JP4710856B2

JP4710856B2 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP4710856B2
Application number: JP2007066676A
Authority: JP
Inventors: 啓介佐野; 隆晟伊藤; 公一依田; 和弘若尾
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-03-15
Filing date: 2007-03-15
Publication date: 2011-06-29
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Description

この発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、詳しくは、排気通路に触媒で浄化できなかった未浄化成分を吸着するための吸着材を備えた排気浄化装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、メイン排気通路を迂回するバイパス通路上に、排気ガス中に含まれるＨＣや水分を吸着可能なＨＣ吸着材が配置された内燃機関の排気浄化装置が開示されている。この従来の排気浄化装置では、冷間始動時には排気ガスをバイパス通路に流すことで、ＨＣや水分をＨＣ吸着材に吸着させて、触媒が活性化するまでの期間中に触媒で浄化できなかったＨＣが大気中に排出されるのを防止している。そして、上記従来の排気浄化装置では、触媒の暖機が完了した後に高温の排気ガスをＨＣ吸着材に導入することで、ＨＣ吸着材からＨＣや水分を脱離させて、吸気系に還流させるようにしている。

また、上記従来の排気浄化装置においては、ＨＣ吸着材下流側の排気ガスの湿度に基づいて、排気ガスの流入先をメイン排気通路とバイパス通路との間で切り替えるようにしている。

特開２００２−１３８８２０号公報特開２０００−３４５８３２号公報

上述したように、上記従来の排気浄化装置では、ＨＣ吸着材から脱離させたＨＣや水分を吸気系に還流（吸気パージ）させている。しかしながら、内燃機関の燃焼の乱れを抑制する必要があるため、吸気系への脱離ガスの還流量には制限がある。このため、上記吸気パージを実行するだけでは、ＮＯｘやＨＣといった未浄化成分を吸着材から完全に脱離させることが極めて困難となる。

また、吸着材から脱離した未浄化成分を含む脱離ガスを処理する手法としては、上記の吸気パージ以外にも、排気通路に配置される触媒の上流に脱離ガスを還流させる排気パージがある。このような排気パージによれば、燃焼への影響がないので、上記吸気パージに比して、多量の排気ガスを吸着材に供給可能となる。

ところが、ＮＯｘを吸着する機能を有する吸着材は、ＮＯｘを吸着材から脱離させるために当該吸着材に排気ガスが導入されると、排気ガス中に含まれる水蒸気によってＮＯｘが急激に脱離するという特性を有している。このため、ＮＯｘ等を吸着材から完全に脱離させるという目的で、単純に排気パージを選択して多量の排気ガスを吸着材に供給することとすれば、触媒の浄化能力を超える量のＮＯｘが吸着材から脱離して触媒に供給されることとなる。その結果、排気エミッションを悪化させてしまう。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、吸着材からのＮＯｘの脱離特性を考慮しつつ、排気ガス中に含まれる未浄化成分のうちの少なくともＮＯｘを適切にパージさせ得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。

第１の発明は、内燃機関から排出された排気ガスが流れる主排気通路と、
前記主排気通路との上流側接続部において前記主排気通路から分岐し、前記上流側接続部より下流の下流側接続部において再び前記主排気通路に合流するバイパス通路と、
排気ガスの流入先を前記主排気通路と前記バイパス通路との間で切り替え可能な流路切替手段と、
前記バイパス通路に配置され、排気ガス中に含まれる未浄化成分のうちの少なくともＮＯｘを吸着する機能を有する吸着材と、
前記バイパス通路から分岐し、内燃機関の吸気通路に接続されるパージ通路と、
内燃機関から排出された排気ガスの一部が、前記主排気通路から前記バイパス通路に導入され、前記吸着材を通過した後に前記パージ通路を介して前記吸気通路に還流されるように、前記流路切替手段を制御する吸気パージ実行手段と、
前記主排気通路に配置され、排気ガスを浄化可能な触媒と、
内燃機関から排出された排気ガスの一部または全部が、前記主排気通路から前記バイパス通路に導入され、前記吸着材を通過した後に前記触媒を通過するように、前記流路切替手段を制御する排気パージ実行手段と、
を備える内燃機関の排気浄化装置であって、
前記吸気パージ実行手段を用いたパージ動作を実施した後に、前記吸着材からのＮＯｘ大脱離が完了する時点以降に、前記吸気パージ実行手段を用いた前記パージ動作から前記排気パージ実行手段を用いたパージ動作に切り替えるパージ動作切替手段を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、内燃機関から排出された排気ガスが流れる主排気通路と、
前記主排気通路との上流側接続部において前記主排気通路から分岐し、前記上流側接続部より下流の下流側接続部において再び前記主排気通路に合流するバイパス通路と、
排気ガスの流入先を前記主排気通路と前記バイパス通路との間で切り替え可能な流路切替手段と、
前記バイパス通路に配置され、排気ガス中に含まれるＨＣおよびＮＯｘを吸着する機能を有する吸着材と、
前記バイパス通路から分岐し、内燃機関の吸気通路に接続されるパージ通路と、
内燃機関から排出された排気ガスの一部が、前記主排気通路から前記バイパス通路に導入され、前記吸着材を通過した後に前記パージ通路を介して前記吸気通路に還流されるように、前記流路切替手段を制御する吸気パージ実行手段と、
前記主排気通路に配置され、排気ガスを浄化可能な触媒と、
内燃機関から排出された排気ガスの一部または全部が、前記主排気通路から前記バイパス通路に導入され、前記吸着材を通過した後に前記触媒を通過するように、前記流路切替手段を制御する排気パージ実行手段と、
を備える内燃機関の排気浄化装置であって、
前記吸気パージ実行手段を用いたパージ動作を実施した後に、前記吸着材からのＮＯｘ大脱離が完了する時点以降に、前記吸気パージ実行手段を用いた前記パージ動作から前記排気パージ実行手段を用いたパージ動作に切り替えるパージ動作切替手段を備えることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、パージ動作時に前記吸着材に導入される水分量を推定する水分量推定手段と、
前記水分量推定手段により推定された水分量に基づいて、前記吸着材からのＮＯｘ大脱離を判断するＮＯｘ大脱離判断手段と、
を更に備えることを特徴とする。

また、第４の発明は、第２の発明において、前記吸着材の温度を取得する吸着材温度取得手段を更に備え、
前記パージ動作切替手段は、前記吸着材の温度が安定化するまでは、前記排気パージ実行手段を用いた前記パージ動作への前記切り替えを制限するパージ切替制限手段を含むことを特徴とする。

また、第５の発明は、第２の発明において、前記触媒は、前記下流側接続部より下流側の前記主排気通路に配置されたものであって、
前記パージ動作切替手段は、前記触媒のＨＣ浄化能力が発揮されるようになるまでは、前記排気パージ実行手段を用いた前記パージ動作への前記切り替えを制限するパージ切替制限手段を含むことを特徴とする。

また、第６の発明は、第４の発明において、前記パージ動作切替手段は、パージ動作開始時からの積算吸入空気量およびまたは積算吸気パージ量が所定値を超える場合には、前記吸着材の温度が未だ安定化していなくても、前記排気パージ実行手段を用いた前記パージ動作に切り替える強制パージ実行手段を含むことを特徴とする。

第１の発明によれば、吸着材からのＮＯｘ大脱離が完了する時点以降に、吸気パージ動作から排気パージ実行手段を用いたパージ動作（以下、「排気パージ動作」）に切り替えられる。このため、本発明によれば、ＮＯｘ大脱離が発生する期間中は吸気パージ動作が実行されることになるので、ＮＯｘ大脱離によって大気中へのＮＯｘ排出量が増加するのを良好に抑制することができる。

第２の発明によれば、ＨＣおよびＮＯｘを吸着する機能を有する吸着材を備える内燃機関の排気浄化装置において、第１の発明により得られる効果を奏することができる。

ＮＯｘの脱離は、吸着材に導入される水分によってＮＯｘが置換されることで促進される。第３の発明によれば、パージ動作時に吸着材に水分が供給されることに伴うＮＯｘ大脱離を水分量に基づいて好適に判断することができる。

ＨＣの脱離量は、吸着材の温度に比例する。このため、吸着材温度が安定化するまでは、吸着材温度の上昇とともにＨＣの脱離量が増えていくが、吸着材温度が安定化した後は、ＨＣの脱離量は減少に転ずる。また、吸気パージ動作によれば、脱離したＨＣやＮＯｘの浄化率をほぼ１００％とすることができる。従って、ＨＣやＮＯｘを良好に浄化させつつ、ＨＣの早期脱離を図るうえでは、吸着材温度が安定化する時点まで吸気パージ動作を続けることが好ましいといえる。以上のことから、第４の発明によれば、吸気パージ動作から排気パージ動作への切り替えタイミングを最適化することができる。

第５の発明によれば、吸着材から脱離したＨＣが吸着材の下流に配置された触媒によって浄化されることなく大気中に放出されるのを防止することができる。

第６の発明によれば、パージ動作が完了する前に内燃機関の運転が停止されるのを回避することができ、これにより、次の冷間始動時に吸着材にＨＣやＮＯｘを十分に吸着できなくなるのを回避することができる。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１における排気浄化装置を備える内燃機関システムの構成を説明するための図である。図１に示す内燃機関１０は、筒内に空気を取り込むための吸気通路（図示省略）と、筒内から排出された排気ガスが流れる排気通路とを備えている。

本実施形態の排気通路は、筒内から排気ガスを排出するための主排気通路１２と、後述するバイパス通路１８とを備えている。主排気通路１２には、上流側から順に、排気ガスを浄化可能な前段触媒（ＳＣ）１４および第１床下触媒（ＵＦ）１６が直列に配置されている。

本実施形態のシステムは、主排気通路１２を迂回する通路として、バイパス通路１８を備えている。バイパス通路１８は、第１床下触媒１６の下流に位置する上流側接続部１８ａにおいて主排気通路１２から分岐し、当該上流側接続部１８ａの下流に位置する下流側接続部１８ｂにおいて再び主排気通路１２に合流するように構成されている。上流側接続部１８ａには、排気ガスの流入先を主排気通路１２とバイパス通路１８との間で切り替えるための排気切替え弁２０が配置されている。

バイパス通路１８の途中には、排気ガス中に含まれるＨＣとＮＯｘを吸着する機能を有するＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２が配置されている。そのようなＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２としては、例えばゼオライトに鉄Ｆｅを担持した素材を用いることができる。また、ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２には、当該ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２の温度を検出するための温度センサ２４が組み込まれている。

また、バイパス通路１８には、上流側接続部１８ａとＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２との間の部位において、パージ通路２６が連通している。パージ通路２６は、その途中にパージ制御バルブ２８を備え、その端部において吸気通路に連通している。

また、下流側接続部１８ｂより下流側の主排気通路１２には、排気ガスを浄化可能な第２床下触媒（ＵＦ）３０が配置されている。第２床下触媒３０には、触媒温度を検出するための触媒温度センサ３２が組み込まれている。尚、第２床下触媒３０より下流側の主排気通路１２には、上流側から順に、サブマフラ３４およびメインマフラ３６が直列に配置されている。

本実施形態のシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)４０を備えている。ＥＣＵ４０には、内燃機関１０を制御するための各種センサや上記温度センサ２４とともに、内燃機関１０の吸入される空気量を計測するエアフローメータ４２が接続されている。また、ＥＣＵ４０には、上述した排気切替え弁２０やパージ制御バルブ２８などの各種アクチュエータが接続されている。

図２は、本発明の実施の形態１のシステム動作を説明するための図である。
［吸着時の動作］
先ず、図２（Ａ）を参照して、内燃機関１０の冷間始動時に筒内から排出される排気ガスの未浄化成分（ＨＣとＮＯｘ）をＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２に吸着させるために行われる動作について説明する。

吸着動作は、図２（Ａ）に示すように、内燃機関１０の冷間始動時において、排気切替え弁２０が主排気通路１２を閉塞させる状態にして開始される。また、この吸着動作時には、パージ制御バルブ２８についても、閉弁状態に制御される。

上記のような状態では、内燃機関１０から排出された排気ガスの全部が、上流側接続部１８ａを介して主排気通路１２からバイパス通路１８に導入される。バイパス通路１８に導入された排気ガスは、ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２を通過し、その後再び主排気通路１２に戻された後に大気中に放出される。

上記の吸着動作によれば、排気ガス中に含まれるＨＣやＮＯｘがＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２に吸着されることで取り除かれる。これにより、前段触媒１４等が未だ活性化していない冷間始動時に、ＨＣとＮＯｘが大気中に放出されるのを抑制することができる。

［パージ時の動作］
図２（Ｂ）および（Ｃ）は、吸気パージ動作と排気パージ動作とを有する本実施形態のパージ動作を説明するための図である。
（吸気パージ動作）
先ず、図２（Ｂ）を参照して、冷間時にＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２に吸着されたＨＣおよびＮＯｘをＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２からパージ（脱離）させるための吸気パージ動作について説明する。尚、本明細書中においては、ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２に吸着されたＨＣやＮＯｘを当該吸着材２２から脱離させた後に、パージ通路２６を介して吸気通路に還流させる手法により行うパージ動作を「吸気パージ動作」と称している。

吸気パージ動作は、前段触媒１４が活性化している等の所定のパージ開始条件が成立した後のタイミングにおいて、図２（Ｂ）に示すように、バイパス通路１８を閉塞する状態に排気切替え弁２０を制御し、かつ、パージ制御バルブ２８を開くことにより開始される。このような吸気パージ動作によれば、筒内から排出された排気ガスの一部が、内燃機関１０の吸気通路に生じている負圧を利用して、主排気通路１２から下流側接続部１８ｂを通過してバイパス通路１８に導入される。

その結果、始動後に比較的暖まってきた排気ガスがＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２に供給されることで、ＨＣやＮＯｘがＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２から脱離し、パージ通路２６を介して吸気通路にパージされる。吸気通路に戻されたＨＣやＮＯｘは、再び燃焼に付された後に活性状態にある前段触媒１４や床下触媒１６等によって浄化される。このように、以上のような吸気パージ動作によれば、冷間時にＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２に吸着させていたＨＣやＮＯｘを確実に浄化させることができる。

（排気パージ動作）
ここでは、図２（Ｃ）に示すように、ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２から脱離したＨＣやＮＯｘを含む脱離ガス（パージガス）を、第２床下触媒３０に導入することによって浄化させる動作を、「排気パージ動作」と称している。

本実施形態のシステムは、吸気パージ動作から排気パージ動作に切り替えるタイミングに特徴を有している。排気パージ動作は、後述する本実施形態の特徴的なタイミングに達した時点で開始される。触媒浄化パージ動作は、図２（Ｃ）に示すように、バイパス通路１８が開放される状態に排気切替え弁２０が制御され、かつ、パージ制御バルブ２８が閉じられている状態で開始される。

上記の排気パージ動作によれば、図２（Ａ）に示す吸着動作時と同方向で排気ガスが導入されることになる。その結果、吸気パージ動作時に取り除くことができずに、ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２に残留している吸着成分（主にＨＣ）を、吸気パージ動作時よりも高温かつ多量の排気ガスを利用して、ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２から脱離させることができる。そして、脱離したＨＣやＮＯｘを含む排気ガスを第２床下触媒３０に通すことで浄化することができる。以上のような排気パージによれば、吸気パージに比して高温かつ多量の排気ガスをＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２に供給することができ、ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２からＨＣやＮＯｘを完全に脱離させることができる。

［実施の形態１の特徴部分］
（排気パージ時のＮＯｘおよびＨＣの脱離挙動）
図３は、吸着動作の終了後における所定のパージ動作の開始時に排気パージが実行された場合のＮＯｘ、ＨＣの脱離挙動を表した図である。先ず、ＨＣの脱離挙動について説明する。排気パージが実行されると、図３に示すように、ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２の温度の上昇に伴って、ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２からのＨＣの脱離量が増加していく。その後、ＨＣの脱離量は、ピーク値に達した後に減少し始める。ＨＣの脱離は、ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２の温度がＨＣ完全脱離温度（約３５０℃）に達することで完了する。このように、ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２からのＨＣの脱離量は、ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２の温度に比例する。

次に、ＮＯｘの脱離挙動について説明する。ＮＯｘの脱離量についても、パージ動作時にＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２に供給されるガス中に水分が含まれていなければ、ＨＣと同様に、ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２の温度に比例することになる。しかしながら、筒内から排出される排気ガス中には、体積濃度で約１４ｖｏｌ％程度の水分が含まれている。ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２は、水分の供給を受けると、水分によってＮＯｘが置き換えられることで、ＮＯｘが吸着材２２から脱離し易くなるという特性を有している。このため、ＮＯｘの脱離量は、ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２への水分の供給量によって決まってしまう。

より具体的には、排気パージによれば、一定割合の水分を含む排気ガスの全部がＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２に供給されると、図３に示すように、ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２に吸着されていたＮＯｘが一気に水分によって置換され、ＮＯｘがＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２から高いピーク値を有して急激に脱離する。以下、本明細書中においては、このようにＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２が一定割合の水分を含む排気ガスの供給を受けることによって、ＮＯｘが急激にＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２から脱離する期間を、「ＮＯｘ大脱離発生期間」と称することとする。

内燃機関１０の主排気通路１２に配置される前段触媒１４や床下触媒１６、３０は、酸素吸蔵能（ＯＳＣ）を有しており、その酸素吸蔵能の範囲内で触媒内部に酸素を吸蔵することができる。触媒１４等がその機能を発揮している場合には、触媒１４等に供給されたＮＯｘは、酸素と窒素に分解されて浄化されることになる。

図３中に「UF Cat.OSC」と付して示すラインは、排気パージによってＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２から脱離したＮＯｘを第２床下触媒３０によって浄化可能なＮＯｘ脱離量のレベルを示している。排気パージによって筒内から排出された排気ガスの全部がＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２に供給されることによって、図３に示すようなＮＯｘの急激な大脱離が発生すると、第２床下触媒３０が有する酸素吸蔵能を超えた量のＮＯｘが一時的に当該触媒３０に導入されることとなる。その結果、ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２から脱離したＮＯｘを第２床下触媒３０によって浄化しきれなくなってしまい、排気エミッションを悪化させてしまう。

（吸気パージ時のＮＯｘおよびＨＣの脱離挙動）
図４は、吸着動作の終了後における所定のパージ動作の開始時に吸気パージが実行された場合のＮＯｘ、ＨＣの脱離挙動を表した図である。吸気パージが行われる場合も、ＨＣやＮＯｘの脱離のメカニズム自体は、排気パージ実行時と同様である。しかしながら、内燃機関１０の燃焼の乱れを抑制する必要があるため、吸気系への脱離ガスの還流量には制限がある。このため、吸気パージ時にＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２に供給される排気ガスの流量は、排気パージ時の１０％程度となる。

吸気パージ時は、上記のように排気ガスの流量が少ないため、図４に示すように、排気パージ時と比べ、パージ開始後におけるＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２の温度上昇が緩慢となり、温度ピーク値も低くなる。その結果、ＨＣの脱離挙動も、排気パージ時と比べて緩慢となり、ＨＣ脱離量のピーク値も小さくなる。

また、排気ガスの流量が少なくなることで、ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２に供給される水分量も少なくなる。その結果、吸気パージ時におけるＮＯｘの脱離挙動も、排気パージ時に比して緩慢となり、ＮＯｘ脱離量のピーク値も小さくなる。

以上説明した排気パージと吸気パージの得失を比較する。排気パージによれば、大量の排気ガスをＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２に供給することができ、ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２の温度を上記ＨＣ完全脱離温度にまで十分に高めることが可能となる。これにより、ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２からＨＣやＮＯｘを完全に脱離させることが可能となる。しかしながら、所定の吸着動作が終了した後におけるパージ開始タイミングにおいて、直ちに排気パージを実行すると、上記のように、第２床下触媒３０の浄化能力を超える程の急激なＮＯｘの大脱離が発生することとなる。

一方、吸気パージによれば、燃焼への配慮から排気パージに比して少ない量の排気ガスしかＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２に供給することができない。このため、ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２の温度を十分に高めることが困難であり、ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２からＨＣやＮＯｘを完全に脱離させることが極めて困難となる。しかしながら、吸気パージによれば、脱離したＨＣやＮＯｘを吸気系に戻して、再び燃焼に付した後に、更に活性状態にある前段触媒１４や床下触媒１６等によってＨＣ等を浄化することができる。このため、冷間始動時にＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２に吸着させていたＨＣやＮＯｘをほぼ１００％の浄化率で浄化させることが可能となる。また、吸気パージによれば、ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２への水分供給量が結果的に低く抑えられることになるので、排気パージ時のように第２床下触媒３０の浄化能力を超える程の急激なＮＯｘの大脱離を生じない。

（実施の形態１の特徴的なパージ動作）
そこで、本実施形態では、所定の吸着動作が行われた後にパージ動作を行う際には、先ず、吸気パージを選択して実施するようにした。そして、ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２からのＮＯｘのパージ（脱離）が完了した時点（図４に示す「時点ｔ０」参照）以降に、より具体的には、原則として、ＮＯｘパージ完了時点ｔ０から吸着材温度が安定化した（飽和した）時点（図４に示す「時点ｔ１」参照）までの間に、吸気パージから排気パージに切り替えるようにした。

図５は、上記の機能を実現するために、本実施の形態１においてＥＣＵ４０が実行するルーチンのフローチャートである。より具体的には、図５に示すルーチンは、冷間始動時に所定の吸着動作が行われた後に、所定のパージ開始条件が成立した場合に起動されるものとする。図５に示すルーチンでは、先ず、ＥＧＲ制御（吸気パージ動作）を開始すべく、パージ制御バルブ２８が開弁される（ステップ１００）。

次に、ＮＯｘのパージ完了時点（図４に示す「時点ｔ０」）を判断すべく、吸着材温度が変曲点を迎えたか、および吸着材温度が１００℃以上であるかの何れか一方が成立したか否かが判別される（ステップ１０２）。吸着材温度は、ＮＯｘと置換して水分がＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２に吸着される際の吸着熱に起因して上昇する。本ステップ１０２では、吸気パージ導入後のＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２の温度上昇が変曲点を迎えた時点を温度センサ２４によって検出し、当該時点でＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２への水分の吸着が飽和し、ＮＯｘのパージが完了したと判断するようにしている。

上記ステップ１０２において、ＮＯｘのパージが完了したと判断できる場合には、第２床下触媒３０の温度が３５０℃以上であるか、および積算吸入空気量Ｇａが１０００ｇ以上であるかの何れか一方が成立したか否かが判別される（ステップ１０４）。本ステップ１０４では、このような判断によって、第２床下触媒３０の暖機（活性化）が完了したか否か、言い換えれば、第２床下触媒３０のＨＣ浄化能力が発揮されるようになったか否かを判断するようにしている。尚、積算吸入空気量Ｇａは、エアフローメータ４２による吸入空気量Ｇａの計測値をパージ開始時から積算することで求めることができる。

上記ステップ１０４において、第２床下触媒３０の暖機が完了したと判断できる場合には、積算吸入空気量Ｇａが２００ｇ以上であるか、および積算ＥＧＲ量（積算吸気パージガス量）が４００ｇ以上であるかの少なくとも一方が成立したか否かが判別される（ステップ１０６）。本ステップ１０６では、このような判断によって、吸気パージ動作の最大延長時点に達したか否かを判断するようにしている。尚、ＥＣＵ４０は、負荷率ＫＬ、エンジン回転数Ｎｅ、およびＥＧＲステップ数（パージ制御バルブ２８の開度）との関係で、ＥＧＲ量（吸気パージ量）が吸入空気量Ｇａに対してどういう割合になるかをマップとして予め記憶しており、本ステップ１０６では、そのようなマップを参照して、積算ＥＧＲ量が取得される。

上記ステップ１０６における判定が不成立である場合、つまり、吸気パージの最大延長時点ｔ２に達していないと判断できる場合には、単位積算ＥＧＲ量（吸気パージ量）当たりのＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２の温度変化代ΔＴが所定値（例えば、３℃／１０ｇ）以下になったか、および吸着材温度が２００℃以上であるかの何れか一方が成立したか否かが判別される（ステップ１０８）。本ステップ１０８では、このような判断によって、ＮＯｘパージの完了後に吸気パージによって上昇した吸着材温度が安定化した時点ｔ１を判断するようにしている。尚、上記温度変化代ΔＴは、所定時間に渡って連続して実行されたＥＧＲのうち、ある一定のエンジン負荷以上の場合に導入されたＥＧＲでの値が用いられる。また、本ステップ１０８における吸着材温度の安定化時点ｔ１は、ある一定のエンジン負荷以上の場合に導入されたＥＧＲでの積算ＥＧＲ量から推定されるものであってもよい。

上記ステップ１０８における判定が不成立である場合、すなわち、未だ吸着材温度が安定化していないと判断される場合には、繰り返し上記ステップ１０６の処理が実行される。一方、上記ステップ１０８において吸着材温度が安定化したと判断できる場合には、次いで、ＥＧＲ制御（吸気パージ動作）を終了させるべく、パージ制御バルブ２８が閉弁される（ステップ１１０）。

一方、上記ステップ１０６における判定が成立する場合、つまり、吸気パージの最大延長時点ｔ２に達したと判断できる場合には、上記ステップ１０８における吸着材温度の安定化判定が成立していない状況下であっても、ＥＧＲ制御（吸気パージ動作）が直ちに終了される（ステップ１１０）。

図５に示すルーチンでは、ＥＧＲ制御が終了された場合には、次いで、排気切替え弁２０が開弁され（バイパス通路１８を開放する状態とされ）、排気パージ動作が開始される（ステップ１１２）。

次に、吸着材温度が所定の温度（例えば、ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２からＨＣが完全に脱離する温度）に達したか否かが判別される（ステップ１１４）。その結果、吸着材温度が上記所定の温度に達したと判断できる場合には、排気切替え弁２０が閉弁され（主排気通路１２を開放する状態とされ）、排気パージ動作が終了される（ステップ１１６）。

以上説明した図５に示すルーチンによれば、ＮＯｘのパージ（脱離）が完了するまでは、排気パージ動作ではなく吸気パージ動作が選択されて実行される。このため、第２床下触媒３０の浄化能力を超える程の急激なＮＯｘの大脱離の発生を回避することができる。これにより、ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２から脱離したＮＯｘが第２床下触媒３０によって浄化されずに排出されるのを回避して、排気エミッションが悪化するのを防止することができる。

そして、上記ルーチンによれば、ＮＯｘのパージが完了した後のタイミングであって、かつ、原則として、ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２の温度が安定化した時点ｔ１において、吸気パージ動作から排気パージ動作に切り替えられる。上述したように、ＨＣの脱離量は、吸着材温度に比例する。このため、吸着材温度が安定化するまでは、吸着材温度の上昇とともにＨＣの脱離量が増えていくが、吸着材温度が安定化した後は、ＨＣの脱離量は減少に転ずる。また、吸気パージ動作によれば、上述したように、脱離したＮＯｘやＨＣの浄化率をほぼ１００％とすることができる。吸気パージ動作は、この点において排気パージ動作よりも有利となる。従って、ＨＣやＮＯｘを良好に浄化させつつ、ＨＣの早期脱離を図るうえでは、吸着材温度が安定化する時点ｔ１まで吸気パージ動作を続けることが好ましいといえる。このように、上記ルーチンによれば、吸気パージ動作から排気パージ動作への切り替えタイミングを最適化することができる。

また、吸着材温度は、ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２に水分が供給されることで上昇し、水分の吸着量が飽和（すなわち、ＮＯｘのパージが完了）した時点で変曲点を迎え、その後は、排気ガスの温度上昇に伴って安定化するまで上昇する。上記ルーチンによれば、吸気パージ動作時にＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２に導入される水分量に基づいて、ＮＯｘのパージ完了時点を、つまり、ＮＯｘ大脱離の発生の有無を、好適に判断することができる。

また、上記ルーチンによれば、最下流に配置される触媒である第２床下触媒３０の暖機が完了し、当該触媒３０のＨＣ浄化能力が発揮される状態になるまで、吸気パージ動作から排気パージ動作への切り替えが制限される。このため、ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２から脱離したＨＣが第２床下触媒３０によって浄化されることなく大気中に放出されるのを防止することができる。

また、ＮＯｘのパージ完了後に吸気パージ動作が実行されている際の、吸着材温度が安定化するまでの時間や当該温度の安定化温度域は、車両のユーザの走行状況に応じて変化する。その結果、場合によっては、吸着材温度が安定化せずに緩やかに温度上昇をいつまでも続ける可能性がある。仮にそうなると、ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２からのＨＣやＮＯｘのパージ動作が完了する前に内燃機関１０の運転が停止され、次の冷間始動時に、ＨＣやＮＯｘをＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２に十分に吸着できなくなるおそれがある。これに対し、上記ルーチンによれば、吸気パージ動作の最大延長時点に達した場合には、未だ吸着材温度が安定化していない場合であっても強制的に排気パージに切り替えられる。これにより、大量の排気ガスがＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２に導入されることで、パージ動作が完了する前に内燃機関１０の運転が停止されるのを回避することができる。その結果として、次の冷間始動時に吸着材にＨＣやＮＯｘを十分に吸着できなくなるのを回避することができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、吸気パージ動作の導入後のＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２の温度上昇がある変曲点を迎えた時点をもって、ＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２への水分の吸着量が飽和したと判断、すなわち、ＮＯｘのパージが完了したと判断するようにしている。しかしながら、ＮＯｘのパージ（脱離）完了を判断する手法は、これに限定されるものではなく、例えば、以下のような手法であってもよい。すなわち、吸気パージ動作によってＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２へ導入される水分濃度を直接水分濃度センサを使って取得し、取得された水分濃度と積算ＥＧＲ量との積に基づいて、ＮＯｘのパージ完了時点を判断してもよい。また、排気ガス中の水分濃度はストイキ運手時には約１４％と一定であるため、積算ＥＧＲ量だけからもＮＯｘのパージ完了時点を推定することもできる。更には、ＮＯｘセンサを使ってＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２からのＮＯｘ脱離量を直接計測することによってＮＯｘのパージ完了時点を判断してもよい。

また、上述した実施の形態１においては、ＨＣとＮＯｘを吸着する機能を有するＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２がバイパス通路１８に備えられたシステムが対象となっている。しかしながら、本発明の対象となるシステムは、このようなＨＣ／ＮＯｘ同時吸着パージシステムに限定されるものではなく、少なくともＮＯｘを吸着する機能を有する吸着材が備えられるシステムであればよい。

また、上述した実施の形態１においては、ＨＣとＮＯｘを吸着する機能を有する吸着材として、１つのＨＣ／ＮＯｘ吸着材２２を例に挙げているが、これに限らず、ＨＣを吸着する機能を有するＨＣ吸着材とＮＯｘを吸着する機能を有するＮＯｘ吸着材とが別々の吸着材として構成されていてもよく、更には、そのようなＨＣ吸着材とＮＯｘ吸着材は、別々のバイパス通路に備えられたものであってもよい。

また、上述した実施の形態１においては、ＮＯｘのパージが完了した後まで吸気パージ動作を実行するようにしているが、本発明はこのような吸気パージ動作の実施態様に限定されるものではない。すなわち、ＮＯｘを吸着する機能を有する吸着材への水分の供給に伴うＮＯｘ大脱離が発生する期間の少なくとも一部の期間において、吸気パージ動作が実行されるものであってもよい。そして、その好ましい一例としては、ＮＯｘ大脱離発生期間（図３参照）におけるＮＯｘ脱離量のピーク点を超えた時点まで吸気パージ動作を実行することとし、その後は、排気パージに切り替えるようにしてもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、排気切替え弁２０およびパージ制御バルブ２８が前記第１および第２の発明における「流路切替手段」に相当している。また、ＥＣＵ４０が上記ステップ１００の処理を実行することにより前記第１および第２の発明における「吸気パージ実行手段」が、上記ステップ１１２〜ステップ１１６の処理を実行することにより前記第１および第２の発明における「排気パージ実行手段」が、上記ステップ１００〜１１２の処理を実行することにより前記第１および第２の発明における「パージ動作切替手段」が、それぞれ実現されている。また、第２床下触媒３０が前記第１、第２および第５の発明における「触媒」に相当している。
また、ＥＣＵ４０が上記ステップ１０２の処理を実行することにより前記第３の発明における「水分量推定手段」および「ＮＯｘ大脱離判断手段」がそれぞれ実現されている。
また、温度センサ２４が前記第４の発明における「吸着材温度取得手段」に相当している。
また、ＥＣＵ４０が上記ステップ１０８の判定が成立した場合に上記ステップ１１０および１１２の処理を実行することにより前記第４の発明における「パージ切替制限手段」が実現されている。
また、ＥＣＵ４０が上記ステップ１０４の判定が成立した場合に上記ステップ１１０および１１２の処理を実行することにより前記第５の発明における「パージ切替制限手段」が実現されている。
また、ＥＣＵ４０が上記ステップ１０６および１１０の処理を実行することにより前記第６の発明における「強制パージ実行手段」が実現されている。

本発明の実施の形態１における排気浄化装置を備える内燃機関システムの構成を説明するための図である。本発明の実施の形態１のシステム動作を説明するための図である。吸着動作の終了後における所定のパージ動作の開始時に排気パージが実行された場合のＮＯｘ、ＨＣの脱離挙動を表した図である。吸着動作の終了後における所定のパージ動作の開始時に吸気パージが実行された場合のＮＯｘ、ＨＣの脱離挙動を表した図である。本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０内燃機関
１２主排気通路
１４前段触媒（ＳＣ）
１６第１床下触媒（ＵＦ）
１８バイパス通路
１８ａ上流側接続部
１８ｂ下流側接続部
２０排気切替え弁
２２ＨＣ／ＮＯｘ吸着材
２４温度センサ
２６パージ通路
２８パージ制御バルブ
３０第２床下触媒（ＵＦ）
３２触媒温度センサ
４０ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
４２エアフローメータ

Claims

内燃機関から排出された排気ガスが流れる主排気通路と、
前記主排気通路との上流側接続部において前記主排気通路から分岐し、前記上流側接続部より下流の下流側接続部において再び前記主排気通路に合流するバイパス通路と、
排気ガスの流入先を前記主排気通路と前記バイパス通路との間で切り替え可能な流路切替手段と、
前記バイパス通路に配置され、排気ガス中に含まれる未浄化成分のうちの少なくともＮＯｘを吸着する機能を有する吸着材と、
前記バイパス通路から分岐し、内燃機関の吸気通路に接続されるパージ通路と、
内燃機関から排出された排気ガスの一部が、前記主排気通路から前記バイパス通路に導入され、前記吸着材を通過した後に前記パージ通路を介して前記吸気通路に還流されるように、前記流路切替手段を制御する吸気パージ実行手段と、
前記主排気通路に配置され、排気ガスを浄化可能な触媒と、
内燃機関から排出された排気ガスの一部または全部が、前記主排気通路から前記バイパス通路に導入され、前記吸着材を通過した後に前記触媒を通過するように、前記流路切替手段を制御する排気パージ実行手段と、
を備える内燃機関の排気浄化装置であって、
前記吸気パージ実行手段を用いたパージ動作を実施した後に、前記吸着材からのＮＯｘ大脱離が完了する時点以降に、前記吸気パージ実行手段を用いた前記パージ動作から前記排気パージ実行手段を用いたパージ動作に切り替えるパージ動作切替手段を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
内燃機関から排出された排気ガスが流れる主排気通路と、
前記主排気通路との上流側接続部において前記主排気通路から分岐し、前記上流側接続部より下流の下流側接続部において再び前記主排気通路に合流するバイパス通路と、
排気ガスの流入先を前記主排気通路と前記バイパス通路との間で切り替え可能な流路切替手段と、
前記バイパス通路に配置され、排気ガス中に含まれるＨＣおよびＮＯｘを吸着する機能を有する吸着材と、
前記バイパス通路から分岐し、内燃機関の吸気通路に接続されるパージ通路と、
内燃機関から排出された排気ガスの一部が、前記主排気通路から前記バイパス通路に導入され、前記吸着材を通過した後に前記パージ通路を介して前記吸気通路に還流されるように、前記流路切替手段を制御する吸気パージ実行手段と、
前記主排気通路に配置され、排気ガスを浄化可能な触媒と、
内燃機関から排出された排気ガスの一部または全部が、前記主排気通路から前記バイパス通路に導入され、前記吸着材を通過した後に前記触媒を通過するように、前記流路切替手段を制御する排気パージ実行手段と、
を備える内燃機関の排気浄化装置であって、
前記吸気パージ実行手段を用いたパージ動作を実施した後に、前記吸着材からのＮＯｘ大脱離が完了する時点以降に、前記吸気パージ実行手段を用いた前記パージ動作から前記排気パージ実行手段を用いたパージ動作に切り替えるパージ動作切替手段を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
パージ動作時に前記吸着材に導入される水分量を推定する水分量推定手段と、
前記水分量推定手段により推定された水分量に基づいて、前記吸着材からのＮＯｘ大脱離を判断するＮＯｘ大脱離判断手段と、
を更に備えることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記吸着材の温度を取得する吸着材温度取得手段を更に備え、
前記パージ動作切替手段は、前記吸着材の温度が安定化するまでは、前記排気パージ実行手段を用いた前記パージ動作への前記切り替えを制限するパージ切替制限手段を含むことを特徴とする請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記触媒は、前記下流側接続部より下流側の前記主排気通路に配置されたものであって、
前記パージ動作切替手段は、前記触媒のＨＣ浄化能力が発揮されるようになるまでは、前記排気パージ実行手段を用いた前記パージ動作への前記切り替えを制限するパージ切替制限手段を含むことを特徴とする請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記パージ動作切替手段は、パージ動作開始時からの積算吸入空気量およびまたは積算吸気パージ量が所定値を超える場合には、前記吸着材の温度が未だ安定化していなくても、前記排気パージ実行手段を用いた前記パージ動作に切り替える強制パージ実行手段を含むことを特徴とする請求項４記載の内燃機関の排気浄化装置。