JP2002161733A

JP2002161733A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2002161733A
Application number: JP2000365081A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiko Otsubo; 康彦大坪; Soichi Matsushita; 宗一松下; Hisashi Oki; 久大木; Kotaro Hayashi; 孝太郎林; Shinobu Ishiyama; 忍石山; Hisafumi Magata; 尚史曲田; Masaaki Kobayashi; 正明小林; Daisuke Shibata; 大介柴田; Tomihisa Oda; 富久小田; Yasuo Harada; 泰生原田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-11-30
Filing date: 2000-11-30
Publication date: 2002-06-07

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、内燃機関の排気通路に設けられた
リーンＮＯx触媒へ還元剤を供給する還元剤供給機構の
経年変化等による性能低下を検出し、還元剤の不要な消
費を防止することを課題とする。【解決手段】本発明は、希薄燃焼式内燃機関１の排気
通路に設けられたＮＯx触媒２０と、ＮＯx触媒へ還元剤
を供給する還元剤供給機構２８とを備えた内燃機関の排
気浄化装置において、ＮＯx触媒に実際に流入する排気
の空燃比が所定空燃比となるように還元剤の供給量をフ
ィードバック制御するフィードバック制御手段３５と、
フィードバック制御手段３５による補正量が予め設定さ
れた閾値を越えたときは、還元剤供給機構２８による還
元剤の供給を禁止する還元剤供給禁止手段３５とを備え
ることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気を
浄化する技術に関し、特に、排気中の窒素酸化物を浄化
する排気浄化装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車などに搭載される内燃機
関、特にディーゼル機関や希薄燃焼式ガソリン機関のよ
うに酸素過剰状態の混合気（所謂、リーン空燃比の混合
気）によって運転される内燃機関では、排気中の窒素酸
化物（ＮＯx）量を低減させるべく様々な技術が提案さ
れている。

【０００３】このような技術の一つとしては、選択還元
型ＮＯx触媒や吸蔵還元型ＮＯx触媒などのリーンＮＯx
触媒を内燃機関の排気通路に配置する技術が知られてい
る。

【０００４】選択還元型ＮＯx触媒は、酸素過剰の雰囲
気下で還元剤が存在するときに窒素酸化物（ＮＯx）を
還元または分解する触媒である。

【０００５】このような選択還元型ＮＯx触媒を利用し
て窒素酸化物（ＮＯx）を浄化する場合は、選択還元型
ＮＯx触媒に対して、炭化水素（ＨＣ）等の還元剤を供
給する必要があるが、内燃機関がリーン空燃比で運転さ
れているときは排気中の炭化水素（ＨＣ）量が極めて少
なくなるため、選択還元型ＮＯx触媒に対して炭化水素
（ＨＣ）などの還元剤を別途供給する必要がある。

【０００６】一方、吸蔵還元型ＮＯx触媒は、該吸蔵還
元型ＮＯx触媒に流入する排気の酸素濃度が高いときは
排気中の窒素酸化物（ＮＯx）を吸蔵し、該吸蔵還元型
ＮＯx触媒に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窒素酸化物（ＮＯx）
を放出しつつ還元する触媒である。

【０００７】このような吸蔵還元型ＮＯx触媒が吸蔵可
能な窒素酸化物（ＮＯx）量には限りがあるため、内燃
機関がリーン空燃比で長期間運転されると、吸蔵還元型
ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵能力が飽和し、排気中に含まれる
窒素酸化物（ＮＯx）が浄化されずに大気中へ放出され
ることになる。

【０００８】従って、吸蔵還元型ＮＯx触媒を用いて窒
素酸化物（ＮＯx）の浄化を行う場合は、吸蔵還元型Ｎ
Ｏx触媒のＮＯx吸蔵能力が飽和する前に、該吸蔵還元型
ＮＯx触媒に流入する排気の空燃比を低下させることに
より、排気中の酸素濃度を低下させるとともに排気中に
含まれる炭化水素（ＨＣ）量を増加させる必要がある。

【０００９】上述したようなリーンＮＯx触媒を利用し
て排気中の窒素酸化物（ＮＯx）を浄化する技術として
は、例えば、内燃機関の排気通路におけるリーンＮＯx
触媒より上流の部位に配置された還元剤噴射ノズルと、
燃料ポンプから吐出された燃料の一部を還元剤噴射ノズ
ルへ導く還元剤供給通路とを備え、燃料ポンプから吐出
された燃料の一部を還元剤として排気中に添加すること
により、リーンＮＯx触媒に流入する排気の空燃比を所
望の空燃比とし、以て排気中の窒素酸化物（ＮＯx）を
浄化する排気浄化装置が知られている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記したよ
うな従来の排気浄化装置では、経時変化等に起因した還
元剤供給機構の性能低下を検出することも重要である。
これは、還元剤供給機構の性能低下により所望量の還元
剤が排気中に添加されなくなると、リーンＮＯx触媒に
流入する排気の空燃比を所望の空燃比とすることが困難
となるからである。

【００１１】これに対し、リーンＮＯx触媒へ流入する
排気の実際の空燃比を検出し、その空燃比が所望の目標
排気空燃比となるように還元剤の添加量をフィードバッ
ク制御する方法も考えられるが、還元剤供給機構の性能
低下が著しい場合には、実際の排気空燃比を目標排気空
燃比に収束させることが困難となり、還元剤としての燃
料が不要に消費される虞がある。

【００１２】本発明は、上述したような事情に鑑みてな
されたものであり、内燃機関の排気通路に設けられたリ
ーンＮＯx触媒と該リーンＮＯx触媒へ還元剤を供給する
還元剤供給機構とを備えた内燃機関の排気浄化装置にお
いて、経時変化等に起因した還元剤供給機構の性能低下
を検出し、以て還元剤の不要な消費を防止することを目
的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記した課題
を解決するために以下のような手段を採用した。

【００１４】すなわち、本発明に係る内燃機関の排気浄
化装置は、酸素過剰状態の混合気を燃焼可能とする希薄
燃焼式の内燃機関と、前記内燃機関の排気通路に設けら
れ、流入排気の空燃比が所定空燃比であり且つ還元剤が
存在するときに排気中の窒素酸化物を浄化するＮＯx触
媒と、前記ＮＯx触媒より上流の排気通路へ還元剤を供
給する還元剤供給機構と、前記ＮＯx触媒に流入する排
気の空燃比が前記所定空燃比となるように前記還元剤供
給機構から供給すべき目標還元剤量を算出する目標還元
剤量算出手段と、前記ＮＯx触媒に流入する排気の実際
の空燃比を検出する実空燃比検出手段と、前記実空燃比
検出手段により検出された実際の排気空燃比が前記所定
空燃比となるように前記目標還元剤量を補正するフィー
ドバック制御手段と、前記フィードバック制御手段によ
る補正量が予め設定された閾値を越えたときは、前記還
元剤供給機構による還元剤の供給を禁止する還元剤供給
禁止手段と、を備えた。

【００１５】このように構成された内燃機関の排気浄化
装置では、ＮＯx触媒へ還元剤を供給する必要が生じた
ときに、目標還元剤量算出手段は、ＮＯx触媒に流入す
る排気の空燃比が所定の空燃比となるように目標還元剤
量を算出する。還元剤供給機構は、前記目標還元剤量に
従って、ＮＯx触媒上流の排気通路へ還元剤を供給す
る。排気通路に供給された還元剤は、排気通路の上流か
ら流れてくる排気とともにＮＯx触媒へ流入する。この
場合、ＮＯx触媒は、排気中に含まれる還元剤を利用し
て窒素酸化物（ＮＯx）を浄化することになる。

【００１６】一方、実空燃比検出手段は、ＮＯx触媒へ
実際に流入する排気の空燃比（実排気空燃比）を検出す
る。フィードバック制御手段は、実排気空燃比検出手段
によって検出された実排気空燃比と所定空燃比とを比較
する。

【００１７】実排気空燃比と所定空燃比とが一致しない
ときは、フィードバック制御手段は、実排気空燃比を所
定空燃比と一致させるべく目標還元剤量を補正する。
尚、実排気空燃比と所定空燃比とが一致しているとき
は、フィードバック制御手段は、目標還元剤量を補正し
ない。

【００１８】フィードバック制御手段により目標還元剤
量が補正されると、還元剤供給機構は、補正後の目標還
元剤量に従って還元剤の添加を行うことになる。その
際、経時変化等に起因して還元剤供給機構の性能が著し
く低下していると、実排気空燃比が所定空燃比に収束せ
ず、ＮＯx触媒において窒素酸化物（ＮＯx）を十分に浄
化することが困難になる上、還元剤が不要に消費されて
しまうことになる。

【００１９】これに対し、本発明に係る内燃機関の排気
浄化装置では、フィードバック制御手段による目標還元
剤量の補正量が所定の閾値を超えると、還元剤供給禁止
手段が還元剤供給機構による還元剤の添加を禁止するよ
うにした。この場合、実排気空燃比が所定空燃比に収束
しない状況下で、還元剤が不要に添加されることがなく
なる。

【００２０】また、本発明に係る内燃機関の排気浄化装
置は、フィードバック制御手段による補正量が前記閾値
を越えたときに、還元剤供給機構が異常であると判定す
る異常判定手段を更に備えるようにしてもよい。

【００２１】また、本発明に係る内燃機関の排気浄化装
置は、フィードバック制御手段により還元剤添加量のフ
ィードバック制御が実行されているときに、実際の排気
空燃比が所定空燃比からリーン側へ所定量以上ずれてい
ると、内燃機関から排出される排気の空燃比をリッチ側
へ補正すべく内燃機関を制御する機関空燃比制御手段を
更に備えるようにしてもよい。

【００２２】この場合、フィードバック制御手段によっ
て還元剤添加量が補正された後の実排気空燃比が所定空
燃比からリーン側へ所定量以上ずれていると、機関空燃
比制御手段が内燃機関から排出される排気の空燃比をリ
ッチ側へ補正すべく内燃機関を制御することになる。

【００２３】この結果、内燃機関から排出される排気の
空燃比、言い換えれば、還元剤が添加される前の排気の
空燃比がリッチ側へ補正されることになり、フィードバ
ック制御において目標還元剤量を過剰に増量補正するこ
となく実排気空燃比を所定空燃比に収束させることが可
能となる。

【００２４】また、本発明に係る内燃機関の排気浄化装
置において、還元剤供給機構が排気通路へ還元剤を噴射
する還元剤噴射弁を具備している場合は、還元剤供給禁
止手段は、還元剤噴射弁の噴孔温度を検出し、検出され
た温度が所定温度以上であるときは、還元剤供給機構に
よる還元剤の供給を禁止するようにしてもよい。

【００２５】これは、還元剤噴射弁の噴孔温度が高いと
きに還元剤の添加が行われると、噴孔の詰まり等が誘発
される虞があるからである。

【００２６】

【発明の実施の形態】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。ここでは、本発明に係る排気浄化装置を車両
駆動用のディーゼル機関に適用した場合を例に挙げて説
明する。

【００２７】＜第１の実施の形態＞図１は、本発明に係
る排気浄化装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概
略構成を示す図である。

【００２８】図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を
有する水冷式の４ストローク・ディーゼル機関である。

【００２９】内燃機関１は、各気筒２の燃焼室に直接燃
料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。各燃料噴射弁
３は、燃料を所定圧まで蓄圧する蓄圧室（コモンレー
ル）４と接続されている。このコモンレール４には、該
コモンレール４内の燃料の圧力に対応した電気信号を出
力するコモンレール圧センサ４ａが取り付けられてい
る。

【００３０】前記コモンレール４は、燃料供給管５を介
して燃料ポンプ６と連通している。この燃料ポンプ６
は、内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）の回転ト
ルクを駆動源として作動するポンプであり、該燃料ポン
プ６の入力軸に取り付けられたポンププーリ６ａが内燃
機関１の出力軸（クランクシャフト）に取り付けられた
クランクプーリ１ａとベルト７を介して連結されてい
る。

【００３１】このように構成された燃料噴射系では、ク
ランクシャフトの回転トルクが燃料ポンプ６の入力軸へ
伝達されると、燃料ポンプ６は、クランクシャフトから
該燃料ポンプ６の入力軸へ伝達された回転トルクに応じ
た圧力で燃料を吐出する。

【００３２】前記燃料ポンプ６から吐出された燃料は、
燃料供給管５を介してコモンレール４へ供給され、コモ
ンレール４にて所定圧まで蓄圧されて各気筒２の燃料噴
射弁３へ分配される。そして、燃料噴射弁３に駆動電流
が印加されると、燃料噴射弁３が開弁し、その結果、燃
料噴射弁３から気筒２内へ燃料が噴射される。

【００３３】次に、内燃機関１には、吸気枝管８が接続
されており、吸気枝管８の各枝管は、各気筒２の燃焼室
と図示しない吸気ポートを介して連通している。

【００３４】前記吸気枝管８は、吸気管９に接続され、
この吸気管９は、エアクリーナボックス１０に接続され
ている。前記エアクリーナボックス１０より下流の吸気
管９には、該吸気管９内を流通する吸気の質量に対応し
た電気信号を出力するエアフローメータ１１と、該吸気
管９内を流通する吸気の温度に対応した電気信号を出力
する吸気温度センサ１２とが取り付けられている。

【００３５】前記吸気管９における吸気枝管８の直上流
に位置する部位には、該吸気管９内を流通する吸気の流
量を調節する吸気絞り弁１３が設けられている。この吸
気絞り弁１３には、ステッパモータ等で構成されて該吸
気絞り弁１３を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ
１４が取り付けられている。

【００３６】前記エアフローメータ１１と前記吸気絞り
弁１３との間に位置する吸気管９には、排気の熱エネル
ギを駆動源として作動する遠心過給機（ターボチャージ
ャ）１５のコンプレッサハウジング１５ａが設けられ、
コンプレッサハウジング１５ａより下流の吸気管９に
は、前記コンプレッサハウジング１５ａ内で圧縮されて
高温となった吸気を冷却するためのインタークーラ１６
が設けられている。

【００３７】このように構成された吸気系では、エアク
リーナボックス１０に流入した吸気は、該エアクリーナ
ボックス１０内の図示しないエアクリーナによって吸気
中の塵や埃等が除去された後、吸気管９を介してコンプ
レッサハウジング１５ａに流入する。

【００３８】コンプレッサハウジング１５ａに流入した
吸気は、該コンプレッサハウジング１５ａに内装された
コンプレッサホイールの回転によって圧縮される。前記
コンプレッサハウジング１５ａ内で圧縮されて高温とな
った吸気は、インタークーラ１６にて冷却された後、必
要に応じて吸気絞り弁１３によって流量を調節されて吸
気枝管８に流入する。吸気枝管８に流入した吸気は、各
枝管を介して各気筒２の燃焼室へ分配され、各気筒２の
燃料噴射弁３から噴射された燃料を着火源として燃焼さ
れる。

【００３９】一方、内燃機関１には、排気枝管１８が接
続され、排気枝管１８の各枝管が図示しない排気ポート
を介して各気筒２の燃焼室と連通している。

【００４０】前記排気枝管１８は、前記遠心過給機１５
のタービンハウジング１５ｂと接続されている。前記タ
ービンハウジング１５ｂは、排気管１９と接続され、こ
の排気管１９は、下流にて図示しないマフラーに接続さ
れている。

【００４１】前記排気管１９の途中には、排気中の有害
ガス成分を浄化するための排気浄化触媒２０が配置され
ている。排気浄化触媒２０より上流の排気管１９には、
該排気管１９内を流通する排気の空燃比に対応した電気
信号を出力する空燃比センサ２３と、該排気管１９内を
流通する排気の温度に対応した電気信号を出力する排気
温度センサ２４とが取り付けられている。

【００４２】前記した排気温度センサ２４より下流の排
気管１９には、該排気管１９内を流通する排気の流量を
調節する排気絞り弁２１が設けられている。この排気絞
り弁２１には、ステッパモータ等で構成されて該排気絞
り弁２１を開閉駆動する排気絞り用アクチュエータ２２
が取り付けられている。

【００４３】このように構成された排気系では、内燃機
関１の各気筒２で燃焼された混合気（既燃ガス）が排気
ポートを介して排気枝管１８へ排出され、次いで排気枝
管１８から遠心過給機１５のタービンハウジング１５ｂ
へ流入する。タービンハウジング１５ｂに流入した排気
は、該排気が持つ熱エネルギを利用してタービンハウジ
ング１５ｂ内に回転自在に支持されたタービンホイール
を回転させる。その際、タービンホイールの回転トルク
は、前述したコンプレッサハウジング１５ａのコンプレ
ッサホイールへ伝達される。

【００４４】前記タービンハウジング１５ｂから排出さ
れた排気は、排気管１９を介して排気浄化触媒２０へ流
入し、排気中の有害ガス成分が除去又は浄化される。排
気浄化触媒２０にて有害ガス成分を除去又は浄化された
排気は、必要に応じて排気絞り弁２１によって流量を調
節された後にマフラーを介して大気中に放出される。

【００４５】また、排気枝管１８と吸気枝管８とは、排
気枝管１８内を流通する排気の一部を吸気枝管８へ再循
環させる排気再循環通路（ＥＧＲ通路）２５を介して連
通されている。このＥＧＲ通路２５の途中には、電磁弁
などで構成され、印加電力の大きさに応じて前記ＥＧＲ
通路２５内を流通する排気（以下、ＥＧＲガスと称す
る）の流量を変更する流量調整弁（ＥＧＲ弁）２６が設
けられている。

【００４６】前記ＥＧＲ通路２５においてＥＧＲ弁２６
より上流の部位には、該ＥＧＲ通路２５内を流通するＥ
ＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ２７が設けられてい
る。

【００４７】このように構成された排気再循環機構で
は、ＥＧＲ弁２６が開弁されると、ＥＧＲ通路２５が導
通状態となり、排気枝管１８内を流通する排気の一部が
前記ＥＧＲ通路２５へ流入し、ＥＧＲクーラ２７を経て
吸気枝管８へ導かれる。

【００４８】その際、ＥＧＲクーラ２７では、ＥＧＲ通
路２５内を流通するＥＧＲガスと所定の冷媒との間で熱
交換が行われ、ＥＧＲガスが冷却されることになる。

【００４９】ＥＧＲ通路２５を介して排気枝管１８から
吸気枝管８へ還流されたＥＧＲガスは、吸気枝管８の上
流から流れてきた新気と混ざり合いつつ各気筒２の燃焼
室へ導かれ、燃料噴射弁３から噴射される燃料を着火源
として燃焼される。

【００５０】ここで、ＥＧＲガスには、水（Ｈ₂Ｏ）や
二酸化炭素（ＣＯ₂）などのように、自らが燃焼するこ
とがなく、且つ、吸熱性を有する不活性ガス成分が含ま
れているため、ＥＧＲガスが混合気中に含有されると、
混合気の燃焼温度が低められ、以て窒素酸化物（ＮＯ
x）の発生量が抑制される。

【００５１】更に、ＥＧＲクーラ２７においてＥＧＲガ
スが冷却されると、ＥＧＲガス自体の温度が低下すると
ともにＥＧＲガスの体積が縮小されるため、ＥＧＲガス
が燃焼室内に供給されたときに該燃焼室内の雰囲気温度
が不要に上昇することがなくなるとともに、燃焼室内に
供給される新気の量（新気の体積）が不要に減少するこ
ともない。

【００５２】次に、本実施の形態に係る排気浄化触媒２
０について具体的に説明する。

【００５３】排気浄化触媒２０は、還元剤の存在下で排
気中の窒素酸化物（ＮＯx）を浄化するＮＯx触媒であ
る。このようなＮＯx触媒としては、選択還元型ＮＯx触
媒や吸蔵還元型ＮＯx触媒等を例示することができる
が、ここでは吸蔵還元型ＮＯx触媒を例に挙げて説明す
る。以下、排気浄化触媒２０を吸蔵還元型ＮＯx触媒２
０と称するものとする。

【００５４】吸蔵還元型ＮＯx触媒２０は、例えば、ア
ルミナを担体とし、その担体上に、カリウム（Ｋ）、ナ
トリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、もしくはセシウ
ム（Ｃｓ）等のアルカリ金属と、バリウム（Ｂａ）もし
くはカルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類と、ランタン
（Ｌａ）もしくはイットリウム（Ｙ）等の希土類とから
選択された少なくとも１つと、白金（Ｐｔ）等の貴金属
とを担持して構成されている。尚、本実施の形態では、
アルミナからなる担体上にバリウム（Ｂａ）と白金（Ｐ
ｔ）とを担持して構成される吸蔵還元型ＮＯx触媒を例
に挙げて説明する。

【００５５】このように構成された吸蔵還元型ＮＯx触
媒２０は、該吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気
の酸素濃度が高いときは排気中の窒素酸化物（ＮＯx）
を吸収する。

【００５６】一方、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０は、該吸
蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の酸素濃度が低
下したときは吸収していた窒素酸化物（ＮＯx）を放出
する。その際、排気中に炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素
（ＣＯ）等の還元成分が存在していれば、吸蔵還元型Ｎ
Ｏx触媒２０は、該吸蔵還元型ＮＯx触媒２０から放出さ
れた窒素酸化物（ＮＯx）を窒素（Ｎ₂）に還元せしめる
ことができる。

【００５７】尚、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０のＮＯx吸放
出作用については明らかにされていない部分もあるが、
おおよそ以下のようなメカニズムによって行われている
と考えられる。

【００５８】先ず、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０では、該
吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比がリ
ーン空燃比となって排気中の酸素濃度が高まると、図２
（Ａ）に示されるように、排気中の酸素（Ｏ₂）がＯ₂ ^-
またはＯ^2-の形で白金（Ｐｔ）の表面上に付着する。排
気中の一酸化窒素（ＮＯ）は、白金（Ｐｔ）の表面上で
Ｏ₂ ^-またはＯ^2-と反応して二酸化窒素（ＮＯ₂）を形成
する（２ＮＯ＋Ｏ₂→２ＮＯ₂）。二酸化窒素（ＮＯ₂）
は、白金（Ｐｔ）の表面上で更に酸化され、硝酸イオン
（ＮＯ_3-）の形で吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収され
る。尚、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収された硝酸イ
オン（ＮＯ_3-）は、酸化バリウム（ＢａＯ）と結合して
硝酸バリウム（Ｂａ（ＮＯ₃）₂）を形成する。

【００５９】このように吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流
入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときは、排気
中の窒素酸化物（ＮＯx）が硝酸イオン（ＮＯ_3-）とし
て吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収される。

【００６０】上記したようなＮＯx吸収作用は、流入排
気の空燃比がリーン空燃比であり、且つ吸蔵還元型ＮＯ
x触媒２０のＮＯx吸収能力が飽和しない限り継続され
る。従って、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気
の空燃比がリーン空燃比であるときは、吸蔵還元型ＮＯ
x触媒２０のＮＯx吸収能力が飽和しない限り、排気中の
窒素酸化物（ＮＯx）が吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収
され、排気中から窒素酸化物（ＮＯx）が除去されるこ
とになる。

【００６１】これに対して、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０
では、該吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の酸
素濃度が低下すると、白金（Ｐｔ）の表面上において二
酸化窒素（ＮＯ₂）の生成量が減少するため、酸化バリ
ウム（ＢａＯ）と結合していた硝酸イオン（ＮＯ_3-）が
逆に二酸化窒素（ＮＯ₂）や一酸化窒素（ＮＯ）となっ
て吸蔵還元型ＮＯx触媒２０から離脱する。

【００６２】その際、排気中に炭化水素（ＨＣ）や一酸
化炭素（ＣＯ）等の還元成分が存在していれば、それら
の還元成分が白金（Ｐｔ）上の酸素（Ｏ_2-またはＯ^2-）
と部分的に反応して活性種を形成する。この活性種は、
吸蔵還元型ＮＯx触媒２０から放出された二酸化窒素
（ＮＯ₂）や一酸化窒素（ＮＯ）を窒素（Ｎ₂）に還元せ
しめることになる。

【００６３】従って、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入
する排気の空燃比が理論空燃比又はリッチ空燃比となっ
て排気中の酸素濃度が低下するとともに還元剤の濃度が
高まると、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収されていた
窒素酸化物（ＮＯx）が放出及び還元され、以て吸蔵還
元型ＮＯx触媒２０のＮＯx吸収能力が再生されることに
なる。

【００６４】ところで、内燃機関１が希薄燃焼運転され
ている場合は、内燃機関１から排出される排気の空燃比
がリーン雰囲気となり排気の酸素濃度が高くなるため、
排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯx）が吸蔵還元型Ｎ
Ｏx触媒２０に吸収されることになるが、内燃機関１の
希薄燃焼運転が長期間継続されると、吸蔵還元型ＮＯx
触媒２０のＮＯx吸収能力が飽和し、排気中の窒素酸化
物（ＮＯx）が吸蔵還元型ＮＯx触媒２０にて除去されず
に大気中へ放出されてしまう。

【００６５】特に、内燃機関１のようなディーゼル機関
では、大部分の運転領域においてリーン空燃比の混合気
が燃焼され、それに応じて大部分の運転領域において排
気の空燃比がリーン空燃比となるため、吸蔵還元型ＮＯ
x触媒２０のＮＯx吸収能力が飽和し易い。

【００６６】従って、内燃機関１が希薄燃焼運転されて
いる場合は、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０のＮＯx吸収能力
が飽和する前に吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排
気中の酸素濃度を低下させるとともに還元剤の濃度を高
め、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に吸収された窒素酸化物
（ＮＯx）を放出及び還元させる必要がある。

【００６７】これに対し、本実施の形態に係る内燃機関
の排気浄化装置は、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０より上流
の排気通路を流通する排気中に還元剤たる燃料（軽油）
を添加する還元剤供給機構を備え、この還元剤供給機構
から排気中へ燃料を添加することにより、吸蔵還元型Ｎ
Ｏx触媒２０に流入する排気の酸素濃度を低下させると
ともに還元剤の濃度を高めるようにした。

【００６８】還元剤供給機構は、図１に示されるよう
に、その噴孔が排気枝管１８内に臨むよう内燃機関１の
シリンダヘッドに取り付けられ、所定の開弁圧以上の燃
料が印加されたときに開弁して燃料を噴射する還元剤噴
射弁２８と、前述した燃料ポンプ６から吐出された燃料
を前記還元剤噴射弁２８へ導く還元剤供給路２９と、こ
の還元剤供給路２９の途中に設けられ該還元剤供給通路
２９内を流通する燃料の流量を調整する流量調整弁３０
と、この流量調整弁３０より上流の還元剤供給路２９に
設けられて該還元剤供給路２９内の燃料の流通を遮断す
る遮断弁３１と、前記流量調整弁３０より上流の還元剤
供給路２９に取り付けられ該還元剤供給路２９内の圧力
に対応した電気信号を出力する還元剤圧力センサ３２
と、を備えている。

【００６９】尚、還元剤噴射弁２８は、該還元剤噴射弁
２８の噴孔が排気枝管１８におけるＥＧＲ通路２５との
接続部位より下流であって、排気枝管１８における４つ
の枝管の集合部に最も近い気筒２の排気ポートに突出す
るとともに、排気枝管１８の集合部へ向くようシリンダ
ヘッドに取り付けられることが好ましい。

【００７０】これは、還元剤噴射弁２８から噴射された
還元剤（未燃の燃料成分）がＥＧＲ通路２５へ流入する
のを防止するとともに、還元剤が排気枝管１８内に滞る
ことなく遠心過給機のタービンハウジング１５ｂへ到達
するようにするためである。

【００７１】尚、図１に示す例では、内燃機関１の４つ
の気筒２のうち１番（＃１）気筒２が排気枝管１８の集
合部と最も近い位置にあるため、１番（＃１）気筒２の
排気ポートに還元剤噴射弁２８が取り付けられている
が、１番（＃１）気筒２以外の気筒２が排気枝管１８の
集合部と最も近い位置にあるときは、その気筒２の排気
ポートに還元剤噴射弁２８が取り付けられるようにす
る。

【００７２】また、前記還元剤噴射弁２８は、シリンダ
ヘッドに形成された図示しないウォータージャケットを
貫通、あるいはウォータージャケットに近接して取り付
けられるようにし、前記ウォータージャケットを流通す
る冷却水を利用して還元剤噴射弁２８を冷却するように
してもよい。

【００７３】このような還元剤供給機構では、流量調整
弁３０が開弁されると、燃料ポンプ６から吐出された高
圧の燃料が還元剤供給路２９を介して還元剤噴射弁２８
へ印加される。そして、還元剤噴射弁２８に印加される
燃料の圧力が開弁圧以上に達すると、該還元剤噴射弁２
８が開弁して排気枝管１８内へ還元剤としての燃料が噴
射される。

【００７４】還元剤噴射弁２８から排気枝管１８内へ噴
射された還元剤は、排気枝管１８の上流から流れてきた
排気ととともにタービンハウジング１５ｂへ流入する。
タービンハウジング１５ｂ内に流入した排気と還元剤と
は、タービンホイールの回転によって撹拌されて均質に
混合され、リッチ空燃比の排気を形成する。

【００７５】このようにして形成されたリッチ空燃比の
排気は、タービンハウジング１５ｂから排気管１９を介
して吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入し、吸蔵還元型Ｎ
Ｏx触媒２０に吸収されていた窒素酸化物（ＮＯx）を放
出させつつ窒素（Ｎ₂）に還元することになる。

【００７６】その後、流量調整弁３０が閉弁されて燃料
ポンプ６から還元剤噴射弁２８への還元剤の供給が遮断
されると、還元剤噴射弁２８に印加される燃料の圧力が
前記開弁圧未満となり、その結果、還元剤噴射弁２８が
閉弁し、排気枝管１８内への還元剤の添加が停止される
ことになる。

【００７７】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
（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）３５が併設され
ている。このＥＣＵ３５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の運転状態を制御するユ
ニットである。

【００７８】ＥＣＵ３５には、コモンレール圧センサ４
ａ、エアフローメータ１１、吸気温度センサ１２、吸気
管圧力センサ１７、空燃比センサ２３、排気温度センサ
２４、還元剤圧力センサ３２、クランクポジションセン
サ３３、水温センサ３４、アクセル開度センサ３６等の
各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種
センサの出力信号がＥＣＵ３５に入力されるようになっ
ている。

【００７９】一方、ＥＣＵ３５には、燃料噴射弁３、吸
気絞り用アクチュエータ１４、排気絞り用アクチュエー
タ２２、ＥＧＲ弁２６、流量調整弁３０、遮断弁３１等
が電気配線を介して接続され、上記した各部をＥＣＵ３
５が制御することが可能になっている。

【００８０】ここで、ＥＣＵ３５は、図３に示すよう
に、双方向性バス３５０によって相互に接続された、Ｃ
ＰＵ３５１と、ＲＯＭ３５２と、ＲＡＭ３５３と、バッ
クアップＲＡＭ３５４と、入力ポート３５６と、出力ポ
ート３５７とを備えるとともに、前記入力ポート３５６
に接続されたＡ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄ）３５５を備え
ている。

【００８１】前記入力ポート３５６は、クランクポジシ
ョンセンサ３３のようにデジタル信号形式の信号を出力
するセンサの出力信号を入力し、それらの出力信号をＣ
ＰＵ３５１やＲＡＭ３５３へ送信する。

【００８２】前記入力ポート３５６は、コモンレール圧
センサ４ａ、エアフローメータ１１、吸気温度センサ１
２、吸気管圧力センサ１７、空燃比センサ２３、排気温
度センサ２４、還元剤圧力センサ３２、水温センサ３
４、アクセル開度センサ３６、等のように、アナログ信
号形式の信号を出力するセンサのＡ／Ｄ３５５を介して
入力し、それらの出力信号をＣＰＵ３５１やＲＡＭ３５
３へ送信する。

【００８３】前記出力ポート３５７は、燃料噴射弁３、
吸気絞り用アクチュエータ１４、排気絞り用アクチュエ
ータ２２、ＥＧＲ弁２６、流量調整弁３０、遮断弁３１
等と電気配線を介して接続され、ＣＰＵ３５１から出力
される制御信号を、前記した燃料噴射弁３、吸気絞り用
アクチュエータ１４、排気絞り用アクチュエータ２２、
ＥＧＲ弁２６、流量調整弁３０、あるいは遮断弁３１へ
送信する。

【００８４】前記ＲＯＭ３５２は、燃料噴射弁３を制御
するための燃料噴射制御ルーチン、吸気絞り弁１３を制
御するための吸気絞り制御ルーチン、排気絞り弁２１を
制御するための排気絞り制御ルーチン、ＥＧＲ弁２６を
制御するためのＥＧＲ制御ルーチン、吸蔵還元型ＮＯx
触媒２０に吸収された窒素酸化物（ＮＯx）を浄化する
ためのＮＯx浄化制御ルーチン、吸蔵還元型ＮＯx触媒２
０の酸化物による被毒を解消するための被毒解消制御ル
ーチン、還元剤噴射弁２８の異常を検出して還元剤の添
加を停止する燃料添加停止制御ルーチン、空燃比がリー
ン側へずれているときに気筒２内への燃料主噴射量を変
更する入ガスリッチ化制御ルーチン、還元剤噴射弁２８
が高温のときに燃料の添加を休止する燃料添加休止制御
ルーチン等のアプリケーションプログラムを記憶してい
る。

【００８５】前記ＲＯＭ３５２は、上記したアプリケー
ションプログラムに加え、各種の制御マップを記憶して
いる。前記制御マップは、例えば、内燃機関１の運転状
態と基本燃料噴射量（基本燃料噴射時間）との関係を示
す燃料噴射量制御マップ、内燃機関１の運転状態と基本
燃料噴射時期との関係を示す燃料噴射時期制御マップ、
内燃機関１の運転状態と吸気絞り弁１３の目標開度との
関係を示す吸気絞り弁開度制御マップ、内燃機関１の運
転状態と排気絞り弁２１の目標開度との関係を示す排気
絞り弁開度制御マップ、内燃機関１の運転状態とＥＧＲ
弁２６の目標開度との関係を示すＥＧＲ弁開度制御マッ
プ、内燃機関１の運転状態と還元剤の目標添加量（もし
くは、排気の目標空燃比）との関係を示す還元剤添加量
制御マップ、還元剤の目標添加量と流量調整弁３０の開
弁時間との関係を示す流量調整弁制御マップ等である。

【００８６】前記ＲＡＭ３５３は、各センサからの出力
信号やＣＰＵ３５１の演算結果等を格納する。前記演算
結果は、例えば、クランクポジションセンサ３３がパル
ス信号を出力する時間的な間隔に基づいて算出される機
関回転数である。これらのデータは、クランクポジショ
ンセンサ３３がパルス信号を出力する都度、最新のデー
タに書き換えられる。

【００８７】前記バックアップＲＡＭ３５４は、内燃機
関１の運転停止後もデータを記憶可能な不揮発性のメモ
リである。

【００８８】前記ＣＰＵ３５１は、前記ＲＯＭ３５２に
記憶されたアプリケーションプログラムに従って動作し
て、燃料噴射弁制御、吸気絞り制御、排気絞り制御、Ｅ
ＧＲ制御、ＮＯx浄化制御、被毒解消制御等を実行す
る。

【００８９】例えば、燃料噴射弁制御では、ＣＰＵ３５
１は、先ず、燃料噴射弁３から噴射される燃料量を決定
し、次いで燃料噴射弁３から燃料を噴射する時期を決定
する。

【００９０】燃料噴射量を決定する場合は、ＣＰＵ３５
１は、ＲＡＭ３５３に記憶されている機関回転数とアク
セル開度センサ３６の出力信号（アクセル開度）とを読
み出す。ＣＰＵ３５１は、燃料噴射量制御マップへアク
セスし、前記機関回転数及び前記アクセル開度に対応し
た基本燃料燃料噴射量（基本燃料噴射時間）を算出す
る。ＣＰＵ３５１は、エアフローメータ１１、吸気温度
センサ１２、水温センサ３４等の出力信号値等に基づい
て前記基本燃料噴射時間を補正し、最終的な燃料噴射時
間を決定する。

【００９１】燃料噴射時期を決定する場合は、ＣＰＵ３
５１は、燃料噴射開始時期制御マップへアクセスし、前
記機関回転数及び前記アクセル開度に対応した基本燃料
噴射時期を算出する。ＣＰＵ３５１は、エアフローメー
タ１１、吸気温度センサ１２、水温センサ３４等の出力
信号値をパラメータとして前記基本燃料噴射時期を補正
し、最終的な燃料噴射時期を決定する。

【００９２】燃料噴射時間と燃料噴射時期とが決定され
ると、ＣＰＵ３５１は、前記燃料噴射時期とクランクポ
ジションセンサ３３の出力信号とを比較し、前記クラン
クポジションセンサ３３の出力信号が前記燃料噴射開始
時期と一致した時点で燃料噴射弁３に対する駆動電力の
印加を開始する。ＣＰＵ３５１は、燃料噴射弁３に対す
る駆動電力の印加を開始した時点からの経過時間が前記
燃料噴射時間に達した時点で燃料噴射弁３に対する駆動
電力の印加を停止する。

【００９３】尚、燃料噴射制御において内燃機関１の運
転状態がアイドル運転状態にある場合は、ＣＰＵ３５１
は、水温センサ３４の出力信号値や、車室内用空調装置
のコンプレッサのようにクランクシャフトの回転力を利
用して作動する補機類の作動状態等をパラメータとして
内燃機関１の目標アイドル回転数を算出する。そして、
ＣＰＵ３５１は、実際のアイドル回転数が目標アイドル
回転数と一致するよう燃料噴射量をフィードバック制御
する。

【００９４】また、吸気絞り制御では、ＣＰＵ３５１
は、例えば、ＲＡＭ３５３に記憶されている機関回転数
とアクセル開度とを読み出す。ＣＰＵ３５１は、吸気絞
り弁開度制御マップへアクセスし、機関回転数及びアク
セル開度に対応した目標吸気絞り弁開度を算出する。Ｃ
ＰＵ３５１は、前記目標吸気絞り弁開度に対応した駆動
電力を吸気絞り用アクチュエータ１４に印加する。その
際、ＣＰＵ３５１は、吸気絞り弁１３の実際の開度を検
出して、実際の吸気絞り弁１３の開度と目標吸気絞り弁
開度との差分に基づいて前記吸気絞り用アクチュエータ
１４をフィードバック制御するようにしてもよい。

【００９５】また、排気絞り制御では、ＣＰＵ３５１
は、例えば、内燃機関１が冷間始動後の暖機運転状態に
ある場合や、車室内用ヒータが作動状態にある場合など
に排気絞り弁２１を閉弁方向へ駆動すべく排気絞り用ア
クチュエータ２２を制御する。

【００９６】この場合、内燃機関１の負荷が増大し、そ
れに対応して燃料噴射量が増量されることなる。その結
果、内燃機関１の発熱量が増加し、内燃機関１の暖機が
促進されるとともに、車室内用ヒータの熱源が確保され
る。

【００９７】また、ＥＧＲ制御では、ＣＰＵ３５１は、
ＲＡＭ３５３に記憶されている機関回転数、水温センサ
３４の出力信号（冷却水温度）、アクセル開度センサ３
６の出力信号（アクセル開度）等を読み出し、ＥＧＲ制
御の実行条件が成立しているか否かを判別する。

【００９８】上記したＥＧＲ制御実行条件としては、冷
却水温度が所定温度以上にある、内燃機関１が始動時か
ら所定時間以上連続して運転されている、アクセル開度
の変化量が正値である等の条件を例示することができ
る。

【００９９】上記したようなＥＧＲ制御実行条件が成立
していると判定した場合は、ＣＰＵ３５１は、機関回転
数とアクセル開度とをパラメータとしてＥＧＲ弁開度制
御マップへアクセスし、前記機関回転数及び前記アクセ
ル開度に対応した目標ＥＧＲ弁開度を算出する。ＣＰＵ
３５１は、前記目標ＥＧＲ弁開度に対応した駆動電力を
ＥＧＲ弁２６に印加する。一方、上記したようなＥＧＲ
制御実行条件が成立していないと判定した場合は、ＣＰ
Ｕ３５１は、ＥＧＲ弁２６を全閉状態に保持すべく制御
する。

【０１００】更に、ＥＧＲ制御では、ＣＰＵ３５１は、
内燃機関１の吸入空気量をパラメータとしてＥＧＲ弁２
６の開度をフィードバック制御する、いわゆるＥＧＲ弁
フィードバック制御を行うようにしてもよい。

【０１０１】ＥＧＲ弁フィードバック制御では、例え
ば、ＣＰＵ３５１は、アクセル開度や機関回転数等をパ
ラメータとして内燃機関１の目標吸入空気量を決定す
る。その際、アクセル開度と機関回転数と目標吸入空気
量との関係を予めマップ化しておき、そのマップとアク
セル開度と機関回転数とから目標吸入空気量が算出され
るようにしてもよい。

【０１０２】上記した手順により目標吸入空気量が決定
されると、ＣＰＵ３５１は、ＲＡＭ３５３に記憶された
エアフローメータ１１の出力信号値（実際の吸入空気
量）を読み出し、実際の吸入空気量と目標吸入空気量と
を比較する。

【０１０３】前記した実際の吸入空気量が前記目標吸入
空気量より少ない場合には、ＣＰＵ３５１は、ＥＧＲ弁
２６を所定量閉弁させる。この場合、ＥＧＲ通路２５か
ら吸気枝管８へ流入するＥＧＲガス量が減少し、それに
応じて内燃機関１の気筒２内に吸入されるＥＧＲガス量
が減少することになる。その結果、内燃機関１の気筒２
内に吸入される新気の量は、ＥＧＲガスが減少した分だ
け増加する。

【０１０４】一方、実際の吸入空気量が目標吸入空気量
より多い場合には、ＣＰＵ３５１は、ＥＧＲ弁２６を所
定量開弁させる。この場合、ＥＧＲ通路２５から吸気枝
管８へ流入するＥＧＲガス量が増加し、それに応じて内
燃機関１の気筒２内に吸入されるＥＧＲガス量が増加す
る。この結果、内燃機関１の気筒２内に吸入される新気
の量は、ＥＧＲガスが増加した分だけ減少することにな
る。

【０１０５】次に、ＮＯx浄化制御では、ＣＰＵ３５１
は、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比
を比較的に短い周期でスパイク的（短時間）にリッチ空
燃比とする、所謂リッチスパイク制御を実行する。

【０１０６】リッチスパイク制御では、ＣＰＵ３５１
は、所定の周期毎にリッチスパイク制御実行条件が成立
しているか否かを判別する。このリッチスパイク制御実
行条件としては、例えば、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０が
活性状態にある、排気温度センサ２４の出力信号値（排
気温度）が所定の上限値以下である、被毒解消制御が実
行されていない、等の条件を例示することができる。

【０１０７】上記したようなリッチスパイク制御実行条
件が成立していると判定された場合は、ＣＰＵ３５１
は、還元剤噴射弁２８からスパイク的に還元剤たる燃料
を噴射させるべく流量調整弁３０を制御することによ
り、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流入する排気の空燃比
を一時的に所定の目標リッチ空燃比とする。

【０１０８】具体的には、ＣＰＵ３５１は、ＲＡＭ３５
３に記憶されている機関回転数、アクセル開度センサ３
６の出力信号（アクセル開度）、エアフローメータ１１
の出力信号値（吸入空気量）、燃料噴射量等を読み出
す。ＣＰＵ３５１は、前記した機関回転数とアクセル開
度と吸入空気量と燃料噴射量とをパラメータとしてＲＯ
Ｍ３５２の還元剤添加量制御マップへアクセスし、排気
の空燃比を予め設定された目標リッチ空燃比とする上で
必要となる還元剤の添加量（目標添加量）を算出する。

【０１０９】続いて、ＣＰＵ３５１は、前記目標添加量
をパラメータとしてＲＯＭ３５２の流量調整弁制御マッ
プへアクセスし、還元剤噴射弁２８から目標添加量の還
元剤を噴射させる上で必要となる流量調整弁３０の開弁
時間（目標開弁時間）を算出する。

【０１１０】流量調整弁３０の目標開弁時間が算出され
ると、ＣＰＵ３５１は、流量調整弁３０を開弁させる。
この場合、燃料ポンプ６から吐出された高圧の燃料が還
元剤供給路２９を介して還元剤噴射弁２８へ供給される
ため、還元剤噴射弁２８に印加される燃料の圧力が開弁
圧以上に達し、還元剤噴射弁２８が開弁する。

【０１１１】ＣＰＵ３５１は、流量調整弁３０を開弁さ
せた時点から前記目標開弁時間が経過すると、流量調整
弁３０を閉弁させる。この場合、燃料ポンプ６から還元
剤噴射弁２８への還元剤の供給が遮断されるため、還元
剤噴射弁２８に印加される燃料の圧力が開弁圧未満とな
り、還元剤噴射弁２８が閉弁する。

【０１１２】このように流量調整弁３０が目標開弁時間
だけ開弁されると、目標添加量の燃料が還元剤噴射弁２
８から排気枝管１８内へ噴射されることになる。そし
て、還元剤噴射弁２８から噴射された還元剤は、排気枝
管１８の上流から流れてきた排気と混ざり合って目標リ
ッチ空燃比の混合気を形成して吸蔵還元型ＮＯx触媒２
０に流入する。

【０１１３】この結果、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０に流
入する排気の空燃比は、比較的に短い周期で「リーン」
と「スパイク的な目標リッチ空燃比」とを交互に繰り返
すことになり、以て、吸蔵還元型ＮＯx触媒２０が窒素
酸化物（ＮＯx）の吸収と放出・還元とを交互に短周期
的に繰り返すことになる。

【０１１４】次に、本実施の形態における燃料添加停止
制御について説明する。

【０１１５】前述のリッチスパイクによりスパイク的に
リッチ空燃比となった排気は、排気管１９を流れて下流
の空燃比センサ２３に到達する。従って空燃比センサ２
３の出力信号は図４Ａに示すように、流量調整弁３０を
開弁するための通電パルスよりも少し遅れてリッチ側に
変化する。このときに、前記通電パルスの幅が狭いほ
ど、即ち、還元剤噴射弁２８から添加される燃料量が少
ないほど、空燃比センサ２３で検出される排気の空燃比
がリッチ側に変化する変化量が少なくなる。このような
状態のときにリッチ側への変化量を大きくする手段の一
つに前記通電パルスのパルス幅の拡大が挙げられる。

【０１１６】そこで、ＣＰＵ３５１はパルス幅を拡大す
るために空燃比センサ２３の出力信号を監視して、ＮＯ
x触媒２０に要求される空燃比と空燃比センサ２３で検
出された空燃比との偏差を算出する。そして、その偏差
を無くすように流量調整弁３０を開弁するための通電パ
ルス幅を拡大する（図４Ｂ）。すると、燃料の添加量が
増加され、リッチ側への変化量が大きくなる。このよう
に、ＮＯx触媒２０が要求する空燃比を満たすようにＣ
ＰＵ３５１はフィードバック制御を行う。

【０１１７】例えば、ＮＯx触媒２０が要求する空燃比
をＹａ、空燃比センサ２３で検出された空燃比をＹｂ、
現在の還元剤としての燃料添加量をＧｆｂ、ＮＯx触媒
２０が必要とする燃料添加量をＧｆａ、ＮＯx触媒２０
に要求される空燃比と空燃比センサ２３で検出された空
燃比との偏差を無くすための燃料添加の増加量を△Ｇ
ｆ、現在の吸入空気量をＧａとすると、 △Ｇｆ＝Ｇｆａ−Ｇｆｂ＝Ｇａ／Ｙａ−Ｇｆｂ＝Ｙｂ・Ｇｆｂ／Ｙａ−Ｇｆｂにより燃料増加量△Ｇｆを求めることができる。燃料噴
射量と通電パルス幅とにはある一定の関係があり、この
関係を予め求めておけば燃料増加量に応じた通電パルス
の拡大幅を求めることができる。

【０１１８】一方、流量調整弁３０を開弁するための通
電パルスの拡大幅が所定値以上になった場合には、還元
剤噴射弁２８等の異常が考えられるので、リッチスパイ
ク制御を停止する。

【０１１９】このようなリッチスパイクを停止する燃料
添加停止制御について図５に示されるフローチャートを
用いて説明する。

【０１２０】ステップ１０１で燃料添加量のフィードバ
ック制御を開始する。このフィードバック制御は、リッ
チスパイク制御と同時に開始される。フィードバック制
御開始後ステップ１０２に移行し、空燃比のフィードバ
ックを行う。

【０１２１】次に、ステップ１０３においては、空燃比
センサ２３で検出された空燃比がＮＯx触媒２０が要求
する空燃比よりもリーン空燃比となっているか否かを判
定し、リーン空燃比となっている場合はステップ１０４
へ進み、リーン空燃比となっていない場合はステップ１
０１へ戻る。

【０１２２】ステップ１０４では、流量調整弁３０を開
弁するための通電パルス幅とフィードバック制御を行っ
ていないときの通電パルス幅との偏差が閾値以上か否か
を判定する。偏差が閾値以上ならばステップ１０５へ進
み、閾値に満たない場合はステップ１０１へ戻る。

【０１２３】ステップ１０５では、ステップ１０４で算
出された偏差が大きいのは還元剤噴射弁２８等の燃料添
加に関わるシステムの異常とみなして、ＲＡＭ３５２に
燃料添加システムの異常を示す所定の数値を記憶させス
テップ１０６へ進む。

【０１２４】ステップ１０６では、リッチスパイク制御
を終了させ、燃料の添加を停止させて、ステップ１０７
へ進み、燃料添加停止制御を終了する。

【０１２５】燃料添加システムに異常があると判定され
た場合は、流量調整弁３０より上流の還元剤供給路２９
に設けられた遮断弁３１により、燃料の流通を遮断して
燃料の供給を停止するとともに、図示しない警告表示灯
により運転者に注意を喚起することができる。

【０１２６】＜第２の実施の形態＞この実施の形態で
は、第１の実施の形態と比較してステップ１０３から後
の制御が異なり、空燃比センサ２３で検出された空燃比
とＮＯx触媒２０が要求する空燃比との偏差が閾値より
も大きいときに内燃機関１から排出される排気の空燃比
をリッチ空燃比側へずらすものである。即ち、前記偏差
が閾値以上のときには、内燃機関１から排出される排気
の空燃比をリッチ空燃比側にすることにより燃料添加量
のフィードバック制御が容易にできるようになる。

【０１２７】以下、排気の空燃比をリッチ空燃比側へず
らす入ガスリッチ制御を図６のフローチャートを用いて
説明する。

【０１２８】ステップ２０１で燃料添加量のフィードバ
ック制御を開始する。フィードバック制御は、リッチス
パイク制御と同時に開始される。フィードバック制御開
始後ステップ２０２に移行し、空燃比のフィードバック
制御を行う。

【０１２９】次に、ステップ２０３においては、空燃比
センサ２３で検出された空燃比がＮＯx触媒２０が要求
する空燃比よりもリーン空燃比となっているか否かを判
定し、リーン空燃比となっている場合はステップ２０４
へ進み、リーン空燃比となっていない場合はステップ２
０１へ戻る。

【０１３０】ステップ２０４では、空燃比センサ２３で
検出された空燃比とＮＯx触媒２０が要求する空燃比と
の偏差が閾値以上か否かを判定する。偏差が閾値以上な
らばステップ２０５へ進み、閾値に満たない場合はステ
ップ２０１へ戻る。

【０１３１】ステップ２０５では、内燃機関１から排出
される排気の空燃比をリッチ空燃比側へずらす旨を示す
所定の数値をＲＡＭ３５２に記憶させる。

【０１３２】排気の空燃比をリッチ空燃比側へずらす手
段としては、吸気絞り弁１３による内燃機関１に吸入さ
れる新気の量の制限、内燃機関１の気筒２内へ噴射する
燃料の量を増量する主噴射燃料量増量、内燃機関１の膨
張行程や排気行程に気筒２内へ燃料を噴射する副噴射等
が例示できる。

【０１３３】主噴射量を増量すると、吸入空気量が変わ
らなければ空燃比をリッチ空燃比側へずらすことができ
る。ＣＰＵ３５１は、ＲＡＭ３５３に記憶されている機
関回転数、アクセル開度、ステップ２０４で算出された
偏差に基づいて主噴射量を決定する。

【０１３４】例えば、ＮＯx触媒２０が要求する空燃比
をＹａ、空燃比センサ２３で検出された空燃比をＹｂ、
現在の主噴射量をＧｆｂ、ＮＯx触媒２０が必要とする
主噴射量をＧｆａ、ステップ２０４で算出された空燃比
の偏差を無くすための主噴射の増加量を△Ｇｆ、現在の
吸入空気量をＧａとすると、 △Ｇｆ＝Ｇｆａ−Ｇｆｂ＝Ｇａ／Ｙａ−Ｇｆｂ＝Ｙｂ・Ｇｆｂ／Ｙａ−Ｇｆｂにより燃料増加量△Ｇｆを求めることができる。

【０１３５】また、吸気絞り制御による空燃比制御で
は、ＣＰＵ３５１は、例えば、ＲＡＭ３５３に記憶され
ている機関回転数、アクセル開度、ステップ２０４で算
出された空燃比の偏差を読み出す。ＣＰＵ３５１は、吸
気絞り弁開度制御マップへアクセスし、機関回転数、ア
クセル開度、空燃比の偏差に対応した目標吸気絞り弁開
度を算出する。ＣＰＵ３５１は、前記目標吸気絞り弁開
度に対応した駆動電力を吸気絞り用アクチュエータ１４
に印加する。

【０１３６】その際、ＣＰＵ３５１は、吸気絞り弁１３
の実際の開度を検出して、実際の吸気絞り弁１３の開度
と目標吸気絞り弁開度との差分に基づいて前記吸気絞り
用アクチュエータ１４をフィードバック制御するように
してもよい。

【０１３７】例えば、ＮＯx触媒２０が要求する空燃比
をＹａ、空燃比センサ２３で検出された空燃比をＹｂ、
現在の主噴射量をＧｆ、現在の吸入空気量をＧａｂ、Ｎ
Ｏx触媒２０が必要とする吸入空気量をＧａａ、ステッ
プ２０４で算出された空燃比の偏差を無くすための吸入
空気量の減少量を△Ｇａとすると、 △Ｇａ＝Ｇａｂ−Ｇａａ＝Ｙｂ・Ｇｆ−Ｙａ・Ｇｆ＝Ｇｆ・（Ｙｂ−Ｙａ）により吸入空気量の減少量△Ｇａを算出することができ
る。この、吸入空気量の減少量△Ｇａに応じた吸気絞り
弁開度を吸気絞り弁開度制御マップから算出することが
できる。

【０１３８】副噴射は、主噴射した燃料が燃焼した後
に、膨張行程若しくは排気行程で追加燃料を噴射する。
このようにするのは、主噴射のみにより空燃比をリッチ
空燃比側へずらそうとするとスモーク等の問題が発生す
る虞れがあるからである。また、主噴射を増量すると燃
料の燃焼が機関出力になるのでトルクの変動が発生し運
転状態が悪化する。そこで、主噴射の後の機関出力に影
響しにくい時期で副噴射を行い、空燃比をリッチ空燃比
側へずらすことを行う。

【０１３９】最後にステップ２０６へ進み、入ガスリッ
チ化制御を終了後ステップ２０１へ戻る。

【０１４０】以上により、内燃機関１から排出される排
気の空燃比をリッチ空燃比側にすることにより燃料添加
量のフィードバック制御が容易にできるようになる。

【０１４１】＜第３の実施の形態＞この実施の形態は、
図４Ａに示されるようなＮＯx触媒２０が要求する空燃
比と空燃比センサ２３で検出された空燃比との間に偏差
が生じる原因となる還元剤供給機構の故障を防止するも
のである。

【０１４２】還元剤噴射弁２８は燃料を噴射するための
噴孔を有し、燃料はこの噴孔を通過して排気枝管１８内
へ噴射される。このときに噴孔部の温度が高温状態にあ
ると燃料に含まれる成分が噴孔部に固着して噴孔を詰ま
らせる原因となる。

【０１４３】そこで、噴孔部の温度を推定してその推定
温度が閾値以上の場合には燃料の添加を休止して噴孔の
詰まりを防止する。

【０１４４】噴孔部の温度の推定は、ＲＡＭ３５２に記
憶されている機関回転数、アクセル開度、気筒２内への
燃料噴射量、吸入空気温度を使用して予め設定された温
度マップにより算出することができる。

【０１４５】以下、燃料の添加を休止する燃料添加休止
制御を図７のフローチャートを用いて説明する。

【０１４６】ステップ３０１で燃料添加休止制御を開始
する。燃料添加休止制御は、リッチスパイク制御を開始
する前に行われる。燃料添加休止制御開始後ステップ３
０２に移行し、還元剤噴射弁２８の噴孔部の温度推定を
行う。

【０１４７】噴孔部の温度は、クランクポジションセン
サ３３により求められる機関回転数、アクセル開度セン
サ３６により求められるアクセル開度、ＣＰＵ３５１が
算出した気筒２内への燃料噴射量、吸気温度センサ１２
により求められる吸入空気温度をパラメータとして予め
求められた噴孔部温度マップにより求めることができ
る。

【０１４８】次に、ステップ３０３においては、ステッ
プ３０２で算出された推定温度が閾値よりも大きいか否
かを判定する。推定温度が閾値よりも大きいと判定され
た場合にはステップ３０５へ進み、推定温度が閾値より
も大きくないと判定された場合にはステップ３０４へ進
む。

【０１４９】ステップ３０４では、ＲＡＭ３５２に燃料
添加を休止しない旨を示す所定の数値を記憶させる。リ
ッチスパイク制御を行う前にＣＰＵ３５１がＲＡＭ３５
２へアクセスして燃料添加を休止しない旨を示す所定の
数値を確認したら、リッチスパイク制御が行われる。数
値を記憶させた後にステップ３０１へ戻る。

【０１５０】ステップ３０５では、ＲＡＭ３５２に燃料
添加を休止する旨を示す所定の数値を記憶させる。リッ
チスパイク制御を行う前にＣＰＵ３５１がＲＡＭ３５２
へアクセスして燃料添加を休止する旨を示す所定の数値
を確認したら、リッチスパイク制御は行われない。

【０１５１】最後にステップ３０６へ進み、燃料添加休
止制御を終了後ステップ３０１へ戻る。

【０１５２】このように、還元剤噴射弁２８の噴孔温度
を監視して、噴孔詰まりが発生し得る所定温度以上には
リッチスパイク制御を行わないことにより、噴孔詰まり
を防止することができる。

【０１５３】

【発明の効果】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置
は、ＮＯx触媒より上流の排気通路へ還元剤を供給する
還元剤供給機構と、ＮＯx触媒に流入する排気の空燃比
が所定空燃比となるように還元剤供給機構から供給すべ
き目標還元剤量を算出する目標還元剤量算出手段と、Ｎ
Ｏx触媒に流入する排気の実際の空燃比を検出する実空
燃比検出手段と、実空燃比検出手段により検出された実
際の排気空燃比が所定空燃比となるように目標還元剤量
を補正するフィードバック制御手段と、フィードバック
制御手段による補正量が予め設定された閾値を越えたと
きは、還元剤供給機構による還元剤の供給を禁止する還
元剤供給禁止手段と、を備えているため、フィードバッ
ク制御手段による目標還元剤量の補正量が所定の閾値を
越えると、還元剤供給禁止手段は、経時変化等に起因し
て還元剤供給機構の性能が低下しているとみなし、還元
剤供給機構による還元剤の添加を禁止することができ
る。

【０１５４】この結果、内燃機関の排気通路に設けられ
たＮＯx触媒と該ＮＯx触媒へ還元剤を供給する還元剤供
給機構とを備えた内燃機関の排気浄化装置において、経
時変化等に起因して還元剤供給機構の性能が低下した場
合に、還元剤の不要な消費が防止されることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置を適用
する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図

【図２】（Ａ）は、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸収
メカニズムを説明する図。（Ｂ）は、吸蔵還元型ＮＯx
触媒のＮＯx放出メカニズムを説明する図

【図３】ＥＣＵの内部構成を示すブロック図

【図４】（Ａ）は、ＮＯx触媒に流入する排気の空燃
比がＮＯx触媒が要求する空燃比よりもリーン空燃比の
ときの通電パルスと空燃比との関係を示す概念図。
（Ｂ）は、ＮＯx触媒に流入する排気の空燃比がＮＯx触
媒が要求する空燃比を満足するときの通電パルスと空燃
比との関係を示す概念図

【図５】燃料添加停止制御のフローチャート図

【図６】入ガスリッチ化制御のフローチャート図

【図７】燃料添加休止制御のフローチャート図

【符号の説明】

１・・・・内燃機関２・・・・気筒３・・・・燃料噴射弁４・・・・コモンレール５・・・・燃料供給管６・・・・燃料ポンプ１８・・・排気枝管１９・・・排気管２０・・・吸蔵還元型ＮＯx触媒２１・・・排気絞り弁２３・・・空燃比センサ２５・・・ＥＧＲ通路２６・・・ＥＧＲ弁２７・・・ＥＧＲクーラ２８・・・還元剤噴射弁２９・・・還元剤供給路３０・・・流量調整弁３１・・・遮断弁３２・・・還元剤圧力センサ３３・・・クランクポジションセンサ３４・・・水温センサ３５・・・ＥＣＵ３５１・・ＣＰＵ３５２・・ＲＯＭ３５３・・ＲＡＭ３５４・・バックアップＲＡＭ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大木久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)発明者林孝太郎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)発明者曲田尚史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)発明者小林正明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)発明者柴田大介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)発明者小田富久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)発明者原田泰生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)発明者根上秋彦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)発明者松岡広樹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)発明者青山太郎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） 3G091 AA10 AA11 AA18 AA28 AB06 BA14 BA21 BA31 CA18 CA27 CB02 CB03 CB07 DA02 DA08 DB10 DB13 DC01 EA05 EA07 EA08 EA15 EA26 EA30 EA34 FB12 FC02 GB02Y GB03Y GB06W GB10X GB17X HA36 3G301 HA02 HA11 HA13 JA25 LA03 LB06 MA01 NE13 PA01Z PA10Z PB08Z PD03Z PD11Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸素過剰状態の混合気を燃焼可能とする
希薄燃焼式の内燃機関と、前記内燃機関の排気通路に設けられ、流入排気の空燃比
が所定空燃比であり且つ還元剤が存在するときに排気中
の窒素酸化物を浄化するＮＯx触媒と、前記ＮＯx触媒より上流の排気通路へ還元剤を供給する
還元剤供給機構と、前記ＮＯx触媒に流入する排気の空燃比が前記所定空燃
比となるように前記還元剤供給機構から供給すべき目標
還元剤量を算出する目標還元剤量算出手段と、前記ＮＯx触媒に流入する排気の実際の空燃比を検出す
る実空燃比検出手段と、前記実空燃比検出手段により検出された実際の排気空燃
比が前記所定空燃比となるように前記目標還元剤量を補
正するフィードバック制御手段と、前記フィードバック制御手段による補正量が予め設定さ
れた閾値を越えたときは、前記還元剤供給機構による還
元剤の供給を禁止する還元剤供給禁止手段と、を備える
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】前記フィードバック制御手段による補正
量が前記閾値を越えたときは、前記還元剤供給機構が異
常であると判定する異常判定手段を更に備えることを特
徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】前記フィードバック制御手段により目標
還元剤量のフィードバック制御が実行されているとき
に、実際の排気空燃比が前記所定空燃比からリーン側へ
所定量以上ずれた場合は、前記内燃機関から排出される
排気の空燃比をリッチ側へ補正すべく前記内燃機関を制
御する機関空燃比制御手段を更に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。
【請求項４】前記還元剤供給機構は、前記排気通路へ
還元剤を噴射する還元剤噴射弁を具備し、前記還元剤供給禁止手段は、前記還元剤噴射弁の噴孔温
度を検出し、検出された温度が所定温度以上であるとき
は、前記還元剤供給機構による還元剤の供給を禁止する
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。