴射エンジン１を例に挙げて説明したが、排気浄化用の三元触媒（三元機能）と排ガス中の窒素酸化物を吸蔵する吸蔵型NOx 触媒を有するものであれば、吸気管噴射型のリーンバーンエンジンに本発明を適用することも可能である。
【００５４】
また、NOx 選択還元型触媒を更に使用する場合、NOx 選択還元型触媒は三元触媒と類似した劣化特性を示すため、三元触媒と同じ傾向の劣化指数やマップを使用すればよい。また、触媒温度に相関するパラメータ値として、実施形態例では触媒温度と排気温度から推定するものとしたが、触媒温度を実測してもよいし、排気温度検出値を直接または補正して使用するものとしてもよい。更に、NOx トラップ触媒として、リーン雰囲気でNOx を吸蔵してリッチまたはストイキ雰囲気で吸蔵しているNOx を放出還元する吸蔵型NOx 触媒を例に挙げて説明したが、リーン雰囲気でNOx を吸蔵しリッチまたはストイキ雰囲気で吸蔵しているNOx を直接還元するNOx トラップ触媒を使用してもよい。
【００５５】
【発明の効果】
請求項１の本発明の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の運転状態や排ガス量に基づいて三元触媒の劣化指数及びNOx トラップ触媒の劣化指数を導出し、三元触媒の劣化指数が三元触媒用の所定値を越えたときにリーン空燃比での内燃機関の運転を禁止すると共にNOx トラップ触媒の劣化指数がNOx トラップ触媒用の所定値を越えたときに理論空燃比での内燃機関の運転を禁止するようにしたので、劣化しやすい側の触媒の劣化が優先的に抑制されると共に、両方の劣化指数が高くなったときにリーン空燃比及び理論空燃比での内燃機関の運転が禁止される。この結果、燃費の悪化を抑えて三元触媒とNOx トラップ触媒の両者の劣化を効率よく抑制することが可能となる。
【００５６】
請求項２の本発明の内燃機関の排気浄化装置は、触媒の温度と排ガス流量とに応じて内燃機関のリーン空燃比運転領域及びリッチ運転領域を設定するようにしたもので、触媒の劣化特性に合わせて温度及び排ガス流量に応じて適切な運転領域が選択される。この結果、燃費の悪化を抑えて三元触媒とNOx トラップ触媒の両者の劣化を効率よく抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例に係る排気浄化装置を備えた内燃機関の概略構成図。
【図２】排気浄化装置による劣化抑制制御のフローチャート。
【図３】吸蔵型NOx 触媒の劣化指数の状況を表すグラフ。
【図４】三元触媒の劣化指数の状況を表すグラフ。
【図５】吸蔵型NOx 触媒の運転領域を表す触媒温度と吸気流量との関係のマップ。
【図６】三元触媒の運転領域を表す触媒温度と吸気流量との関係のマップ。
【図７】空燃比と負荷との関係を表すグラフ。
【符号の説明】
１ 筒内噴射エンジン
１３ 排気浄化触媒装置
３１ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
３２ 三元触媒
３３ 吸蔵型NOx 触媒
３４ 三元触媒
Claims (2)
- 内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化用の三元触媒と、前記排気通路に設けられ排ガス中の窒素酸化物をトラップするNOx トラップ触媒と、排気ガス温度、排ガス流量及び排ガス成分に基づいて前記三元触媒の劣化指数及び前記NOx トラップ触媒の劣化指数を導出する劣化指数導出手段と、前記三元触媒の劣化指数が三元触媒用の所定値を越えたときにリーン空燃比での前記内燃機関の運転を禁止すると共に前記NOx トラップ触媒の劣化指数がNOx トラップ触媒用の所定値を越えたときに理論空燃比での前記内燃機関の運転を禁止する空燃比制御手段とを備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
- 内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化用の三元触媒と、前記排気通路に設けられ排ガス中の窒素酸化物をトラップするNOx トラップ触媒と、触媒の温度に相関するパラメータ値と排ガス流量に相関するパラメータ値とに応じて前記内燃機関のリーン空燃比運転領域及びリッチ運転領域を設定し各触媒において選択された運転領域が異なる場合にはリッチ運転領域を優先して設定する運転領域設定手段とを備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
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