JP2001227325A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 リーンＮＯx触媒の触媒床温を推定する。 【解決手段】 ディーゼルエンジン１の排気管１４の途
中にＤＰＦ１８を設け、このＤＰＦ１８には吸蔵還元型
ＮＯx触媒を坦持させる。ＤＰＦ１８の上流に添加ノズ
ル２１を設け、添加ノズル２１から還元剤としての燃料
をＤＰＦ１８に坦持された前記ＮＯx触媒に供給する。
ＥＣＵ９は、添加ノズル２１から添加された燃料および
排気ガス中のＨＣ，ＣＯが前記ＮＯx触媒で反応したと
きの発熱量を考慮してＮＯx触媒の触媒床温を推定する

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、希薄燃焼可能な内
燃機関から排出される排気ガス中の有害成分を浄化する
排気浄化装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジンやリーンバーンガソ
リンエンジンなど希薄燃焼可能な内燃機関から排出され
る排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置とし
て、選択還元型ＮＯx触媒や吸蔵還元型ＮＯx触媒などの
リーンＮＯx触媒がある。

【０００３】選択還元型ＮＯx触媒は、酸素過剰の雰囲
気で炭化水素（ＨＣ）の存在下でＮＯxを還元または分
解する触媒であり、この選択還元型ＮＯx触媒でＮＯxを
浄化するためには適量のＨＣ成分（還元剤）が必要とさ
れる。この選択還元型ＮＯx触媒を前記内燃機関の排気
浄化に用いる場合、該内燃機関の通常運転時の排気中の
ＨＣ成分の量は極めて少ないので、通常運転時にＮＯx
を浄化するためには、選択還元型ＮＯx触媒にＨＣ成分
を供給する必要がある。

【０００４】一方、吸蔵還元型ＮＯx触媒は、流入排気
ガスの空燃比がリーンのときはＮＯxを吸収し、流入排
気ガスの酸素濃度が低下すると吸収したＮＯxを放出
し、Ｎ₂に還元するする触媒である。

【０００５】この吸蔵還元型ＮＯx触媒を前記内燃機関
の排気浄化に用いる場合、該内燃機関では通常運転時の
排気ガスの空燃比がリーンであるため、排気ガス中のＮ
ＯxがＮＯx触媒に吸収されることとなる。しかしなが
ら、リーン空燃比の排気ガスをＮＯx触媒に供給し続け
ると、ＮＯx触媒のＮＯx吸収能力が飽和に達し、それ以
上、ＮＯxを吸収できなくなり、ＮＯxをリークさせるこ
ととなる。そこで、吸蔵還元型ＮＯx触媒では、ＮＯx吸
収能力が飽和する前に所定のタイミングで流入排気ガス
の空燃比をリッチにすることによって酸素濃度を極度に
低下させ、ＮＯx触媒に吸収されているＮＯxを放出して
Ｎ₂に還元し、ＮＯx触媒のＮＯx吸収能力を回復させる
必要がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】これらリーンＮＯx触
媒を用いた排気浄化システムにおいては、リーンＮＯx
触媒の触媒床温の管理が非常に重要である。例えば、リ
ーンＮＯx触媒には活性温度があり、触媒床温がこの活
性温度範囲から外れると、浄化能力が極度に低下する。
そこで浄化率を高く維持するために、従来から種々の触
媒床温の制御方法が提案されており、それには刻々と変
化する触媒床温を検出するための触媒床温検出手段が必
要であった。

【０００７】具体的には、例えば、特開平１０−４７０
４８号公報には、リーンＮＯx触媒に流入する排気ガス
温度（入ガス温度）を検出する入ガス温センサと、リー
ンＮＯx触媒の触媒床温を検出する触媒温センサを設
け、まず、触媒床温に基づいてリーンＮＯx触媒に供給
すべき還元剤の基本供給量を算出し、さらに、この基本
供給量を、入ガス温度と触媒床温との温度差に基づいて
補正し、補正後の供給量の還元剤をリーンＮＯx触媒に
供給することにより、触媒床温を活性温度範囲から外れ
ないようにする技術が開示されている。ここでも、触媒
床温検出手段として触媒温センサを必要としている。

【０００８】しかしながら、触媒床温検出手段を備える
ことなく触媒床温を管理することができれば、搭載性、
軽量化、コストダウン等の上で非常に有利である。ま
た、触媒床温を推定することができれば、推定される触
媒床温と実測した触媒床温との比較により、リーンＮＯ
x触媒への還元剤供給が適切になされているかなどを判
定することもできる。

【０００９】本発明はこのような従来の技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする
課題は、内燃機関の運転状態やＮＯx触媒における反応
熱を考慮してＮＯx触媒の触媒床温を算出推定すること
にある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するために、以下の手段を採用した。本発明にかかる内
燃機関の排気浄化装置は、希薄燃焼可能な内燃機関の排
気通路に設けられたリーンＮＯx触媒と、前記リーンＮ
Ｏx触媒に還元剤を供給する還元剤供給手段と、前記内
燃機関から排出される排気ガスの温度を計測または推定
する排気ガス温検出手段と、前記内燃機関の運転状態か
ら排気ガス中に含まれるＨＣ量およびＣＯ量を推定する
ＨＣ，ＣＯ量推定手段と、前記還元剤供給手段から供給
された還元剤および排気ガス中のＨＣ，ＣＯが前記リー
ンＮＯx触媒で反応したときの発熱量を考慮してリーン
ＮＯx触媒の触媒床温を推定する触媒床温推定手段と、
を備えることを特徴とする。

【００１１】内燃機関から排出された排気ガス中に含ま
れているＨＣ，ＣＯ、前記還元剤供給手段からリーンＮ
Ｏx触媒に供給された還元剤は、リーンＮＯx触媒におい
て化学反応を起こし、その際に反応熱が生じて発熱し、
この発熱によりリーンＮＯx触媒と排気ガスが昇温す
る。触媒床温推定手段は、リーンＮＯx触媒における前
記反応による発熱量を算出推定し、この発熱量を基にリ
ーンＮＯx触媒の触媒床温を推定する。

【００１２】本発明において、リーンＮＯx触媒として
は、吸蔵還元型ＮＯx触媒あるいは選択還元型ＮＯx触媒
を例示することができる。吸蔵還元型ＮＯx触媒は、流
入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯxを吸収
し、流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収し
たＮＯxを放出し、Ｎ₂に還元する触媒である。この吸蔵
還元型ＮＯx触媒は、例えばアルミナを担体とし、この
担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウム
Ｌｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢ
ａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬ
ａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なく
とも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されてな
る。

【００１３】選択還元型ＮＯx触媒は、酸素過剰の雰囲
気で炭化水素の存在下でＮＯxを還元または分解する触
媒をいい、ゼオライトにＣｕ等の遷移金属をイオン交換
して担持した触媒、ゼオライトまたはアルミナに貴金属
を担持した触媒、等が含まれる。

【００１４】本発明において、還元剤供給手段は、ポン
プ、添加ノズルなどから構成することができる。本発明
において、排気ガス温検出手段は、内燃機関から排出さ
れる排気ガスの温度を実際に計測するものであってもよ
いし、あるいは、内燃機関の運転状態に基づいて排気ガ
スの温度を推定するものであってもよい。

【００１５】本発明において、ＨＣ，ＣＯ量推定手段
は、内燃機関の運転状態と排気ガス中のＨＣ量（ＨＣ濃
度）あるいはＣＯ量（ＣＯ濃度）とを対応させたマップ
などを用いて排気ガス中のＨＣ量、ＣＯ量を推定するこ
とができる。

【００１６】前述した本発明にかかる内燃機関の排気浄
化装置においては、前記リーンＮＯx触媒の触媒床温を
計測する触媒床温計測手段と、前記触媒床温推定手段に
より推定された触媒床温と前記触媒床温計測手段により
計測された触媒床温との誤差を算出する誤差算出手段
と、前記誤差算出手段により算出された誤差が許容誤差
範囲から外れているときに前記還元剤供給手段による還
元剤供給を禁止する還元剤供給禁止手段と、を備えるこ
とができる。

【００１７】これは、前記触媒床温推定手段により推定
した触媒床温の利用法の一例である。誤差算出手段によ
り算出された誤差が許容誤差範囲から外れているときに
は排気浄化装置が異常であると考えられる。例えば、前
記触媒床温計測手段により計測された触媒床温が触媒床
温推定手段により推定された触媒床温よりも大幅に低い
場合には、還元剤供給手段により供給された還元剤がリ
ーンＮＯx触媒で反応せずにリーンＮＯx触媒に付着して
いると考えられる。その逆に、前記触媒床温計測手段に
より計測された触媒床温が触媒床温推定手段により推定
された触媒床温よりも大幅に高い場合には、還元剤供給
手段により供給された還元剤が指令供給量よりも多いと
考えられ、原因として還元剤供給手段の制御不良などが
考えられる。そこで、このようなときには、還元剤供給
禁止手段が還元剤供給手段によるリーンＮＯx触媒への
還元剤供給を禁止する。

【００１８】前記触媒床温計測手段は、リーンＮＯx触
媒の触媒床温を実際に計測するものであってもよいし、
触媒床温として代用可能なリーンＮＯx触媒出口におけ
る排気ガス温度を実際に計測するものであってもよい。

【００１９】また、本発明にかかる内燃機関の排気浄化
装置は、希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に設けられ
たリーンＮＯx触媒と、前記リーンＮＯx触媒に還元剤を
供給する還元剤供給手段と、前記リーンＮＯx触媒の触
媒床温を計測または推定する触媒床温検出手段と、前記
リーンＮＯx触媒を昇温すべきときに前記触媒床温検出
手段により検出された触媒床温が設定温度よりも低い場
合にはリーンＮＯx触媒に流入する排気ガスの空燃比を
理論空燃比あるいはそれよりも若干リーンにし前記触媒
床温が前記設定温度以上の場合には前記空燃比を理論空
燃比よりもリッチになるように前記還元剤供給手段から
の還元剤供給量を算出する還元剤供給量算出手段と、を
備えることを特徴とする。

【００２０】リーンＮＯx触媒は、その触媒床温が低い
ほどＨＣ浄化率が低く、触媒床温が高いほどＨＣ浄化率
が高いという特性がある。したがって、リーンＮＯx触
媒の触媒床温が低いときに排気空燃比をリッチ空燃比に
しても、リーンＮＯx触媒で浄化されるＨＣ量が少な
く、排気ガス中の多くのＨＣがＮＯx触媒をすり抜けて
しまう。

【００２１】そこで、本発明では、ＮＯx触媒を昇温処
理するときには、触媒床温が設定温度よりも低いときに
は排気空燃比を理論空燃比あるいはそれよりも若干リー
ンにし、触媒床温が前記設定温度以上のときには排気空
燃比をリッチ空燃比にする。そして、排気空燃比がその
ようになるように、還元剤供給量算出手段が還元剤供給
手段からの還元剤供給量を算出する。これにより、触媒
床温が低いときにはＨＣのすり抜けを抑制しつつリーン
ＮＯx触媒を昇温することができ、触媒床温がある程度
高いときにはより効率的にリーンＮＯx触媒を昇温する
ことができる。

【００２２】本発明において、リーンＮＯx触媒として
は、吸蔵還元型ＮＯx触媒あるいは選択還元型ＮＯx触媒
を例示することができる。本発明において、還元剤供給
手段は、ポンプ、添加ノズルなどから構成することがで
きる。本発明において、触媒床温検出手段は、リーンＮ
Ｏx触媒の触媒床温を実際に計測するものであってもよ
いし、あるいは、内燃機関の運転状態などからリーンＮ
Ｏx触媒の触媒床温を推定するものであってもよい。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる内燃機関の
排気浄化装置の実施の形態を図１から図６の図面に基い
て説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、本発明
にかかる内燃機関の排気浄化装置を内燃機関としての車
両駆動用ディーゼルエンジンに適用した態様である。

【００２４】図１は、この実施の形態における内燃機関
の排気浄化装置の全体構成を示す図である。この図にお
いて、エンジン１は直列４気筒ディーゼルエンジンであ
り、各気筒の燃焼室には吸気マニホールド２および吸気
管３を介して吸気が導入される。吸気管３の始端にはエ
アクリーナ４が設けられ、吸気管３の途中には、エアフ
ロメータ５、ターボチャージャ６のコンプレッサ６ａ、
インタークーラ７、スロットルバルブ８が設けられてい
る。

【００２５】エアフロメータ５はエアクリーナ４を介し
て吸気管３に流入する新気の空気量に応じた出力信号を
エンジンコントロール用電子制御ユニット（ＥＣＵ）９
に出力し、ＥＣＵ９はエアフロメータ５の出力信号に基
づいて吸入空気量を演算する。

【００２６】また、エンジン１の各気筒の燃焼室にはそ
れぞれ燃料噴射弁１０から燃料（軽油）が噴射される。
各燃料噴射弁１０はコモンレール１１に接続されてお
り、コモンレール１１には燃料ポンプ１２から燃料が供
給される。燃料ポンプ１２はエンジン１の図示しないク
ランクシャフトによって駆動される。各燃料噴射弁１０
の開弁時期および開弁期間は、エンジン１の運転状態に
応じてＥＣＵ９によって制御される。

【００２７】また、エンジン１の各気筒の燃焼室で生じ
た排気ガスは、排気マニホールド１３を介して排気管１
４に排出され、図示しないマフラーを介して大気に排出
される。排気マニホールド１３に排出された排気ガスの
一部は、排気還流管１５を介して吸気マニホールド２に
再循環可能になっており、排気還流管１５の途中にはＥ
ＧＲクーラ１６とＥＧＲ弁１７が設けられている。ＥＧ
Ｒ弁１７は、エンジン１の運転状態に応じてＥＣＵ９に
よって開度制御され、排気還流量を制御する。

【００２８】排気管１４の途中には、ターボチャージャ
６のタービン６ｂ、吸蔵還元型ＮＯx触媒（リーンＮＯx
触媒）を坦持したＤＰＦ１８を収容したケーシング１
９、排気絞り弁２０が設けられている。タービン６ｂは
排気ガスによって駆動され、タービン６ｂに連結された
コンプレッサ６ａを駆動して吸気を昇圧する。ＤＰＦ１
８は、排気ガス中の粒子状物質（煤等）を捕集するフィ
ルタエレメントに吸蔵還元型ＮＯx触媒を坦持して構成
されており、排気ガス中の粒子状物質を捕集するととも
に、排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯxを浄化することが
できるものである。吸蔵還元型ＮＯx触媒については後
で詳述する。排気絞り弁２０は、エンジン１の運転状態
に応じてＥＣＵ９によって制御される。

【００２９】また、排気管１４においてケーシング１９
の直ぐ上流には、ＤＰＦ１８の吸蔵還元型ＮＯx触媒に
還元剤としての燃料（軽油）を供給するための添加ノズ
ル２１が設けられている。添加ノズル２１には燃料ポン
プ１２で昇圧された燃料の一部が燃料供給管２２を介し
て供給されており、燃料供給管２２には、添加ノズル２
１から噴射される燃料量を制御するための制御弁２３が
設けられている。制御弁２３の弁開度、開弁期間、開弁
インターバルなどはＥＣＵ９によって制御される。この
実施の形態において、添加ノズル２１と燃料供給管２２
と制御弁２３は、還元剤供給手段を構成する。

【００３０】排気管１４においてケーシング１９の直ぐ
下流には、ケーシング１９から流出する排気ガス（以
下、出ガスという）の温度に対応した出力信号をＥＣＵ
９に出力する出ガス温センサ２４が設けられている。

【００３１】ＥＣＵ９はデジタルコンピュータからな
り、双方向バスによって相互に接続されたＲＯＭ（リー
ドオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモ
リ）、ＣＰＵ（セントラルプロセッサユニット）、入力
ポート、出力ポートを具備し、エンジン１の燃料噴射量
制御等の基本制御を行うほか、この実施の形態では、Ｄ
ＰＦ１８に坦持されているＮＯx触媒の触媒床温推定処
理等を行っている。

【００３２】これら制御のために、ＥＣＵ９の入力ポー
トには、アクセル開度センサ６１からの入力信号と、ク
ランク角センサ６２からの入力信号が入力される。アク
セル開度センサ６１はアクセル開度に比例した出力電圧
をＥＣＵ９に出力し、ＥＣＵ９はアクセル開度センサ６
１の出力信号に基づいてエンジン負荷を演算する。クラ
ンク角センサ６２はクランクシャフトが一定角度回転す
る毎に出力パルスをＥＣＵ９に出力し、ＥＣＵ９はこの
出力パルスに基づいてエンジン回転数を演算する。これ
らエンジン負荷とエンジン回転数によってエンジン運転
状態が判別され、ＥＣＵ９はエンジン運転状態に応じた
燃料噴射量を噴射量マップ（図示せず）を参照して算出
し、算出された燃料噴射量に対応する燃料噴射弁１０の
開弁期間を算出して、燃料噴射弁１０の作動を制御す
る。

【００３３】次に、ＤＰＦ１８に坦持された吸蔵還元型
ＮＯx触媒（以下、ＮＯx触媒ということもある）につい
て説明する。吸蔵還元型ＮＯx触媒は、例えばアルミナ
（Ａｌ₂Ｏ₃）を担体とし、この担体上に例えばカリウム
Ｋ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、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と、白金Ｐｔの
ような貴金属とが担持されてなる。

【００３４】このＮＯx触媒は、流入排気ガスの空燃比
（以下、排気空燃比と称す）が理論空燃比よりもリーン
のときはＮＯxを吸収し、排気空燃比が理論空燃比ある
いはそれよりもリッチになって流入排気ガス中の酸素濃
度が低下すると吸収したＮＯxをＮＯ₂またはＮＯとして
放出するＮＯxの吸放出作用を行う。そして、ＮＯx触媒
から放出されたＮＯx（ＮＯ₂またはＮＯ）は直ちに排気
ガス中の未燃ＨＣやＣＯと反応してＮ₂に還元せしめら
れる。したがって、排気空燃比を適宜に制御すれば排気
ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯxを浄化することができるこ
とになる。

【００３５】尚、排気空燃比とは、ここではＮＯx触媒
の上流側の排気通路やエンジン燃焼室、吸気通路等にそ
れぞれ供給された空気量の合計と燃料（炭化水素）量の
合計の比を意味するものとする。したがって、ＮＯx触
媒よりも上流の排気通路内に燃料、還元剤あるいは空気
が供給されない場合には、排気空燃比はエンジン燃焼室
内に供給される混合気の空燃比に一致する。

【００３６】ところで、ディーゼルエンジンの場合は、
ストイキ（理論空燃比、Ａ／Ｆ＝１３〜１４）よりもは
るかにリーン域で燃焼が行われるので、通常の機関運転
状態ではＮＯx触媒に流入する排気ガスの空燃比は非常
にリーンであり、排気ガス中のＮＯxはＮＯx触媒に吸収
され、ＮＯx触媒から放出されるＮＯx量は極めて少な
い。

【００３７】また、ガソリンエンジンの場合には、燃焼
室に供給する混合気をストイキまたはリッチ空燃比にす
ることにより排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッ
チ空燃比にし、排気ガス中の酸素濃度を低下させて、Ｎ
Ｏx触媒に吸収されているＮＯxを放出させることができ
るが、ディーゼルエンジンの場合には、燃焼室に供給す
る混合気をストイキまたはリッチ空燃比にすると燃焼の
際に煤が発生するなどの問題があり採用することはでき
ない。

【００３８】したがって、ディーゼルエンジンでは、Ｎ
Ｏx触媒のＮＯx吸収能力が飽和する前に所定のタイミン
グで、排気ガス中に還元剤を供給して排気ガス中の酸素
濃度を低下せしめ、ＮＯx触媒に吸収されたＮＯxを放出
し還元する必要がある。尚、前記還元剤としては、一般
に、ディーゼルエンジンの燃料である軽油を使用する場
合が多い。

【００３９】そのため、この実施の形態では、ＥＣＵ９
によりエンジン１の運転状態の履歴からＮＯx触媒に吸
収されたＮＯx量を推定し、その推定ＮＯx量が予め設定
した所定値に達したときに、所定時間だけ制御弁２３を
開弁して所定量の燃料をケーシング１９の上流に供給
し、ＮＯx触媒に流入する排気ガス中の酸素濃度を低下
させ、ＮＯx触媒に吸収されたＮＯxを放出させ、Ｎ₂に
還元するようにしている。

【００４０】この実施の形態における内燃機関の排気浄
化装置では、ＥＣＵ９は、ＤＰＦ１８に坦持されたＮＯ
x触媒の触媒床温をＮＯx触媒における発熱を考慮して算
出推定する触媒床温推定処理を行う。詳述すると、ＮＯ
x触媒においてＨＣ，ＣＯ，ＮＯxが反応するときには反
応熱が生じる。このときに発生した熱が総て排気ガスお
よびＮＯx触媒の加熱に消費され、且つ、排気ガスとＮ
Ｏx触媒が同一温度まで加熱されるものとして熱量計算
を行い、触媒床温を推定するのである。

【００４１】この実施の形態における触媒床温推定処理
について図２を参照して説明する。触媒床温推定処理
は、図２に示す触媒床温推定処理ルーチンに従って実行
され、この触媒床温推定処理ルーチンは、ＥＣＵ９のＲ
ＯＭに予め記憶されており、ＣＰＵによって繰り返し実
行されるルーチンである。

【００４２】＜ステップ１０１＞まず、ＥＣＵ９は、ス
テップ１０１において、触媒床温Ｔcを初期値Ｔc₀とす
る。ここで、初期値Ｔc₀はいずれの値でもよく、例えば
エンジン始動時における外気温とすることができる。

【００４３】＜ステップ１０２＞次に、ＥＣＵ９は、ス
テップ１０２に進み、現在のエンジン運転状態に基づい
て、エンジン１から排出される排気ガスの温度Ｔex、該
排気ガスに含まれる未燃ＨＣ量Ｍ_HC、該排気ガスに含ま
れるＣＯ量Ｍ_COを、それぞれ、排気ガス温度マップ、Ｈ
Ｃマップ、ＣＯマップ（いずれも図示せず）を参照して
算出する。

【００４４】ここで、前記エンジン運転状態とは、エン
ジン回転数Ｎ、吸入空気量Ｇa、燃焼室に噴射される燃
料量Ｇfなどであり、このエンジン運転状態と排気ガス
温度，排気ガス中のＨＣ量，排気ガス中のＣＯ量の関係
を予め実験的に求めてマップ化し、それを前記排気温度
マップ、ＨＣマップ、ＣＯマップとして予めＥＣＵ９の
ＲＯＭに記憶しておく。

【００４５】＜ステップ１０３＞次に、ＥＣＵ９は、ス
テップ１０３に進み、添加ノズル２１から排気ガス中に
添加される燃料量Ｍfを算出する。この燃料量Ｍfは、例
えば、制御弁２３の流量特性と制御弁２３の弁開度、開
弁時間、添加インターバルなどに基づいて算出すること
ができる。

【００４６】＜ステップ１０４＞次に、ＥＣＵ９は、ス
テップ１０４に進み、ＮＯx触媒で触媒反応が起こる前
の排気ガスが有する熱量Ｑexを算出する。この熱量Ｑex
は、例えば、次式により算出する。 Ｑex＝Ｍex・Ｃex・Ｔex ここで、Ｍexは排気ガスの質量、Ｃexは排気ガスの比
熱、Ｔexは排気ガス温度であり、排気ガスの質量Ｍexは
エアフロメータ４の出力信号に基づいて算出し、排気ガ
ス温度Ｔexはステップ１０２で算出した排気ガス温度を
用いる。尚、排気ガスの比熱Ｃexは一定とする

【００４７】＜ステップ１０５＞次に、ＥＣＵ９は、ス
テップ１０５に進み、ＮＯx触媒で触媒反応が起こる前
のＮＯx触媒が有する熱量Ｑcを算出する。この熱量Ｑc
は、例えば、次式により算出する。 Ｑc＝Ｍc・Ｃc・Ｔc ここで、ＭcはＮＯx触媒の質量、ＣcはＮＯx触媒の比熱
であり、これら質量Ｍcおよび比熱Ｃcは一定である。Ｔ
cは触媒反応が起こる前のＮＯx触媒の触媒床温であり、
ステップ１０５の処理を最初に実行するときには触媒床
温の初期値Ｔc₀を用いる。

【００４８】＜ステップ１０６＞次に、ＥＣＵ９は、ス
テップ１０６に進み、ＮＯx触媒において排気ガス中の
ＨＣ，ＣＯ，ＮＯxが反応するときに生じる反応熱、換
言すれば、ＮＯx触媒における触媒反応によって発生す
る熱量Ｑcrを算出する。熱量Ｑcrは、例えば、次式によ
り算出する。 Ｑcr＝（Ｒ_HC・Ｍ_HC）＋（Ｒco・Ｍco）＋（Ｒf・Ｍf） ここで、Ｒ_HCは排気ガス中の単位質量の未燃ＨＣが酸化
反応したときに生じる反応熱、Ｒcoは排気ガス中の単位
質量のＣＯが酸化反応したときに生じる反応熱、Ｒfは
単位質量の燃料がＮＯx触媒で酸化反応したときに生じ
る反応熱であり、これらは一定とする。

【００４９】＜ステップ１０７＞次に、ＥＣＵ９は、ス
テップ１０７に進み、触媒反応後のＮＯx触媒の触媒床
温Ｔcを推定する。ここで、ＮＯx触媒で触媒反応により
発生した熱が総て排気ガスおよびＮＯx触媒の加熱に消
費され、且つ、排気ガスとＮＯx触媒が同一温度Ｔcにな
るものと仮定すると、次式が成立する。 （Ｑex＋Ｑc＋Ｑcr）＝（Ｍex・Ｃex・Ｔc）＋（Ｍc・
Ｃc・Ｔc） この式の左辺は触媒反応前の熱量の総和を表し、右辺は
触媒反応後の熱量の総和を表している。

【００５０】したがって、触媒反応後のＮＯx触媒の触
媒床温Ｔcは次式により算出することができる。 Ｔc＝（Ｑex＋Ｑc＋Ｑcr）／｛（Ｍex・Ｃex）＋（Ｍc
・Ｃc）｝

【００５１】ステップ１０７の実行完了により、本ルー
チンの第１回目の処理サイクルが完了し、ＥＣＵは、第
２回目の処理サイクルを実行すべくステップ１０２に戻
る。そして、第２回目以後の処理サイクルにおけるステ
ップ１０５では、前サイクルのステップ１０７で算出し
た触媒床温Ｔcを用いて、触媒反応前のＮＯx触媒が有す
る熱量を算出する。

【００５２】ＥＣＵ９は、ステップ１０２からステップ
１０９の処理を繰り返し実行して、刻々と変化するＮＯ
x触媒の触媒床温を推定し、更新していく。そして、更
新された最新の触媒床温がＮＯx触媒の触媒床温とし
て、この排気浄化装置の種々の制御に利用されることに
なる。

【００５３】したがって、この実施の形態における排気
浄化装置では、ＤＰＦ１８に坦持されているＮＯx触媒
の触媒床温を直接計測する温度検出手段を備えなくて
も、ＮＯx触媒の触媒床温を知ることができる。

【００５４】この実施の形態では、ＥＣＵ９が触媒床温
推定処理ルーチンを実行することにより、本発明におけ
る排気ガス温検出手段、ＨＣ，ＣＯ量推定手段、触媒床
温推定手段が実現される。

【００５５】前述したように、この排気浄化装置ではＮ
Ｏx触媒の触媒床温を推定することができるので、触媒
床温を直接計測する温度検出手段は不要なのであるが、
この実施の形態では、排気浄化装置に対するフェールセ
ーフを実現するために、ケーシング１９の下流に出ガス
温センサ（触媒床温計測手段）２４を設けている。この
実施の形態のフェールセーフシステムでは、出ガス温セ
ンサ２４で実測された出ガス温度を触媒床温の実測値
（以下、実測触媒床温という）Ｔc₂として代用する。

【００５６】前記実測触媒床温Ｔc₂が、前述した触媒床
温推定処理の実行により推定されたＮＯx触媒の触媒床
温（以下、推定触媒床温という）Ｔc₁よりも大幅に低い
場合には、添加ノズル２１から排気ガス中に供給された
燃料（ＨＣ）がＮＯx触媒で反応せずにＮＯx触媒に付着
していると考えられる。このようにＮＯx触媒に付着し
たＨＣは、所定の温度条件を満足したときに燃焼し始め
てＮＯx触媒の触媒床温を異常上昇させ、ＮＯx触媒の熱
劣化を促進する虞れがある。

【００５７】一方、前記実測触媒床温Ｔc₂が推定触媒床
温Ｔc₁よりも大幅に高い場合には、添加ノズル２１から
排気ガス中に供給された燃料（ＨＣ）量が指令供給量よ
りも多いと考えられ、原因として制御弁２３の作動不良
などが考えられる。

【００５８】そこで、この実施の形態の排気浄化装置で
は、推定触媒床温Ｔc₁と実測触媒床温Ｔc₂の誤差△ｔが
所定の許容誤差範囲から外れている場合には、排気浄化
装置が異常であると判定して、添加ノズル２１からの燃
料添加の実行を禁止することにした。

【００５９】次に、排気浄化装置の異常判定処理につい
て図３を参照して説明する。異常判定処理は、図３に示
す異常判定処理ルーチンに従って実行され、この異常判
定処理ルーチンは、ＥＣＵ９のＲＯＭに予め記憶されて
おり、ＣＰＵによって繰り返し実行されるルーチンであ
る。

【００６０】＜ステップ２０１＞まず、ＥＣＵ９は、ス
テップ２０１において、推定触媒床温Ｔc₁と実測触媒床
温Ｔc₂を読み込む。

【００６１】＜ステップ２０２＞次に、ＥＣＵ９は、ス
テップ２０２に進み、エンジン運転状態（吸入空気量Ｇ
a、エンジン回転数Ｎ）、および、添加ノズル２１から
排気ガスへの燃料添加条件（燃料添加量、添加インター
バル）に基づき、許容誤差マップ（図示せず）を参照し
て、推定触媒床温Ｔc₁と実測触媒床温Ｔc₂との最大許容
誤差Ｄmaxを算出する。

【００６２】尚、前記許容誤差マップは、前記エンジン
運転状態および前記燃料添加条件に応じて予め最大許容
誤差を設定しこれをマップ化したものであり、この許容
誤差マップを予めＥＣＵ９のＲＯＭに記憶しておく。

【００６３】＜ステップ２０３＞次に、ＥＣＵ９は、推
定触媒床温Ｔc₁と実測触媒床温Ｔc₂との誤差△ｔ（絶対
値）を算出する。 △ｔ＝｜（Ｔc₁−Ｔc₂）｜

【００６４】＜ステップ２０４＞次に、ＥＣＵ９は、ス
テップ２０４に進み、ステップ２０３で算出した誤差△
ｔがステップ２０２で算出した最大許容誤差Ｄmaxより
も大きいか否か判定する。ステップ２０４において否定
判定した場合には、誤差△ｔは許容誤差範囲であるの
で、排気浄化装置が正常に稼働していると判定して、Ｅ
ＣＵ９は、本ルーチンの実行を一旦終了する。

【００６５】＜ステップ２０５＞一方、ステップ２０４
において肯定判定した場合には、前述したように、添加
ノズル２１から排気ガス中に供給された燃料（ＨＣ）が
ＮＯx触媒に付着しているか、あるいは、添加ノズル２
１から排気ガス中に供給された燃料（ＨＣ）量が指令供
給量よりも多いと考えられるので、排気浄化装置が異常
であると判定して、ＥＣＵ９は、ステップ２０５に進
み、添加ノズル２１からの燃料添加の実行を禁止する。

【００６６】この実施の形態では、ＥＣＵ９が異常判定
処理ルーチンを実行することにより、本発明における誤
差算出手段、還元剤供給禁止手段が実現される。

【００６７】次に、この排気浄化装置におけるＮＯx触
媒に対する昇温処理について説明する。排気浄化装置に
おいては、何らかの理由によりＮＯx触媒を昇温させた
い場合がある。例えば、ＮＯx触媒に対してＳＯx被毒回
復処理を行うときにはＮＯx触媒をＳＯx放出温度以上の
高温にする必要がある。

【００６８】ここで、ＮＯx触媒のＳＯx被毒について簡
単に説明する。一般に、内燃機関の燃料には硫黄分が含
まれており、内燃機関で燃料を燃焼すると、燃料中の硫
黄分が燃焼してＳＯ₂やＳＯ₃などの硫黄酸化物（ＳＯ
x）が発生する。吸蔵還元型ＮＯx触媒は、ＮＯxの吸収
作用を行うのと同じメカニズムで排気ガス中のＳＯxを
吸収する。

【００６９】ところが、ＮＯx触媒に吸収されたＳＯxは
時間経過とともに安定な硫酸塩を形成するため、ＮＯx
触媒からＮＯxの放出・還元を行うのと同じ条件下で
は、分解、放出されにくく触媒内に蓄積され易い傾向が
ある。ＮＯx触媒内のＳＯx蓄積量が増大すると、触媒の
ＮＯx吸収容量が減少して排気ガス中のＮＯxの除去を十
分に行うことができなくなりＮＯx浄化率が低下する。
これが所謂ＳＯx被毒である。

【００７０】このＳＯx被毒から回復させるために行う
処理をＳＯx被毒回復処理と称しているが、ＳＯx被毒回
復処理は、ＮＯx触媒の触媒床温をＳＯx放出温度以上に
するとともに、ＮＯx触媒に流入する排気ガスの空燃比
（排気空燃比）を理論空燃比またはそれよりもリッチに
することにより行っている。

【００７１】したがって、ＮＯx触媒のＳＯx被毒回復処
理の実行時期に、ＮＯx触媒の触媒床温がＳＯx放出温度
に達していないときには、昇温処理を行う必要がある。
このＳＯx被毒回復処理のときに限らず、ＮＯx触媒を昇
温する必要がある場合、従来は、排気空燃比をリッチ空
燃比にして、排気ガス中に含まれる未燃ＨＣをＮＯx触
媒において酸化させることにより、ＮＯx触媒を昇温し
ていた。

【００７２】しかしながら、このように排気空燃比をリ
ッチ空燃比にしてＮＯx触媒の昇温処理を行うと、ＮＯx
触媒で酸化されずにすり抜けてしまう未燃ＨＣの量が多
くなって、燃費が悪化する場合があった。

【００７３】この原因は、ＮＯx触媒におけるＨＣ浄化
率の温度特性にある。図４はＮＯx触媒におけるＨＣ浄
化率温度特性を示すものであり、ＮＯx触媒の触媒床温
が低いほどＨＣ浄化率が低く、触媒床温の上昇とともに
ＨＣ浄化率が上昇していき、触媒床温がある温度（以
下、この触媒床温をＨＣ高浄化温度という）Ｔcx以上に
なるとＨＣ浄化率が高レベルで安定する。

【００７４】したがって、ＮＯx触媒の触媒床温が低い
ときに排気空燃比をリッチ空燃比にしても、ＮＯx触媒
で浄化されるＨＣ量が少なく、換言すれば、ＮＯx触媒
で酸化されるＨＣ量が少なく、排気ガス中の多くのＨＣ
がＮＯx触媒をすり抜けてしまう。

【００７５】そこで、この実施の形態の排気浄化装置で
は、ＮＯx触媒を昇温処理するときに、ＮＯx触媒の触媒
床温がＨＣ高浄化温度Ｔcxよりも低いときには排気空燃
比を理論空燃比あるいはそれよりも若干リーンにし、Ｎ
Ｏx触媒の触媒床温がＨＣ高浄化温度Ｔcx以上のときに
は排気空燃比をリッチ空燃比にすることにした。これに
より、触媒床温が低いときにはＨＣのすり抜けを抑制し
つつＮＯx触媒を昇温することができ、触媒床温がある
程度高いときにはより効率的に昇温することができ、そ
の結果、燃費悪化を抑制しつつＮＯx触媒の昇温処理を
行うことができることとなる。

【００７６】ここで、昇温処理を行う際に、リッチ空燃
比を連続して保持すると、酸素不足になってＨＣが燃焼
しないこともあり得るため、このような虞れがある場合
には、リッチ空燃比の間に瞬間的な理論空燃比あるいは
それよりもリーン空燃比の期間を設けて酸素不足が生じ
ないようにするのが好ましい。

【００７７】この実施の形態におけるＮＯx触媒の昇温
処理制御について図６を参照して説明する。ＮＯx触媒
の昇温処理は、図６に示す昇温処理ルーチンに従って実
行され、この昇温処理ルーチンは、ＥＣＵ９のＲＯＭに
予め記憶されており、ＣＰＵによって繰り返し実行され
るルーチンである。

【００７８】＜ステップ３０１＞まず、ＥＣＵ９は、ス
テップ３０１において、排気系に燃料添加を行って昇温
処理を実行すべきとする実行指令があるか否か判定す
る。ステップ３０１において否定判定した場合には、Ｅ
ＣＵ９は、本ルーチンの実行を一旦終了する。

【００７９】＜ステップ３０２＞ステップ３０１におい
て肯定判定した場合には、ＥＣＵ９は、ステップ３０２
に進んで、現在のＮＯx触媒の触媒床温を読み込む。こ
の実施の形態では、ＮＯx触媒の触媒床温として、前述
の触媒床温推定処理で算出した最新の推定触媒床温Ｔc₁
を読み込む。

【００８０】＜ステップ３０３＞次に、ＥＣＵ９は、ス
テップ３０３に進み、ステップ３０２で読み込んだ推定
触媒床温Ｔc₁に基づいて、図５に示す排気空燃比マップ
を参照して目標排気空燃比ＡＦを算出する。

【００８１】この実施の形態における排気空燃比マップ
では、推定触媒床温Ｔc₁がＨＣ高浄化温度Ｔcxよりも低
いときには目標排気空燃比を理論空燃比よりも若干リー
ンな一定値のリーン空燃比ＡＦ₁とし、推定触媒床温Ｔc
₁がＨＣ高浄化温度Ｔcx以上のときには目標排気空燃比
を理論空燃比よりもリッチな一定値のリッチ空燃比ＡＦ
₂とした。この排気空燃比マップはＥＣＵ９のＲＯＭに
予め記憶しておく。

【００８２】＜ステップ３０４＞次に、ＥＣＵ９は、ス
テップ３０４に進み、エアフロメータ５の出力信号に基
づいて単位時間当たりの吸入空気量Ｇaを算出する。

【００８３】＜ステップ３０５＞次に、ＥＣＵ９は、ス
テップ３０５に進み、ステップ３０３で算出した目標排
気空燃比ＡＦと、ステップ３０４で算出した単位時間当
たりの吸入空気量Ｇaから、単位時間当たりの必要燃料
量Ｇtを算出する。

【００８４】＜ステップ３０６＞次に、ＥＣＵ９は、ス
テップ３０６に進み、単位時間当たりに燃料噴射弁１０
から気筒内に噴射される燃料量Ｇfを読み込む。

【００８５】＜ステップ３０７＞次に、ＥＣＵ９は、ス
テップ３０７に進み、単位時間当たりに添加ノズル２１
から排気ガス中に添加すべき燃料添加量Ｇinjを次式よ
り算出する。Ｇinj＝Ｇt−Ｇinj

【００８６】＜ステップ３０８＞次に、ＥＣＵ９は、ス
テップ３０８に進み、添加ノズル２１から排気ガス中に
添加される燃料量が、ステップ３０７で算出した燃料添
加量Ｇinjになるように添加条件（制御弁２３の弁開
度、開弁期間、添加インターバルなど）を設定して、排
気系への燃料添加を実行する。これにより、排気空燃比
をステップ３０３で算出した目標排気空燃比ＡＦにする
ことができる。ステップ３０８の処理完了により、ＥＣ
Ｕ９は、本ルーチンの実行を一旦終了する。

【００８７】この実施の形態では、ＥＣＵ９が昇温処理
ルーチンを実行することにより、本発明における還元剤
供給量算出手段が実現される。

【００８８】

【発明の効果】本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置
によれば、リーンＮＯx触媒と、還元剤供給手段と、排
気ガス温検出手段と、前記内燃機関の運転状態から排気
ガス中に含まれるＨＣ量およびＣＯ量を推定するＨＣ，
ＣＯ量推定手段と、前記還元剤供給手段から供給された
還元剤および排気ガス中のＨＣ，ＣＯが前記リーンＮＯ
x触媒で反応したときの発熱量を考慮してリーンＮＯx触
媒の触媒床温を推定する触媒床温推定手段と、を備える
ことにより、リーンＮＯx触媒の触媒床温を実測しなく
ても精度よく推定することができるという優れた効果が
奏される。

【００８９】また、リーンＮＯx触媒の触媒床温を計測
する触媒床温計測手段と、前記触媒床温推定手段により
推定された触媒床温と前記触媒床温計測手段により計測
された触媒床温との誤差を算出する誤差算出手段と、前
記誤差算出手段により算出された誤差が許容誤差範囲か
ら外れているときに前記還元剤供給手段による還元剤供
給を禁止する還元剤供給禁止手段と、を備える場合に
は、排気浄化装置が異常と考えられるときにリーンＮＯ
x触媒への還元剤供給を禁止することができる。

【００９０】また、本発明にかかる内燃機関の排気浄化
装置によれば、リーンＮＯx触媒と、還元剤供給手段
と、触媒床温検出手段と、前記リーンＮＯx触媒を昇温
すべきときに前記触媒床温検出手段により検出された触
媒床温が設定温度よりも低い場合にはリーンＮＯx触媒
に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比あるいはそれ
よりも若干リーンにし前記触媒床温が前記設定温度以上
の場合には前記空燃比を理論空燃比よりもリッチになる
ように前記還元剤供給手段からの還元剤供給量を算出す
る還元剤供給量算出手段と、を備えることにより、リー
ンＮＯx触媒を昇温処理しているときのＨＣのすり抜け
を少なくすることができるという優れた効果が奏され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置の一
実施の形態における概略構成を示す図である。

【図２】 前記実施の形態の排気浄化装置における触媒
床温推定処理ルーチンである。

【図３】 前記実施の形態の排気浄化装置における異常
判定処理ルーチンである。

【図４】 前記実施の形態のリーンＮＯx触媒のＨＣ浄
化率温度特性図である。

【図５】 前記実施の形態の排気浄化装置における排気
空燃比マップである。

【図６】 前記実施の形態の排気浄化装置における昇温
処理ルーチンである。

【符号の説明】

１ ディーゼルエンジン（内燃機関） ２ 吸気マニホールド ３ 吸気管 ５ エアフロメータ ６ ターボチャージャ ８ スロットルバルブ ９ ＥＣＵ（エンジンコントロール用電子制御ユニッ
ト） １０ 燃料噴射弁 １１ コモンレール １２ 燃料ポンプ １３ 排気マニホールド（排気通路） １４ 排気管（排気通路） １８ リーンＮＯx触媒坦持ＤＰＦ ２１ 添加ノズル（還元剤供給装置） ２２ 燃料供給管（還元剤供給装置） ２３ 制御弁（還元剤供給装置） ２４ 出ガス温センサ（触媒床温計測手段、触媒床温検
出手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石山 忍 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 田原 淳 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 3G084 AA01 AA03 AA04 BA05 BA08 BA09 BA13 BA19 BA20 BA24 DA10 DA27 EA11 EB01 FA07 FA10 FA27 FA33 FA38 3G091 AA02 AA10 AA11 AA12 AA17 AA18 AA28 AB05 AB06 BA11 BA14 BA21 BA33 CA16 CA18 CB02 CB07 CB08 DA04 DA08 DB06 DB07 DB08 DB09 DB10 DB13 EA01 EA05 EA07 EA17 EA18 EA31 FB10 FB11 FB12 FC02 GB01W GB01X GB02W GB03W GB04W GB05W GB06W GB09X GB10X GB16X HA37 HB05 HB06 3G301 HA01 HA02 HA06 HA11 HA13 HA15 JA08 JA15 JA25 JA33 JB02 JB08 JB09 LA03 LB11 LB13 MA01 MA11 NA06 NA07 NA08 NC01 NC02 NE01 NE06 NE13 NE14 NE15 PA01B PA01Z PD11B PD11Z PD12B PD12Z PE01B PE01Z PE03B PE03Z PF03B PF03Z

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に設
   けられたリーンＮＯx触媒と、 前記リーンＮＯx触媒に還元剤を供給する還元剤供給手
   段と、 前記内燃機関から排出される排気ガスの温度を計測また
   は推定する排気ガス温検出手段と、 前記内燃機関の運転状態から排気ガス中に含まれるＨＣ
   量およびＣＯ量を推定するＨＣ，ＣＯ量推定手段と、 前記還元剤供給手段から供給された還元剤および排気ガ
   ス中のＨＣ，ＣＯが前記リーンＮＯx触媒で反応したと
   きの発熱量を考慮してリーンＮＯx触媒の触媒床温を推
   定する触媒床温推定手段と、 を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 【請求項２】 前記リーンＮＯx触媒の触媒床温を計測
   する触媒床温計測手段と、 前記触媒床温推定手段により推定された触媒床温と前記
   触媒床温計測手段により計測された触媒床温との誤差を
   算出する誤差算出手段と、 前記誤差算出手段により算出された誤差が許容誤差範囲
   から外れているときに前記還元剤供給手段による還元剤
   供給を禁止する還元剤供給禁止手段と、 を備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の
   排気浄化装置。
3. 【請求項３】 希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に設
   けられたリーンＮＯx触媒と、 前記リーンＮＯx触媒に還元剤を供給する還元剤供給手
   段と、 前記リーンＮＯx触媒の触媒床温を計測または推定する
   触媒床温検出手段と、 前記リーンＮＯx触媒を昇温すべきときに前記触媒床温
   検出手段により検出された触媒床温が設定温度よりも低
   い場合にはリーンＮＯx触媒に流入する排気ガスの空燃
   比を理論空燃比あるいはそれよりも若干リーンにし前記
   触媒床温が前記設定温度以上の場合には前記空燃比を理
   論空燃比よりもリッチになるように前記還元剤供給手段
   からの還元剤供給量を算出する還元剤供給量算出手段
   と、 を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。