JP4100412B2 - 圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置に関する。

流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯ_Xを放出するＮＯ_X吸蔵触媒を機関排気通路内に配置した内燃機関が公知である。この内燃機関ではリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときに発生するＮＯ_XがＮＯ_X吸蔵触媒に吸蔵される。一方、ＮＯ_X吸蔵触媒のＮＯ_X吸蔵能力が飽和に近づくと排気ガスの空燃比が一時的にリッチにされ、それによってＮＯ_X吸蔵触媒からＮＯ_Xが放出され還元される。

ところで燃料および潤滑油内にはイオウが含まれており、従って排気ガス中にはＳＯ_Xが含まれている。このＳＯ_XはＮＯ_Xと共にＮＯ_X吸蔵触媒に吸蔵される。ところがこのＳＯ_Xは排気ガスの空燃比を単にリッチにしただけではＮＯ_X吸蔵触媒から放出されず、従ってＮＯ_X吸蔵触媒に吸蔵されているＳＯ_Xの量が次第に増大していく。その結果吸蔵しうるＮＯ_X量が次第に減少してしまう。

そこでＮＯ_X吸蔵触媒にＳＯ_Xが送り込まれるのを阻止するためにＮＯ_X吸蔵触媒上流の機関排気通路内にＳＯ_X吸収剤を配置した内燃機関が公知である（特許文献１参照）。この内燃機関では排気ガス中に含まれるＳＯ_XがＳＯ_X吸収剤に吸収され、斯くしてＮＯ_X吸蔵触媒にＳＯ_Xが流入するのが阻止される。その結果、ＳＯ_Xの吸蔵によりＮＯ_Xの吸蔵能力が低下するのを阻止することができる。

ところでこのようなＳＯ_X吸収剤を用いた場合、ＳＯ_X吸収剤のＳＯ_X吸収能力が飽和してしまうとＳＯ_XがＮＯ_X吸蔵触媒に流入してしまう。ところがこのＳＯ_X吸収剤ではＳＯ_X吸収剤の温度を上昇させかつＳＯ_X吸収剤に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするとＳＯ_X吸収剤から吸収したＳＯ_Xを放出させることができ、斯くしてＳＯ_X吸収剤を再生することができる。しかしながらこのようにＳＯ_X吸収剤からＳＯ_Xを放出させると放出されたＳＯ_XがＮＯ_X吸蔵触媒に吸蔵されてしまう。従ってこの内燃機関ではＮＯ_X吸蔵触媒を迂回するバイパス通路を具えており、ＳＯ_X吸収剤からＳＯ_Xを放出させたときには放出されたＳＯ_Xをバイパス通路を介して大気中に排出させるようにしている。
特開２０００−１４５４３６号公報

上述したように上述のＳＯ_X吸収剤ではＳＯ_X吸収剤の温度を上昇させかつＳＯ_X吸収剤に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることによりＮＯ_X吸収剤からＳＯ_Xが放出させることができる。しかしながら、この場合ＳＯ_X吸収剤からは少しずつしかＳＯ_Xが放出されない。従ってＳＯ_X吸収剤から全ての吸収ＳＯ_Xを放出させるには長時間に亘って空燃比をリッチにしなければならず、斯くして多量の燃料或いは還元剤が必要になるという問題がある。また、ＳＯ_X吸収剤から放出されたＳＯ_Xは大気中に排出されることになり、このことも好ましいことではない。

このようにＳＯ_X吸収剤を用いた場合、ＳＯ_X放出制御を行わなければＳＯ_Xの吸収能力に限界が生じてしまい、従ってＳＯ_X吸収剤を用いたときにはＳＯ_X放出制御を行わなければならないことになる。しかしながらＳＯ_X放出制御を行うと、即ち、ＳＯ_X吸収剤からＳＯ_Xを放出させるようにしている限り、上述のような問題を生ずる。
本発明は、排気ガスの空燃比をリッチにすることなくＳＯ_Xの吸収能力を回復しうるＳＯ_Xトラップ触媒を用いることによりＳＯ_Xを放出させることなく十分なＳＯ_X吸収能力を維持することができ、しかもＳＯ_Xトラップ触媒が劣化したか否かを判定することのできる圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

本発明によれば、機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＳＯ_Xを捕獲しうるＳＯ_Xトラップ触媒を配置し、ＳＯ_Xトラップ触媒下流の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯ_Xを放出するＮＯ_X吸蔵触媒を配置した圧縮着火式内燃機関において、ＳＯ_Xトラップ触媒は、ＳＯ_Xトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＳＯ_Xを捕獲し、排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_Xトラップ触媒の温度が上昇すると捕獲したＳＯ_Xが次第にＳＯ_Xトラップ触媒の内部に拡散していく性質を有すると共にＳＯ_Xトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチになるとＳＯ_Xトラップ触媒の温度がＳＯ_X放出温度以上であれば捕獲したＳＯ_Xを放出する性質を有し、機関運転中ＳＯ_Xトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにさせることなくリーンに維持し続ける空燃比制御手段と、ＳＯ_Xトラップ触媒が劣化したか否かを判定する劣化判定手段とを具備し、ＳＯ_Xトラップ触媒が劣化したか否かを判定すべきときには排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_Xトラップ触媒の温度が上昇せしめられ、このときＳＯ_Xトラップ触媒から放出されたＮＯ_X量を検出してこの検出されたＮＯ_X量からＳＯ_Xトラップ触媒が劣化したか否かが判定される。

ＳＯ_Xトラップ触媒からのＳＯ_X放出作用を抑制しつつＮＯ_X吸蔵触媒の高いＮＯ_X吸蔵能力を維持することができ、しかもＳＯ_Xトラップ触媒が劣化したか否かを判定することができる。

図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口はエアクリーナ８に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁９が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１０が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１０内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口はＳＯ_Xトラップ触媒１１の入口に連結される。また、ＳＯ_Xトラップ触媒１１の出口は排気管１３を介してＮＯ_X吸蔵触媒１２に連結される。排気管１３には排気管１３内を流れる排気ガス中に例えば炭化水素からなる還元剤を供給するための還元剤供給弁１４が取付けられる。

排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路１５を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１５内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１６が配置される。また、ＥＧＲ通路１５周りにはＥＧＲ通路１５内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１７が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１７内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管１８を介してコモンレール１９に連結される。このコモンレール１９内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２０から燃料が供給され、コモンレール１９内に供給された燃料は各燃料供給管１８を介して燃料噴射弁３に供給される。

電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。ＳＯ_Xトラップ触媒１１にはＳＯ_Xトラップ触媒１１の温度を検出するための温度センサ２１が取付けられ、ＮＯ_X吸蔵触媒１２にはＮＯ_X吸蔵触媒１２の温度を検出するための温度センサ２２が取付けられる。これら温度センサ２１，２２の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、ＮＯ_X吸蔵触媒１２にはＮＯ_X吸蔵触媒１２の前後差圧を検出するための差圧センサ２３が取付けられており、この差圧センサ２３の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に、排気管１３内にはＳＯ_Xトラップ触媒１１から流出した排気ガス中のＮＯ_X濃度を検出するためのＮＯ_X濃度センサ２４が配置され、このＮＯ_X濃度センサ２４の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。

アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁９駆動用ステップモータ、還元剤供給弁１４、ＥＧＲ制御弁１６および燃料ポンプ２０に接続される。

図２に圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す。この実施例では排気管１３に取付けられた還元剤供給弁１４に加えて、排気マニホルド５の例えば１番気筒のマニホルド枝管５ａ内に例えば炭化水素を供給するための炭化水素供給弁２５が設けられている。

まず初めに図１および図２に示されるＮＯ_X吸蔵触媒１２について説明すると、これらＮＯ_X吸蔵触媒１２は三次元網目構造のモノリス担体或いはペレット状担体上に担持されているか、又はハニカム構造をなすパティキュレートフィルタ上に担持されている。このようにＮＯ_X吸蔵触媒１２は種々の担体上に担持させることができるが、以下ＮＯ_X吸蔵触媒１２をパティキュレートフィルタ上に担持した場合について説明する。

図３（Ａ）および（Ｂ）はＮＯ_X吸蔵触媒１２を担持したパティキュレートフィルタ１２ａの構造を示している。なお、図３（Ａ）はパティキュレートフィルタ１２ａの正面図を示しており、図３（Ｂ）はパティキュレートフィルタ１２ａの側面断面図を示している。図３（Ａ）および（Ｂ）に示されるようにパティキュレートフィルタ１２ａはハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路６０，６１を具備する。これら排気流通路は下流端が栓６２により閉塞された排気ガス流入通路６０と、上流端が栓６３により閉塞された排気ガス流出通路６１とにより構成される。なお、図３（Ａ）においてハッチングを付した部分は栓６３を示している。従って排気ガス流入通路６０および排気ガス流出通路６１は薄肉の隔壁６４を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス流入通路６０および排気ガス流出通路６１は各排気ガス流入通路６０が４つの排気ガス流出通路６１によって包囲され、各排気ガス流出通路６１が４つの排気ガス流入通路６０によって包囲されるように配置される。

パティキュレートフィルタ１２ａは例えばコージライトのような多孔質材料から形成されており、従って排気ガス流入通路６０内に流入した排気ガスは図３（Ｂ）において矢印で示されるように周囲の隔壁６４内を通って隣接する排気ガス流出通路６１内に流出する。
このようにＮＯ_X吸蔵触媒１２をパティキュレートフィルタ１２ａ上に担持させた場合には、各排気ガス流入通路６０および各排気ガス流出通路６１の周壁面、即ち各隔壁６４の両側表面上および隔壁６４内の細孔内壁面上には例えばアルミナからなる触媒担体が担持されており、図４はこの触媒担体４５の表面部分の断面を図解的に示している。図４に示されるように触媒担体４５の表面上には貴金属触媒４６が分散して担持されており、更に触媒担体４５の表面上にはＮＯ_X吸収剤４７の層が形成されている。

本発明による実施例では貴金属触媒４６として白金Ｐｔが用いられており、ＮＯ_X吸収剤４７を構成する成分としては例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つが用いられている。

機関吸気通路、燃焼室２およびＮＯ_X吸蔵触媒１２上流の排気通路内に供給された空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比と称すると、ＮＯ_X吸収剤４７は排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯ_Xを吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯ_Xを放出するＮＯ_Xの吸放出作用を行う。

即ち、ＮＯ_X吸収剤４７を構成する成分としてバリウムＢａを用いた場合を例にとって説明すると、排気ガスの空燃比がリーンのとき、即ち排気ガス中の酸素濃度が高いときには排気ガス中に含まれるＮＯは図４に示されるように白金Ｐｔ４６上において酸化されてＮＯ₂となり、次いでＮＯ_X吸収剤４７内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形でＮＯ_X吸収剤４７内に拡散する。このようにしてＮＯ_XがＮＯ_X吸収剤４７内に吸収される。排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔ４６の表面でＮＯ₂が生成され、ＮＯ_X吸収剤４７のＮＯ_X吸収能力が飽和しない限りＮＯ₂がＮＯ_X吸収剤４７内に吸収されて硝酸イオンＮＯ₃ ^-が生成される。

これに対し、還元剤供給弁１４から還元剤を供給することによって排気ガスの空燃比をリッチ或いは理論空燃比にすると排気ガス中の酸化濃度が低下するために反応が逆方向（ＮＯ₃ ^-→ＮＯ₂）に進み、斯くしてＮＯ_X吸収剤４７内の硝酸イオンＮＯ₃ ^-がＮＯ₂の形でＮＯ_X吸収剤４７から放出される。次いで放出されたＮＯ_Xは排気ガス中に含まれる未燃ＨＣ，ＣＯによって還元される。

このように排気ガスの空燃比がリーンであるとき、即ちリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときには排気ガス中のＮＯ_XがＮＯ_X吸収剤４７内に吸収される。しかしながらリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われるとその間にＮＯ_X吸収剤４７のＮＯ_X吸収能力が飽和してしまい、斯くしてＮＯ_X吸収剤４７によりＮＯ_Xを吸収できなくなってしまう。そこで本発明による実施例ではＮＯ_X吸収剤４７の吸収能力が飽和する前に還元剤供給弁１４から還元剤を供給することによって排気ガスの空燃比を一時的にリッチにし、それによってＮＯ_X吸収剤４７からＮＯ_Xを放出させるようにしている。

ところで排気ガス中にはＳＯ_X、即ちＳＯ₂が含まれており、このＳＯ₂がＮＯ_X吸蔵触媒１２に流入するとこのＳＯ₂は白金Ｐｔ４６において酸化されてＳＯ₃となる。次いでこのＳＯ₃はＮＯ_X吸収剤４７内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、硫酸イオンＳＯ₄ ^2-の形でＮＯ_X吸収剤４７内に拡散し、安定した硫酸塩ＢａＳＯ₄を生成する。しかしながらＮＯ_X吸収剤４７が強い塩基性を有するためにこの硫酸塩ＢａＳＯ₄は安定していて分解しづらく、排気ガスの空燃比を単にリッチにしただけでは硫酸塩ＢａＳＯ₄は分解されずにそのまま残る。従ってＮＯ_X吸収剤４７内には時間が経過するにつれて硫酸塩ＢａＳＯ₄が増大することになり、斯くして時間が経過するにつれてＮＯ_X吸収剤４７が吸収しうるＮＯ_X量が低下することになる。

ところでこの場合、冒頭で述べたようにＮＯ_X吸蔵触媒１２の温度を６００℃以上のＳＯ_X放出温度まで上昇させた状態でＮＯ_X吸蔵触媒１２に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするとＮＯ_X吸収剤４７からＳＯ_Xが放出される。ただし、この場合ＮＯ_X吸収剤４７からは少しずつしかＳＯ_Xが放出されない。従ってＮＯ_X吸収剤４７から全ての吸収ＳＯ_Xを放出させるには長時間に亘って空燃比をリッチにしなければならず、斯くして多量の燃料或いは還元剤が必要になるという問題がある。また、ＳＯ_X吸収剤４７から放出されたＳＯ_Xは大気中に排出されることになり、このことも好ましいことではない。

そこで本発明ではＮＯ_X吸蔵触媒１２の上流にＳＯ_Xトラップ触媒１１を配置してこのＳＯ_Xトラップ触媒１１により排気ガス中に含まれるＳＯ_Xを捕獲し、それによってＮＯ_X吸蔵触媒１２にＳＯ_Xが流入しないようにしている。次にこのＳＯ_Xトラップ触媒１１について説明する。

このＳＯ_Xトラップ触媒１１は例えばハニカム構造のモノリス触媒からなり、ＳＯ_Xトラップ触媒１１の軸線方向にまっすぐに延びる多数の排気ガス流通孔を有する。このようにＳＯ_Xトラップ触媒１１をハニカム構造のモノリス触媒から形成した場合には、各排気ガス流通孔の内周壁面上に例えばアルミナからなる触媒担体が担持されており、図５はこの触媒担体５０の表面部分の断面を図解的に示している。図５に示されるように触媒担体５０の表面上にはコート層５１が形成されており、このコート層５１の表面上には貴金属触媒５２が分散して担持されている。

本発明による実施例では貴金属触媒５２として白金が用いられており、コート層５１を構成する成分としては例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つが用いられている。即ち、ＳＯ_Xトラップ触媒１１のコート層５１は強塩基性を呈している。

さて、排気ガス中にはＳＯ_Xに比べてはるかに多くのＮＯ_Xが含まれており、従って機関が初めて運転されたときにはコート層５１内は捕獲されたＮＯ_Xで満たされる。捕獲されたＮＯ_Xは硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形をなしており、コート層５１がバリウムＢａから構成されている場合には捕獲されたＮＯ_XはバリウムＢａとイオン結合して硝酸バリウムＢａ（ＮＯ₃）₂を形成する。一方、排気ガス中に含まれるＳＯ_X、即ちＳＯ₂は図５に示されるように白金Ｐｔ５２において酸化され、次いでコート層５１内に捕獲される。即ち、ＳＯ₂は硫酸イオンＳＯ₄ ^2-の形でコート層５１内に拡散し、バリウムＢａからＮＯ₃ ^-を離脱させて硫酸塩ＢａＳＯ₄を形成する。このとき離脱したＮＯ₃ ^-はコート層５１から外部に放出される。なお、上述したようにコート層５１は強塩基性を呈しており、従って図５に示されるように排気ガス中に含まれるＳＯ₂の一部は直接コート層５１内に捕獲されて硫酸塩ＢａＳＯ₄を形成する。

図５においてコート層５１内における濃淡は捕獲されたＳＯ_Xの濃度を示している。図５からわかるようにコート層５１内におけるＳＯ_X濃度はコート層５１の表面近傍が最も高く、奥部に行くに従って次第に低くなっていく。コート層５１の表面近傍におけるＳＯ_X濃度が高くなるとコート層５１の表面の塩基性が弱まり、ＳＯ_Xの捕獲能力が弱まる。ここで排気ガス中に含まれるＳＯ_XのうちでＳＯ_Xトラップ触媒１１に捕獲されるＳＯ_Xの割合をＳＯ_Xトラップ率と称すると、コート層５１の表面の塩基性が弱まればそれに伴なってＳＯ_Xトラップ率が低下することになる。

図６にＳＯ_Xトラップ率の時間的変化を示す。図６に示されるようにＳＯ_Xトラップ率は初めは１００パーセントに近いが時間が経過するとＳＯ_Xトラップ率は急速に低下する。そこで本発明では図７に示されるようにＳＯ_Xトラップ率が予め定められた率よりも低下したときには排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_Xトラップ触媒１１の温度を上昇させる昇温制御を行い、それによってＳＯ_Xトラップ率を回復させるようにしている。

即ち、排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_Xトラップ触媒１１の温度を上昇させるとコート層５１内の表面近傍に集中的に存在するＳＯ_Xはコート層５１内におけるＳＯ_X濃度が均一となるようにコート層５１の奥部に向けて拡散していく。即ち、コート層５１内に生成されている硝酸塩はコート層５１の表面近傍に集中している不安定な状態からコート層５１内の全体に亘って均一に分散した安定した状態に変化する。コート層５１内の表面近傍に存在するＳＯ_Xがコート層５１の奥部に向けて拡散するとコート層５１の表面近傍のＳＯ_X濃度が低下し、斯くしてＳＯ_Xトラップ触媒１１の昇温制御が完了すると図７に示されるようにＳＯ_Xトラップ率が回復する。

ＳＯ_Xトラップ触媒１１の昇温制御を行ったときにＳＯ_Xトラップ触媒１１の温度をほぼ４５０℃程度にすればコート層５１の表面近傍に存在するＳＯ_Xをコート層５１内に拡散させることができ、ＳＯ_Xトラップ触媒１１の温度を６００℃程度まで上昇させるとコート層５１内のＳＯ_X濃度をかなり均一化することができる。従ってＳＯ_Xトラップ触媒１１の昇温制御時には排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_Xトラップ触媒１１の温度を６００℃程度まで昇温させることが好ましい。

なお、このようにＳＯ_Xトラップ触媒１１を昇温したときに排気ガスの空燃比をリッチにするとＳＯ_Xトラップ触媒１１からＳＯ_Xが放出されてしまう。従ってＳＯ_Xトラップ触媒１１を昇温したときには排気ガスの空燃比をリッチにしてはならない。また、コート層５１の表面近傍のＳＯ_X濃度が高くなるとＳＯ_Xトラップ触媒１１を昇温しなくても排気ガスの空燃比をリッチにするとＳＯ_Xトラップ触媒１１からＳＯ_Xが放出されてしまう。従って本発明ではＳＯ_Xトラップ触媒１１の温度がＳＯ_X放出温度以上であるときにはＳＯ_Xトラップ触媒１１に流入する排気ガスの空燃比をリッチにしないようにしている。

本発明では基本的には車両を購入してから廃車するまでＳＯ_Xトラップ触媒１１を交換することなくそのまま使用することを考えている。近年では特に燃料内に含まれるイオウの量が減少せしめられており、従ってＳＯ_Xトラップ触媒１１の容量を或る程度大きくすればＳＯ_Xトラップ触媒１１を交換することなく廃車するまでそのまま使用することができる。例えば車両の耐用走行距離を５０万kmとするとＳＯ_Xトラップ触媒１１の容量は、走行距離が２５万km程度まで昇温制御することなく高いＳＯ_Xトラップ率でもってＳＯ_Xを捕獲し続けることのできる容量とされる。この場合、最初の昇温制御は走行距離が２５万km程度で行われる。

次にＳＯ_Xトラップ触媒１１の温度を上昇させる方法について図８を参照しつつ説明する。
ＳＯ_Xトラップ触媒１１の温度を上昇させるのに有効な方法の一つは燃料噴射時期を圧縮上死点以降まで遅角させる方法である。即ち、通常主燃料Ｑ_mは図８において、（Ｉ）に示されるように圧縮上死点付近で噴射される。この場合、図８の（II）に示されるように主燃料Ｑ_mの噴射時期が遅角されると後燃え期間が長くなり、斯くして排気ガス温が上昇する。排気ガス温が高くなるとそれに伴ってＳＯ_Xトラップ触媒１１の温度が上昇する。

また、ＳＯ_Xトラップ触媒１１の温度を上昇させるために図８の（III）に示されるように主燃料Ｑ_mに加え、吸気上死点付近において補助燃料Ｑ_vを噴射することもできる。このように補助燃料Ｑ_vを追加的に噴射すると補助燃料Ｑ_v分だけ燃焼せしめられる燃料が増えるために排気ガス温が上昇し、斯くしてＳＯ_Xトラップ触媒１１の温度が上昇する。
一方、このように吸気上死点付近において補助燃料Ｑ_vを噴射すると圧縮行程中に圧縮熱によってこの補助燃料Ｑ_vからアルデヒド、ケトン、パーオキサイド、一酸化炭素等の中間生成物が生成され、これら中間生成物によって主燃料Ｑ_mの反応が加速される。従ってこの場合には図８の（III）に示されるように主燃料Ｑ_mの噴射時期を大巾に遅らせても失火を生ずることなく良好な燃焼が得られる。即ち、このように主燃料Ｑ_mの噴射時期を大巾に遅らせることができるので排気ガス温はかなり高くなり、斯くしてＳＯ_Xトラップ触媒１１の温度をすみやかに上昇させることができる。

また、ＳＯ_Xトラップ触媒１１の温度を上昇させるために図８の（IV）に示されるように主燃料Ｑ_mに加え、膨張行程中又は排気行程中に補助燃料Ｑ_pを噴射することもできる。即ち、この場合、大部分の補助燃料Ｑ_pは燃焼することなく未燃ＨＣの形で排気通路内に排出される。この未燃ＨＣはＳＯ_Xトラップ触媒１１上において過剰酸素により酸化され、このとき発生する酸化反応熱によってＳＯ_Xトラップ触媒１１の温度が上昇せしめられる。

一方、図２に示される内燃機関では炭化水素供給弁２５から炭化水素を供給し、この炭化水素の酸化反応熱によってＳＯ_Xトラップ触媒１１の温度を上昇させることもできる。また、図８の（II）から（IV）に示されるいずれかの噴射制御を行いつつ炭化水素供給弁２５から炭化水素を供給することもできる。なお、いずれの方法により昇温した場合でもＳＯ_Xトラップ触媒１１に流入する排気ガスの空燃比はリッチにされることなくリーンに維持される。

次に図９から図１２を参照しつつＳＯ_Xトラップ触媒１１におけるＳＯ_X安定化処理の一実施例について説明する。
この実施例では、ＳＯ_Xトラップ触媒１１に捕獲されたＳＯ_X量を推定し、ＳＯ_Xトラップ触媒１１に捕獲されたＳＯ_X量が予め定められた量を越えたときにＳＯ_Xトラップ率が予め定められた率よりも低下したと判断され、このときＳＯ_Xトラップ率を回復するために排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_Xトラップ触媒１１の温度を上昇させる昇温制御を行うようにしている。

即ち、燃料中には或る割合でイオウが含まれており、従って排気ガス中に含まれるＳＯ_X量、即ちＳＯ_Xトラップ触媒１１に捕獲されるＳＯ_X量は燃料噴射量に比例する。燃料噴射量は要求トルクおよび機関回転数の関数であり、従ってＳＯ_Xトラップ触媒１１に捕獲されるＳＯ_X量も要求トルクおよび機関回転数の関数となる。本発明による実施例ではＳＯ_Xトラップ触媒１１に単位時間当り捕獲されるＳＯ_X量ＳＯＸＡが要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図９（Ａ）に示されるようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

また、潤滑油内にも或る割合でイオウが含まれており、燃焼室２内で燃焼せしめられる潤滑油量、即ち排気ガス中に含まれていてＳＯ_Xトラップ触媒１１に捕獲されるＳＯ_X量も要求トルクおよび機関回転数の関数となる。本発明による実施例では潤滑油に含まれていてＳＯ_Xトラップ触媒１１に単位時間当り捕獲されるＳＯ_Xの量ＳＯＸＢが要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図９（Ｂ）に示されるようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、ＳＯ_X量ＳＯＸＡおよびＳＯ_X量ＳＯＸＢの和を積算することによってＳＯ_Xトラップ触媒１１に捕獲されているＳＯ_X量ΣＳＯＸ１が算出される。

また、本発明による実施例では図９（Ｃ）に示されるようにＳＯ_X量ΣＳＯＸ１と、ＳＯ_Xトラップ触媒１１を昇温処理すべきときの予め定められたＳＯ_X量ＳＯ（ｎ）との関係が予め記憶されており、ＳＯ_X量ΣＳＯＸ１が予め定められたＳＯ（ｎ）（ｎ＝１，２，３，…）を越えたときにＳＯ_Xトラップ触媒１１の昇温処理が行われる。なお、図９（Ｃ）においてはｎは何回目の昇温処理であるかを示している。図９（Ｃ）からわかるようにＳＯ_Xトラップ率を回復するための昇温処理回数ｎが増大するにつれて予め定められた量ＳＯ（ｎ）が増大せしめられ、この予め定められた量ＳＯ（ｎ）の増大割合は処理回数ｎが増大するほど減少する。即ち、ＳＯ（２）に対するＳＯ（３）の増大割合はＳＯ（１）に対するＳＯ（２）の増大割合よりも減少する。

即ち、図１０のタイムチャートに示されるようにＳＯ_Xトラップ触媒１１に捕獲されたＳＯ_X量ΣＳＯＸ１は許容値ＭＡＸまで時間の経過と共に増大し続ける。なお、図１０においてΣＳＯＸ１＝ＭＡＸになったときが走行距離にして５０万km程度のときである。

一方、図１０においてＳＯ_X濃度はＳＯ_Xトラップ触媒１１の表面近傍におけるＳＯ_X濃度を示している。図１０からわかるようにＳＯ_Xトラップ触媒１１の表面近傍におけるＳＯ_X濃度が許容値ＳＯＺを越えると排気ガスの空燃比Ａ／ＦがリーンのもとでＳＯ_Xトラップ触媒１１の温度Ｔを上昇させる昇温制御が行われる。昇温制御が行われるとＳＯ_Xトラップ触媒１１の表面近傍におけるＳＯ_X濃度は減少するがこのＳＯ_X濃度の減少量は昇温制御が行われる毎に小さくなり、従って昇温制御が行われてから次に昇温制御が行われるまでの期間は昇温制御が行われる毎に短かくなる。

なお、図１０に示されるように捕獲されたＳＯ_X量ΣＳＯＸ１がＳＯ（１）、ＳＯ（２）、…に達するということはＳＯ_Xトラップ触媒１１の表面近傍におけるＳＯ_X濃度が許容値ＳＯＺに達したことを意味している。

図１１はＳＯ_X安定化処理を実行するためのルーチンを示している。
図１１を参照するとまず初めにステップ１００において図９（Ａ）、（Ｂ）から夫々単位時間当り捕獲されるＳＯ_X量ＳＯＸＡおよびＳＯＸＢが読み込まれる。次いでステップ１０１ではこれらＳＯＸＡおよびＳＯＸＢの和がＳＯ_X量ΣＳＯＸ１に加算される。次いでステップ１０２ではＳＯ_X量ΣＳＯＸ１が図９（Ｃ）に示される予め定められた量ＳＯ（ｎ）（ｎ＝１，２，３，…）に達したか否かが判別される。ＳＯ_X量ΣＳＯＸ１が予め定められた量ＳＯ（ｎ）に達したときにはステップ１０３に進んで図１２に示すような昇温制御が行われる。

さて、前述したように近年では燃料内に含まれるイオウの量が減少せしめられているが燃料の中には多量のイオウを含む燃料もあり、このように多量のイオウを含む燃料を用いると早期にＮＯ_Xトラップ率が低下してしまう。即ち、ＳＯ_Xトラップ触媒１１が早期に劣化してしまうことになる。また、長時間に亘り低負荷運転が行われるとＳＯ_Xトラップ触媒１１は低い温度に維持される。しかしながらＳＯ_Xトラップ触媒１１の温度が低いとコート層５１の表面近傍に捕獲されたＳＯ_Xがコート層５１の内部に拡散することができず、その結果ＳＯ_Xトラップ率が低下するのでこの場合にもＳＯ_Xトラップ触媒１１が早期に劣化することになる。

ＳＯ_Xトラップ触媒１１が劣化すると多量のＳＯ_XがＮＯ_X吸蔵触媒１２内に流入し、その結果ＮＯ_X吸収剤４７がＳＯ_X被毒を受けることになる。従ってＳＯ_Xトラップ触媒１１が劣化したときにはＳＯ_Xトラップ触媒１１を新らしいＳＯ_Xトラップ触媒１１に交換する等、何らかの手段を講ずる必要があり、そのためにはＳＯ_Xトラップ触媒１１が劣化したか否かを判定するための劣化判定手段が必要となる。

ところで前述したように排気ガス中のＳＯ_Xがコート層５１内に捕獲されるとコート層５１内からはバリウムＢａから離脱したＮＯ₃ ^-がＮＯ₂の形で外部に放出される。従って図１３に示されるようにコート層５１内に捕獲されているＳＯ_Xの量、即ちＳＯ_Xトラップ量が増大するほどコート層５１内に吸蔵されているＮＯ_X量は減少することになる。即ち、ＳＯ_Xトラップ量が増大すると、言い換えるとＳＯ_Xトラップ触媒１１が劣化するとＮＯ_X吸蔵量が減少することになる。従ってＮＯ_X吸蔵量を検出することができればＳＯ_Xトラップ触媒１１が劣化したか否かを判定できることになる。

ところでＳＯ_Xトラップ触媒１１内に吸蔵されているＮＯ_XはＳＯ_Xトラップ触媒１１の温度が高くなるとＳＯ_Xトラップ触媒１１に流入する排気ガスをリッチにしなくても、即ち排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_Xトラップ触媒１１から放出される。もう少し具体的に言うと、ＳＯ_Xトラップ触媒１１の温度が４００℃から４５０℃位まで上昇するとコート層５１から吸蔵されているＮＯ_Xが放出し始め、ＳＯ_Xトラップ触媒１１の温度が６００℃位まで上昇する間に吸蔵されているほとんど全てのＮＯ_Xが放出される。

そこで本発明では、ＳＯ_Xトラップ触媒１１が劣化したか否かを判定すべきときには排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_Xトラップ触媒１１の温度が上昇せしめられ、このときＳＯ_Xトラップ触媒１１から放出されたＮＯ_X量を検出してこの検出されたＮＯ_X量からＳＯ_Xトラップ触媒１１が劣化したか否かを判定するようにしている。

即ち、ＳＯ_Xトラップ触媒１１が劣化したか否かを判別すべきときには図１４に示されるように図８の（II）から（IV）に示されるいずれかの噴射制御を行うことによって、或いは炭化水素供給弁２５から炭化水素を供給することによって排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_Xトラップ触媒１１の温度をほぼ５００℃以上まで一時的に上昇させる昇温制御が行われる。このような昇温制御が行われるとＳＯ_Xトラップ触媒１１の温度が上昇している間にコート層５１内に捕獲されているほとんど全てのＮＯ_Xが外部に放出され、従って図１４に示されるようにＳＯ_Xトラップ触媒１１から流出する排気ガス中のＮＯ_X濃度は昇温制御が行われると高くなる。

この昇温制御はＳＯ_Xトラップ触媒１１からＮＯ_Xを放出させることだけを目的としているので図１２に示されるＳＯ_X安定化のための昇温制御と異なり、ＳＯ_Xトラップ触媒１１の温度が５００℃以上の目標温度に達するとＳＯ_Xトラップ触媒１１の昇温作用は停止される。ＳＯ_Xトラップ触媒１１の昇温作用が停止され、ＳＯ_Xトラップ触媒１１の温度が低下すると排気ガス中のＮＯ_XがＳＯ_Xトラップ触媒１１に捕獲されるので図１４に示されるようにＳＯ_Xトラップ触媒１１から流出する排気ガス中のＮＯ_X濃度は一時的に低くなる。

さて、前述したようにＳＯ_Xトラップ触媒１１が劣化するとＮＯ_X吸蔵量が減少する。従ってＳＯ_Xトラップ触媒１１におけるＮＯ_X吸蔵量が予め定められた量よりも低くなったときにはＳＯ_Xトラップ触媒１１が劣化したと判断することができる。しかしながらＳＯ_Xトラップ触媒１１に吸蔵されているＮＯ_X量を直接検出することは困難であり、従ってＮＯ_X吸蔵量を直接検出することによってＳＯ_Xトラップ触媒１１が劣化しているか否かを判断することは困難である。

ところがＳＯ_Xトラップ触媒１１の昇温作用が行われるとＳＯ_Xトラップ触媒１１に吸蔵されている大部分のＮＯ_Xが放出される。このときＳＯ_Xトラップ触媒１１内を通過する排気ガス中のＮＯ_X濃度は放出されたＮＯ_Xの影響を受けて変化し、このときのＮＯ_X濃度変化は放出されたＮＯ_X量、即ちＮＯ_X吸蔵量に対応している。そこで本発明では、ＳＯ_Xトラップ触媒１１から放出されたＮＯ_X量を、排気ガスがＳＯ_Xトラップ触媒１１内を通過する間における排気ガス中のＮＯ_X濃度変化から検出するようにしている。

ところでこのＮＯ_X濃度変化はＳＯ_Xトラップ触媒１１に流入する排気ガス中のＮＯ_X濃度とＳＯ_Xトラップ触媒１１から流出した排気ガス中のＮＯ_X濃度との濃度差である。そこで本発明では、前述したようにＳＯ_Xトラップ触媒１１とＮＯ_X吸蔵触媒１２間の排気管１３内にＳＯ_Xトラップ触媒１１から流出する排気ガス中のＮＯ_X濃度を検出するためのＮＯ_X濃度センサ２４が配置されており、機関から排出されてＳＯ_Xトラップ触媒１１に流入する排気ガス中のＮＯ_X濃度とＮＯ_X濃度センサ２４により検出された排気ガス中のＮＯ_X濃度との濃度差からＮＯ_X濃度変化を求めるようにしている。

ここで、機関から排出されてＳＯ_Xトラップ触媒１１に流入する排気ガス中のＮＯ_X濃度は機関の運転状態が定まるとそれに応じて一義的に定まる。そこで本発明による実施例では機関から排出される排気ガス中のＮＯ_X濃度Ｎ１は図１５に示されるように要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

さて、図１４に示されるＮＯ_X濃度は前述したようにＳＯ_Xトラップ触媒１１から流出する排気ガス中のＮＯ_X濃度であり、このＮＯ_X濃度は昇温制御が行われると実線Ａで示されるように一時的に増大する。この実線Ａで示される濃度増大部分のＮＯ_X濃度はＳＯ_Xトラップ触媒１１前後におけるＮＯ_Xの濃度差を表わしており、このＮＯ_X濃度差の大きさはＳＯ_Xトラップ触媒１１から放出されたＮＯ_X量を代表している。従ってこのＮＯ_X濃度差の大きさからＳＯ_Xトラップ触媒１１が劣化したか否かを判定することができる。

なお、ＳＯ_Xトラップ触媒１１から放出されたＮＯ_X量を代表するＮＯ_X濃度差の大きさとしては種々の大きさが考えられる。本発明による一実施例ではＳＯ_Xトラップ触媒１１から放出されたＮＯ_X量を代表する値として図１４に示されるＮＯ_X濃度差の最大値ΔＮ_maxが用いられ、ＮＯ_X濃度差の最大値ΔＮ_maxが予め定められた値以下になったときにＳＯ_Xトラップ触媒１１が劣化したと判定される。また、本発明による他の実施例ではＳＯ_Xトラップ触媒１１から放出されたＮＯ_X量を代表する値として図１４においてハッチングで示すＮＯ_X濃度差の積分値ΣΔＮが用いられ、ＮＯ_X濃度差の積分値ΣΔＮが予め定められた値以下になったときにＳＯ_Xトラップ触媒１１が劣化したと判定される。

図１６に、ＳＯ_Xトラップ触媒１１から放出されたＮＯ_X量を代表する値としてＮＯ_X濃度差の最大値ΔＮ_maxを用いた場合の劣化判定ルーチンを示す。この判定ルーチンは例えば車両の走行距離が１０００kmを越える毎に実行され、従ってこの劣化判定ルーチンが行われる頻度は、図１０に示されるようにＳＯ_Xトラップ率を回復するために行われるＳＯ_X安定化用昇温制御の頻度に比べてはるかに高い。

図１６を参照するとまず初めにステップ２００において排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_Xトラップ触媒１１の温度をほぼ５００℃以上まで一時的に上昇させる劣化判定用昇温制御が開始される。次いでステップ２０１では図１５に示されるマップからＳＯ_Xトラップ触媒１１に流入する排気ガス中のＮＯ_X濃度Ｎ１が算出される。次いでステップ２０２ではＮＯ_X濃度センサ２４によりＳＯ_Xトラップ触媒１１から流出する排気ガス中のＮＯ_X濃度Ｎ２が検出される。次いでステップ２０３ではＮＯ_X濃度Ｎ２からＮＯ_X濃度Ｎ１を減算することによりＮＯ_X濃度差ΔＮが算出される。

次いでステップ２０４ではＮＯ_X濃度差ΔＮが最大値ΔＮ_maxよりも大きいか否かが判別される。ΔＮ≦ΔＮ_maxのときにはステップ２０６にジャンプし、ΔＮ＞ΔＮ_maxのときにはステップ２０５に進んでΔＮをΔＮ_maxとした後にステップ２０６に進む。即ち、ステップ２０４，２０５においてＮＯ_X濃度差ΔＮの最大値ΔＮ_maxが求められる。

次いでステップ２０６では検出が完了したか否かが判別される。例えばＮＯ_X濃度差ΔＮが上昇後、再びほぼ零になったときには検出が完了したと判断される。検出が完了していないときにはステップ２０１に戻る。これに対し、検出が完了したときにはステップ２０７に進んでＮＯ_X濃度差の最大値ΔＮ_maxが予め定められた値ＸＮ以下であるか否かが判別される。ΔＮ_max＜ＸＮのときにはＳＯ_Xトラップ触媒１１が劣化したと判断され、ステップ２０８に進んでＳＯ_Xトラップ触媒１１が劣化したことを示す警告灯が点灯される。

図１７に、ＳＯ_Xトラップ触媒１１から放出されたＮＯ_X量を代表する値としてＮＯ_X濃度差の積分値ΣΔＮを用いた場合の劣化判定ルーチンを示す。この判定ルーチンが行われる頻度も、図１７に示される例と同様にＳＯ_Xトラップ率を回復するために行われるＳＯ_X安定化用昇温制御の頻度に比べてはるかに高い。

図１７を参照するとまず初めにステップ２１０において排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_Xトラップ触媒１１の温度をほぼ５００℃以上まで一時的に上昇させる劣化判定用昇温制御が開始される。次いでステップ２１１では図１５に示されるマップからＳＯ_Xトラップ触媒１１に流入する排気ガス中のＮＯ_X濃度Ｎ１が算出される。次いでステップ２１２ではＮＯ_X濃度センサ２４によりＳＯ_Xトラップ触媒１１から流出する排気ガス中のＮＯ_X濃度Ｎ２が検出される。次いでステップ２１３ではＮＯ_X濃度Ｎ２からＮＯ_X濃度Ｎ１を減算することによりＮＯ_X濃度差ΔＮが算出される。

次いでステップ２１４ではＮＯ_X濃度差ΔＮをΣΔＮに加算することによってＮＯ_X濃度差の積分値ΣΔＮが算出される。次いでステップ２１５では検出が完了したか否かが判別される。検出が完了していないときにはステップ２１１に戻る。これに対し、検出が完了したときにはステップ２１６に進んでＮＯ_X濃度差の積分値ΣΔＮが予め定められた値ＹＮ以下であるか否かが判別される。ΣΔＮ＜ＹＮのときにはＳＯ_Xトラップ触媒１１が劣化したと判断され、ステップ２１７に進んでＳＯ_Xトラップ触媒１１が劣化したことを示す警告灯が点灯される。

図１８に別の実施例を示す。この実施例ではＳＯ_Xトラップ率の回復制御を行った直後にＳＯ_Xトラップ触媒１１の劣化判定が行われる。即ち、この実施例では図１８に示されるようにＳＯ_Xトラップ率を回復するためにＳＯ_Xトラップ触媒１１の温度を予め定められた期間に亘って予め定められた温度以上に維持するＳＯ_X安定化のための昇温制御が周期的に行われ、このＳＯ_X安定化のための昇温制御が完了した直後にＳＯ_Xトラップ触媒１１の劣化検出のための昇温制御が行われてＳＯ_Xトラップ触媒１１が劣化したか否かが判定される。

即ち、ＳＯ_Xトラップ率が低下したとしてもＳＯ_X安定化のための昇温制御が行われたときにＳＯ_Xトラップ率が回復すればＳＯ_Xトラップ触媒１１はまだ十分に使用することができる。しかしながらＳＯ_X安定化のための昇温制御が行われたときにＳＯ_Xトラップ率が全く回復しない場合にはＳＯ_Xトラップ触媒１１は劣化していることになり、このＳＯ_Xトラップ触媒１１はもはや使用に耐えられなくなっている。

このようにＳＯ_Xトラップ触媒１１が使用に耐えられなくなっているか否かを判断するには、図１８に示されるように劣化検出のための昇温制御を行う前にＳＯ_X安定化のための昇温制御を行う必要がある。なお、このＳＯ_X安定化のための昇温制御は図１０に示されるＳＯ_X安定化のための昇温制御に比べてはるかに高い頻度で行われる。

図１９に、図１８に示すＳＯ_X安定化、劣化検出のための昇温制御ルーチンを示す。
図１９を参照するとまず初めにステップ３００においてＳＯ_X安定化、劣化検出処理を行う時期であるか否かが判別される。ＳＯ_X安定化、劣化検出処理を行う時期であるときにはステップ３０１に進んでＳＯ_X安定化のための昇温制御が行われる。次いでステップ３０２ではＳＯ_X安定化のための昇温制御が完了したか否かが判別され、完了していないときにはステップ３０１に戻ってＳＯ_X安定化のための昇温制御が続行される。

これに対し、ＳＯ_X安定化のための昇温制御が完了したときにはステップ３０３に進んで一定時間が経過したか否かが判別され、一定時間が経過したときにはステップ３０４に進んで劣化検出のための昇温制御とＳＯ_Xトラップ触媒１１の劣化判定が行われる。

次に図２０から図２４を参照しつつパティキュレートフィルタの温度を上昇させたときにＳＯ_Xトラップ触媒１１が劣化したか否かを判定するようにした実施例について説明する。この実施例を説明するに当り、まず初めにＮＯ_X吸蔵触媒１２に対する処理について説明する。

本発明による実施例ではＮＯ_X吸蔵触媒１２に単位時間当り吸蔵されるＮＯ_X量ＮＯＸＡが要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図２２（Ａ）に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、このＮＯ_X量ＮＯＸＡを積算することによってＮＯ_X吸蔵触媒１２に吸蔵されたＮＯ_X量ΣＮＯＸが算出される。更に本発明による実施例では図２０に示されるようにこのＮＯ_X量ΣＮＯＸが許容値ＮＸに達する毎にＮＯ_X吸蔵触媒１２に流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆが一時的にリッチにされ、それによってＮＯ_X吸蔵触媒１２からＮＯ_Xが放出される。

なお、ＮＯ_X吸蔵触媒１２に流入する排気ガスの空燃比Ａ／ＦをリッチにするときにＳＯ_Xトラップ触媒１１に流入する排気ガスの空燃比はリーンに維持しておかなければならない。従って本発明による実施例ではＳＯ_Xトラップ触媒１１とＮＯ_X吸蔵触媒１２との間の排気通路内に還元剤供給装置、例えば図１および図２に示されるように還元剤供給弁１４が配置されており、ＮＯ_X吸蔵触媒１２からＮＯ_Xを放出すべきときにはこの還元剤供給弁１４から排気通路内に還元剤を供給することによりＮＯ_X吸蔵触媒１２に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチにするようにしている。

一方、排気ガス中に含まれる粒子状物質はＮＯ_X吸蔵触媒１２を担持しているパティキュレートフィルタ１２ａ上に捕集され、順次酸化される。しかしながら捕集される粒子状物質の量が酸化される粒子状物質の量よりも多くなると粒子状物質がパティキュレートフィルタ１２ａ上に次第に堆積し、この場合粒子状物質の堆積量が増大すると機関出力の低下を招いてしまう。従って粒子状物質の堆積量が増大したときには堆積した粒子状物質を除去しなければならない。この場合、空気過剰のもとでパティキュレートフィルタ１２ａの温度を６００℃程度まで上昇させると堆積した粒子状物質が酸化され、除去される。

そこで本発明による実施例ではパティキュレートフィルタ１２ａ上に堆積した粒子状物質の量が許容量を越えたときには排気ガスの空燃比がリーンのもとでパティキュレートフィルタ１２ａの温度を上昇させ、それによって堆積した粒子状物質を酸化除去するようにしている。具体的に言うと本発明による実施例では差圧センサ２３により検出されたパティキュレートフィルタ１２ａの前後差圧ΔＰが図２０に示されるように許容値ＰＸを越えたときに堆積粒子状物質の量が許容量を越えたと判断され、このときパティキュレートフィルタ１２ａに流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつパティキュレートフィルタ１２ａの温度Ｔを上昇させる昇温制御が行われる。この昇温制御が行われるときにＳＯ_Xトラップ触媒１１の劣化判定が行われる。なお、パティキュレートフィルタ１２ａの温度Ｔが高くなるとＮＯ_X吸蔵触媒１２からＮＯ_Xが放出されるために捕獲されているＮＯ_X量ΣＮＯＸは減少する。

このようにこの実施例ではパティキュレートフィルタ１２ａを昇温すべきときにＳＯ_Xトラップ触媒１１の劣化判定を行うようにしているのでこのときＳＯ_Xトラップ触媒１１も昇温せしめる必要がある。従ってこの実施例ではパティキュレートフィルタ１２ａを昇温すべきときには図８の（II）から（IV）に示されるいずれかの噴射制御を行うことによって、或いは炭化水素供給弁２５から炭化水素を供給することによって排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_Xトラップ触媒１１およびパティキュレートフィルタ１２ａが共に昇温せしめられる。

一方、ＳＯ_Xトラップ触媒１１からＮＯ_Xの放出が完了した後はＳＯ_Xトラップ触媒１１の温度を高温に保持する必要がなく、パティキュレートフィルタ１２ａの温度のみを高温に保持すればよい。従って、ＳＯ_Xトラップ触媒１１からＮＯ_Xの放出が完了した後はＳＯ_Xトラップ触媒１１の昇温作用を停止し、排気ガスの空燃比をリーンに維持しうる範囲内で還元剤供給弁１４から還元剤を供給して、この還元剤の酸化反応熱でパティキュレートフィルタ１２ａの温度を高温に保持するようにしてもよい。

一方、ＳＯ_Xトラップ触媒１１によるＳＯ_Xトラップ率が１００パーセントのときにはＮＯ_X吸蔵触媒１２にＳＯ_Xが全く流入せず、従ってこの場合にはＮＯ_X吸蔵触媒１２にＳＯ_Xが吸蔵される危険性は全くない。これに対しＳＯ_Xトラップ率が１００パーセントでない場合にはたとえＳＯ_Xトラップ率が１００パーセント近くであってもＳＯ_XがＮＯ_X吸蔵触媒１２に吸蔵される。ただしこの場合、単位時間当りＮＯ_X吸蔵触媒１２に吸蔵されるＳＯ_X量は極めて少ない。とは言え、長時間経過すれば多量のＳＯ_XがＮＯ_X吸蔵触媒１２に吸蔵され、多量のＳＯ_Xが吸蔵されれば吸蔵されたＳＯ_Xを放出させる必要がある。

前述したようにＮＯ_X吸蔵触媒１２からＳＯ_Xを放出させるにはＮＯ_X吸蔵触媒１２の温度をＳＯ_X放出温度まで上昇させかつＮＯ_X吸蔵触媒１２に流入する排気ガスの空燃比をリッチにする必要がある。そこで本発明による実施例では図２１に示されるようにＮＯ_X吸蔵触媒１２に吸蔵されているＳＯ_X量ΣＳＯＸ２が許容値ＳＸ２に達したときにはＮＯ_X吸蔵触媒１２の温度ＴがＳＯ_X放出温度ＴＸまで上昇せしめられ、ＮＯ_X吸蔵触媒１２に流入する排気ガスの空燃比がリッチとされる。なお、単位時間当りＮＯ_X吸蔵触媒１２に吸蔵されるＳＯ_X量ＳＯＸＺは要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図２２（Ｂ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、このＳＯ_X量ＳＯＸＺを積算することにより吸蔵ＳＯ_X量ΣＳＯＸ２が算出される。

ＮＯ_X吸蔵触媒１２からＳＯ_Xを放出させるときにＳＯ_Xトラップ触媒１１に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするとＳＯ_Xトラップ触媒１１に捕獲されているＳＯ_XがＳＯ_Xトラップ触媒１１から放出され、放出されたＳＯ_XがＮＯ_X吸蔵触媒１２に吸蔵されてしまう。従ってＮＯ_X吸蔵触媒１２からＳＯ_Xを放出させるときにＳＯ_Xトラップ触媒１１に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることはできない。そこで本発明による実施例ではＮＯ_X吸蔵触媒１２からＳＯ_Xを放出すべきときにはまず初めにＳＯ_Xトラップ触媒１１およびＮＯ_X吸蔵触媒１２に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつ還元剤供給弁１４から還元剤を供給してＮＯ_X吸蔵触媒１２の温度ＴをＳＯ_X放出温度ＴＸまで上昇させ、次いでＳＯ_Xトラップ触媒１１に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつ還元剤供給弁１４からの還元剤の供給量を増大してＮＯ_X吸蔵触媒１２に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするようにしている。なお、この場合ＮＯ_X吸蔵触媒１２に流入する排気ガスの空燃比を交互にリッチとリーンに切換えるようにしてもよい。

図２３および図２４はこの実施例を実行するための排気制御ルーチンを示している。
図２３および図２４を参照するとまず初めにステップ４００において図２２（Ａ）に示すマップから単位時間当り吸蔵されるＮＯ_X量ＮＯＸＡが算出される。次いでステップ４０１ではこのＮＯＸＡがＮＯ_X吸蔵触媒１２に吸蔵されているＮＯ_X量ΣＮＯＸに加算される。次いでステップ４０２では吸蔵ＮＯ_X量ΣＮＯＸが許容値ＮＸを越えたか否かが判別され、ΣＮＯＸ＞ＮＸとなったときにはステップ４０３に進んで還元剤供給弁１４から供給された還元剤によってＮＯ_X吸蔵触媒１２に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリーンからリッチに切換えるリッチ処理が行われ、ΣＮＯＸがクリアされる。

次いでステップ４０４では図２２（Ｂ）に示すマップから単位時間当り吸蔵されるＳＯ_X量ＳＯＸＺが算出される。次いでステップ４０５ではこのＳＯＸＺがＮＯ_X吸蔵触媒１２に吸蔵されているＳＯ_X量ΣＳＯＸ２に加算される。次いでステップ４０６では吸蔵ＳＯ_X量ΣＳＯＸ２が許容値ＳＸ２を越えたか否かが判別され、ΣＳＯＸ２＞ＳＸ２となったときにはステップ４０３に進んでＮＯ_X吸蔵触媒１２に流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつ還元剤供給弁１４から還元剤を供給することによってＮＯ_X吸蔵触媒１２の温度ＴをＳＯ_X放出温度ＴＸまで上昇させる昇温制御が行われる。次いでステップ４０８では還元剤供給弁１４から供給された還元剤によってＮＯ_X吸蔵触媒１２に流入する排気ガスの空燃比をリッチに維持するリッチ処理が行われ、ΣＳＯＸ２がクリアされる。

次いでステップ４０９では差圧センサ２３によりパティキュレートフィルタ１２ａの前後差圧ΔＰが検出される。次いでステップ４１８では差圧ΔＰが許容値ＰＸを越えたか否かが判別され、ΔＰ＞ＰＸとなったときにはステップ４１１に進んでＳＯ_Xトラップ触媒１１およびパティキュレートフィルタ１２ａの昇温制御が開始される。次いでステップ４１２からステップ４１９では図１６に示される劣化判定ルーチンのステップ２０１からステップ２０８と同じやり方でもってＳＯ_Xトラップ触媒１１が劣化したか否かが判定される。

即ち、ステップ４１２では図１５に示されるマップからＳＯ_Xトラップ触媒１１に流入する排気ガス中のＮＯ_X濃度Ｎ１が算出される。次いでステップ４１３ではＮＯ_X濃度センサ２４によりＳＯ_Xトラップ触媒１１から流出する排気ガス中のＮＯ_X濃度Ｎ２が検出される。次いでステップ４１４ではＮＯ_X濃度Ｎ２からＮＯ_X濃度Ｎ１を減算することによりＮＯ_X濃度差ΔＮが算出される。次いでステップ４１５，４１６においてＮＯ_X濃度差ΔＮの最大値ΔＮ_maxが求められる。

次いでステップ４１７では検出が完了したか否かが判断され、検出が完了したと判断されたときにはステップ４１８に進んでＮＯ_X濃度差の最大値ΔＮ_maxが予め定められた値ＸＮ以下であるか否かが判別される。ΔＮ_max＜ＸＮのときにはＳＯ_Xトラップ触媒１１が劣化したと判断され、ステップ４１９に進んでＳＯ_Xトラップ触媒１１が劣化したことを示す警告灯が点灯される。

圧縮着火式内燃機関の全体図である。 圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す全体図である。 パティキュレートフィルタの構造を示す図である。 ＮＯ_X吸蔵触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。 ＳＯ_Xトラップ触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。 ＳＯ_Xトラップ率を示す図である。 昇温制御を説明するための図である。 噴射時期を示す図である。 吸蔵ＳＯ_X量ΣＳＯＸ１と、昇温制御を行うべき吸蔵ＳＯ_X量ＳＯ（ｎ）との関係等を示す図である。 吸蔵ＳＯ_X量ΣＳＯＸ１等の変化を示すタイムチャートである。 ＳＯ_X安定化処理の一実施例を実行するためのフローチャートである。 ＳＯ_X安定化処理を示すタイムチャートである。 ＳＯ_Xトラップ率とＮＯ_X吸蔵量との関係を示す図である。 劣化判定方法を説明するためにタイムチャートである。 ＮＯ_X濃度Ｎ１のマップを示す図である。 劣化判定を行うためのフローチャートである。 劣化判定を行うための別の実施例のフローチャートである。 ＳＯ_X安定化のための昇温制御と劣化判定方法を説明するためのタイムチャートである。 ＳＯ_X安定化、劣化検出のための昇温制御を行うためのフローチャートである。 パティキュレートフィルタの昇温制御を示すタイムチャートである。 ＳＯ_X放出制御を示すタイムチャートである。 吸蔵ＮＯ_X量ＮＯＸＡのマップ等を示す図である。 排気制御を実行するためのフローチャートである。 排気制御を実行するためのフローチャートである。

符号の説明

４ 吸気マニホルド
５ 排気マニホルド
７ 排気ターボチャージャ
１１ ＳＯ_Xトラップ触媒
１２ ＮＯ_X吸蔵触媒
１４ 還元剤供給弁

Claims (14)

1. 機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＳＯ_Xを捕獲しうるＳＯ_Xトラップ触媒を配置し、ＳＯ_Xトラップ触媒下流の排気通路内に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯ_Xを放出するＮＯ_X吸蔵触媒を配置した圧縮着火式内燃機関において、上記ＳＯ_Xトラップ触媒は、ＳＯ_Xトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＳＯ_Xを捕獲し、排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_Xトラップ触媒の温度が上昇すると捕獲したＳＯ_Xが次第にＳＯ_Xトラップ触媒の内部に拡散していく性質を有すると共にＳＯ_Xトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチになるとＳＯ_Xトラップ触媒の温度がＳＯ_X放出温度以上であれば捕獲したＳＯ_Xを放出する性質を有し、機関運転中ＳＯ_Xトラップ触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにさせることなくリーンに維持し続ける空燃比制御手段と、ＳＯ_Xトラップ触媒が劣化したか否かを判定する劣化判定手段とを具備し、ＳＯ_Xトラップ触媒が劣化したか否かを判定すべきときには排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_Xトラップ触媒の温度が上昇せしめられ、このときＳＯ_Xトラップ触媒から放出されたＮＯ_X量を検出してこの検出されたＮＯ_X量からＳＯ_Xトラップ触媒が劣化したか否かが判定される圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
2. 上記ＳＯ_Xトラップ触媒から放出されたＮＯ_X量は、排気ガスがＳＯ_Xトラップ触媒内を通過する間における排気ガス中のＮＯ_X濃度変化から検出される請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
3. ＳＯ_Xトラップ触媒とＮＯ_X吸蔵触媒間の機関排気通路内にＳＯ_Xトラップ触媒から流出する排気ガス中のＮＯ_X濃度を検出するためのＮＯ_X濃度センサを配置し、機関から排出されてＳＯ_Xトラップ触媒に流入する排気ガス中のＮＯ_X濃度と該ＮＯ_X濃度センサにより検出された排気ガス中のＮＯ_X濃度との濃度差から上記ＮＯ_X濃度変化が求められる請求項２に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
4. 機関から排出される排気ガス中のＮＯ_X濃度が予め記憶されている請求項３に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
5. 上記ＳＯ_Xトラップ触媒から放出されたＮＯ_X量を代表する値として上記濃度差の最大値が用いられ、該濃度差の最大値が予め定められた値以下になったときにＳＯ_Xトラップ触媒が劣化したと判定される請求項３に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
6. 上記ＳＯ_Xトラップ触媒から放出されたＮＯ_X量を代表する値として上記濃度差の積分値が用いられ、該濃度差の積分値が予め定められた値以下になったときにＳＯ_Xトラップ触媒が劣化したと判定される請求項３に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
7. ＳＯ_Xトラップ触媒が劣化したか否かを判定すべきときには排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_Xトラップ触媒の温度をほぼ５００℃以上まで一時的に上昇させるようにした請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
8. ＳＯ_Xトラップ率を回復するためにＳＯ_Xトラップ触媒の温度を予め定められた期間に亘って予め定められた温度以上に維持する昇温制御が周期的に行われ、該昇温制御が完了した直後にＳＯ_Xトラップ触媒の温度が再び上昇せしめられてＳＯ_Xトラップ触媒が劣化したか否かが判定される請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
9. ＳＯ_Xトラップ触媒に捕獲されたＳＯ_X量を推定するための推定手段を具備し、ＳＯ_Xトラップ触媒が劣化したか否かを判定するために排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_Xトラップ触媒の温度を上昇させるための劣化判定用昇温制御に加えて、ＳＯ_Xトラップ触媒に捕獲されたＳＯ_X量が予め定められた量を越えたときにＳＯ_Xトラップ率を回復すべく排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯ_Xトラップ触媒の温度を上昇させるためのＳＯ_X安定化用昇温制御が行われ、該ＳＯ_X安定化用昇温制御が行われる頻度に比べて劣化判定用昇温制御が行われる頻度が高い請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
10. ＳＯ_Xトラップ率を回復するために行われるＳＯ_X安定化用昇温制御の回数が増大するにつれて上記予め定められた量が増大せしめられ、この予め定められた量の増大割合はＳＯ_X安定化昇温制御の回数が増大するほど減少する請求項９に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
11. ＮＯ_X吸蔵触媒が排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕獲して酸化させるためのパティキュレートフィルタ上に担持されており、パティキュレートフィルタ上に堆積した粒子状物質の量が許容量を越えたときには排気ガスの空燃比がリーンのもとでパティキュレートフィルタの温度を上昇させることにより堆積した粒子状物質を酸化除去し、パティキュレータの温度を上昇させたときにＳＯ_Xトラップ触媒が劣化したか否かが判定される請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
12. ＳＯ_Xトラップ触媒とＮＯ_X吸蔵触媒との間の排気通路内に還元剤供給装置を配置し、ＮＯ_X吸蔵触媒からＮＯ_Xを放出すべきときには還元剤供給装置から排気通路内に還元剤を供給してＮＯ_X吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比を一時的にリッチにするようにした請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
13. ＮＯ_X吸蔵触媒にＳＯ_Xが吸蔵された場合にはＮＯ_X吸蔵触媒の温度をＳＯ_X放出温度まで上昇させ、還元剤供給装置から排気通路内に還元剤を供給してＮＯ_X吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするようにした請求項１２に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。
14. 上記ＳＯ_Xトラップ触媒は触媒担体上に形成されたコート層と、コート層上に担持された貴金属触媒からなり、コート層内にはアルカリ金属、アルカリ土類金属又は希土類金属が分散して含有されている請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の排気浄化装置。

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