JP2003201884A

JP2003201884A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2003201884A
Application number: JP2001397875A
Authority: JP
Inventors: Toshinari Nagai; 俊成永井; Naoto Kato; 直人加藤; Akihiro Katayama; 章弘片山; Kentaro Matsumoto; 健太郎松本; Naoki Baba; 直樹馬場; Shinji Kojima; 晋爾小島
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2001-12-27
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2003-07-18

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の目的は、NOx吸蔵還元型触媒のNOx吸
蔵作用をより効果的に利用できるようにし、排気ガスの
浄化率をより一層向上させることのできる内燃機関の排
気浄化装置を提供する。【解決手段】本発明の内燃機関の排気浄化装置は、排
気通路７上に配設されたNOx吸蔵還元型触媒３９と、NOx
吸蔵還元型触媒３９よりも上流側の排気通路７上に配設
された上流側排気浄化触媒２７と、上流側排気浄化触媒
２７から流出してNOx吸蔵還元型触媒３９に流入する少
なくとも一つの特定成分についての成分量を算出する特
定成分算出手段３７と、特定成分算出手段３７によって
算出された成分量に関する値に基づいてリッチスパイク
制御を行うリッチスパイク制御手段３７とを備えている
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、NOx吸蔵還元型の
排気浄化触媒におけるNOx吸蔵作用を効果的に利用し得
るようにして、排気ガスの浄化率をより一層高くするこ
とのできる内燃機関の排気浄化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の排気ガスは、三元触媒などの
排気浄化触媒によって浄化された後に大気に放出され
る。そして、このような排気浄化触媒の一つとして、排
気ガス中に酸素O₂が過剰にあるときは窒素酸化物NOxを
吸蔵し、排気ガス中の酸素O₂が少ないときに吸蔵した窒
素酸化物NOxを放出して還元させる（このとき排気ガス
中の一酸化炭素COや炭化水素HCは酸化される）、NOx吸
蔵還元型触媒も用いられるようになってきている。

【０００３】このようなNOx吸蔵還元型触媒を用いるこ
とによって、リーン運転時の排気ガス中の窒素酸化物NO
xを吸蔵し、ストイキ又はリッチ運転時に吸蔵した窒素
酸化物NOxを放出・還元することによって、排気浄化率
をより一層向上させることができる。このようなNOx吸
蔵還元型触媒は、通常のエンジンよりもリーン運転を積
極的に行うリーンバーンエンジンの排気浄化率を向上さ
せるのに有用で、燃費改善との両立にも寄与している。

【０００４】また、内燃機関の燃焼室に近い位置にいわ
ゆる始動時触媒を配置し、排気ガスの熱で始動時触媒を
より早期に活性化温度に昇温させることによって、内燃
機関の始動直後の排気ガス浄化性能を向上させる手法も
実用化されている。このような場合、上述したNOx吸蔵
還元型触媒は、始動時触媒の下流側に配設される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】NOx吸蔵還元型触媒の
浄化性能を効果的に利用しようとする場合、そのNOx吸
蔵量を正確に検出しておく必要がある。しかし、上述し
たように、始動時触媒が上流側に存在すると、始動時触
媒の排気浄化反応や酸素吸蔵作用の影響を受け、下流側
のNOx吸蔵還元型触媒のNOx吸蔵量を正確に把握しにく
い。酸素吸蔵作用とは、排気浄化触媒がリーン時に余剰
の酸素を吸蔵し、リッチ時にこの吸蔵した酸素を放出し
て酸化すべき成分の酸化浄化を促進する作用のことであ
る。

【０００６】また、NOx吸蔵還元型触媒には、窒素酸化
物NOxよりも硫黄酸化物SOxをより安定的に吸蔵してしま
うという性質を有している。排気ガス中の硫黄酸化物SO
xは、燃料中やエンジンオイル中に含まれる硫黄成分
が、内燃機関の燃焼によって酸化されることによって生
じる。燃料中やエンジンオイル中に含まれる硫黄成分は
微量であるが、NOx吸蔵還元型触媒に安定的に吸蔵され
てしまうために吸蔵量は徐々に蓄積されて増加する。NO
x吸蔵還元型触媒に硫黄酸化物SOxが多量に吸蔵されてし
まうと、窒素酸化物NOxの吸蔵と放出・還元とを適正に
行えなくなってしまう。これが、いわゆる、NOx吸蔵還
元型触媒における「SOx被毒」現象である。

【０００７】このため、新品のNOx吸蔵還元型触媒では
吸蔵能力のほとんどが窒素酸化物NOxの吸蔵に用いられ
るが、SOx被毒を受けると吸蔵能力の僅かしか窒素酸化
物NOxの吸蔵に用いられなくなってしまう。このSOx被毒
現象を抑止することができれば、窒素酸化物NOxの吸蔵
可能量や放出可能量を大きくとることができ、NOx吸蔵
還元型の排気浄化触媒の排気浄化性能を大幅に向上させ
ることができる。そこで、SOx被毒が進んだら瞬間的な
リッチ運転を行って、NOx吸蔵還元型触媒に吸蔵されて
しまったSOxを離脱させる、いわゆる、リッチスパイク
運転が行われる。

【０００８】しかし、このリッチスパイク運転も上流側
の始動時触媒の影響を受けるので、下流側のNOx吸蔵還
元型触媒に対して適切なリッチスパイク運転を行うのが
困難であった。例えば、リッチスパイクを行ったが、上
流側の始動時触媒に吸蔵されていた酸素によってリッチ
成分が浄化されてしまい、下流側のNOx吸蔵還元型触媒
に対してはリッチスパイク運転の十分な効果が与えられ
ない場合などである。

【０００９】従って、本発明の目的は、NOx吸蔵還元型
触媒のNOx吸蔵作用をより効果的に利用できるように
し、排気ガスの浄化率をより一層向上させることのでき
る内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の内燃機
関の排気浄化装置は、排気通路上に配設されたNOx吸蔵
還元型触媒と、NOx吸蔵還元型触媒よりも上流側の排気
通路上に配設された上流側排気浄化触媒と、上流側排気
浄化触媒から流出してNOx吸蔵還元型触媒に流入する少
なくとも一つの特定成分についての成分量を算出する特
定成分算出手段と、特定成分算出手段によって算出され
た成分量に関する値に基づいてリッチスパイク制御を行
うリッチスパイク制御手段とを備えていることを特徴と
している。

【００１１】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の内燃機関の排気浄化装置において、特定成分推定手段
によって成分量が算出される特定成分がNOxであり、リ
ッチスパイク制御手段が、特定成分推定手段によって算
出されたNOx量の積算値に基づいて、リッチスパイク制
御の実行時期を決定することを特徴としている。

【００１２】請求項３に記載の発明は、請求項１に記載
の内燃機関の排気浄化装置において、特定成分推定手段
によって成分量が算出される特定成分がリッチスパイク
実行時にNOx吸蔵還元型触媒に吸蔵されたNOxを還元させ
る還元成分であり、リッチスパイク制御手段が、特定成
分推定手段によって算出された還元成分量に基づいて、
リッチスパイク制御時のリッチ度合いを決定又は修正す
ることを特徴としている。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の排気浄化装置の一実施形
態について、以下に説明する。本実施形態の浄化装置を
有する内燃機関（エンジン）１を図１に示す。

【００１４】以下に説明するエンジン１は、多気筒エン
ジンであるが、ここではそのうちの一気筒のみを断面図
として示す。エンジン１は、燃料を直接シリンダ３内に
噴射する筒内噴射型エンジンであり、リーンバーン（希
薄燃焼）エンジンである。エンジン１は、点火プラグ２
によって各シリンダ３内の混合気に対して点火を行うこ
とによって駆動力を発生する。エンジン１の燃焼に際し
て、外部から吸入した空気は吸気通路４を通り、インジ
ェクタ５から噴射された燃料と混合されて混合気とな
る。シリンダ３の内部と吸気通路４との間は、吸気バル
ブ６によって開閉される。シリンダ３の内部で燃焼され
た混合気は、排気ガスとして排気通路７に排気される。
シリンダ３の内部と排気通路７との間は、排気バルブ８
によって開閉される。

【００１５】吸気通路４上には、シリンダ３内に吸入さ
れる吸入空気量を調節するスロットルバルブ９が配設さ
れている。このスロットルバルブ９には、その開度を検
出するスロットルポジションセンサ１０が接続されてい
る。スロットルバルブ９に付随して、アクセルペダル１
１の踏み込み位置を検出するアクセルポジションセンサ
１２や、スロットルバルブ９を駆動するスロットルモー
タ１３なども配設されている。また、図１には示されて
いないが、吸気通路４上には吸入空気の温度を検出する
吸気温センサも取り付けられている。

【００１６】また、スロットルバルブ９の下流側には、
サージタンク１４が形成されており、サージタンク１４
の内部に、バキュームセンサ１５及びコールドスタート
インジェクタ１７が配設されている。バキュームセンサ
１５は、吸気通路４内の圧力（吸気管圧力）を検出す
る。コールドスタートインジェクタ１７は、エンジン１
の冷間始動性を向上させるためのもので、冷間始動時に
サージタンク１４内に燃料を拡散噴霧させて均質な混合
気を形成させるものである。

【００１７】サージタンク１４のさらに下流側には、ス
ワールコントロールバルブ１８が配設されている。スワ
ールコントロールバルブ１８は、希薄燃焼（成層燃焼）
時にシリンダ３の内部に安定したスワールを発生させる
ためのものである。スワールコントロールバルブ１８に
付随して、スワールコントロールバルブ１８の開度を検
出するSCVポジションセンサ１９やスワールコントロー
ルバルブ１８を駆動するDCモータ２０なども配設されて
いる。

【００１８】また、本実施形態のエンジン１における吸
気バルブ６は、その開閉タイミングを可変バルブタイミ
ング機構２１によって可変制御することができる。吸気
バルブ６の開閉状況は、吸気バルブ６側のカムシャフト
の回転位置を検出するカムポジションセンサ２２によっ
て検出できる。さらに、エンジン１のクランクシャフト
近傍には、クランクシャフトの回転位置を検出するクラ
ンクポジションセンサ２３が取り付けられている。クラ
ンクポジションセンサ２３の出力からは、シリンダ３内
のピストン２４の位置や、エンジン回転数を求めること
ができる。エンジン１には、エンジン１のノッキングを
検出するノックセンサ２５や冷却水温度を検出する水温
センサ２６も取り付けられている。

【００１９】一方、排気通路７上には、エンジン１本体
に近い側に、通常の三元触媒である始動時触媒（上流側
排気浄化触媒）２７が配設されている。始動時触媒２７
は、エンジン１の燃焼室（シリンダ３）に近いので排気
ガスによって昇温されやすく、エンジン始動直後に、よ
り早期に触媒活性温度にまで上昇して排気ガス中の浄化
すべき物質を浄化することができる。このエンジン１は
四気筒であり、二気筒毎に一つずつ、計二つの始動時触
媒２７が取り付けられている。各始動時触媒２７の上流
側には、各始動時触媒２７に流入する排気ガスの排気空
燃比を検出する上流側空燃比センサ２８が取り付けられ
ている。

【００２０】始動時触媒２７の下流側では排気管が一つ
にまとめられてNOx吸蔵還元型のNOx吸蔵還元型触媒３９
が配設されている。このNOx吸蔵還元型のNOx吸蔵還元型
触媒３９については、追って詳しく説明する。NOx吸蔵
還元型触媒３９の下流側には、NOx吸蔵還元型触媒３９
から流出する排気ガスの排気空燃比を検出する下流側空
燃比センサ４０が取り付けられている。空燃比センサ２
８，４０としては、排気空燃比をリッチ域からリーン域
にかけてリニアに検出し得るリニア空燃比センサや、排
気空燃比がリッチ域にあるかリーン域にあるかをオン−
オフ的に検出するO₂センサ（酸素センサ）などが用いら
れる。

【００２１】さらに、排気通路７から吸気通路４にかけ
て、排気ガスを還流させる外部EGR(Exhaust Gas Recirc
ulation)通路４３が形成されている。外部EGR通路４３
の吸気通路４側はサージタンク１４に接続され、排気通
路７側は始動時触媒２７の上流側に接続されている。外
部EGR通路４３上には、還流させる排気ガス量を調節す
るEGRバルブ４４が配設されている。EGR機構は、吸気通
路４内の吸気管負圧を利用して排気ガスの一部を吸気通
路４に戻し、NOx生成抑制効果や燃費向上効果を得るも
のである。なお、吸気バルブ６の開閉タイミングを制御
することで同様の効果を得る内部EGR制御も併用され得
る。

【００２２】エンジン１のインジェクタ５には、燃料タ
ンク２９に貯蔵された燃料が送出用の低圧フューエルポ
ンプ３０によって送出され、これがフューエルフィルタ
３１を経過して高圧フューエルポンプ３２によって高圧
化された後に供給される。このエンジン１は希薄燃焼可
能なものであり、良好な希薄燃焼（成層燃焼）を行わせ
るために圧縮行程中のシリンダ３内に燃料を直接噴射し
て成層燃焼に適した状態を形成させなくてはならず、そ
のために燃料を高圧にしてからインジェクタ５によって
噴射する。

【００２３】インジェクタ５に付随して、精密な制御を
行うために燃料の圧力を検出する燃圧センサ３３も配設
されている。高圧フューエルポンプ３２は、エンジン１
の動力、即ち、排気バルブ８側のカムシャフトの回転を
利用して燃料を高圧化している。なお、コールドスター
トインジェクタ１７に対しては、低圧フューエルポンプ
３０によって送出された燃料がそのまま供給される。

【００２４】燃料タンク２９に付随して、燃料タンク２
９内で蒸発した燃料を捕集するチャコールキャニスタ３
４が配設されている。チャコールキャニスタ３４は、内
部に活性炭フィルタを有しており、この活性炭フィルタ
で蒸発燃料を捕集する。そして、捕集された燃料は、パ
ージコントロールバルブ３５によってパージ量を制御さ
れつつ、吸気通路４にパージされてシリンダ３内で燃焼
される。なお、燃料タンク２９には、燃料噴射されなか
った残りの燃料を燃料タンクに戻すリターンパイプ３６
も取り付けられている。

【００２５】上述した点火プラグ２、インジェクタ５、
スロットルポジションセンサ１０、アクセルポジション
センサ１２、スロットルモータ１３、バキュームセンサ
１５、コールドスタートインジェクタ１７、DCモータ２
０、可変バルブタイミング機構２１のアクチュエータ、
カムポジションセンサ２２、クランクポジションセンサ
２３、ノックセンサ２５、水温センサ２６、空燃比セン
サ２８，４０、パージコントロールバルブ３５、EGRバ
ルブ４４、吸気温センサやその他のアクチュエータ類・
センサ類は、エンジン１を総合的に制御する電子制御ユ
ニット（ＥＣＵ）３７と接続されている。

【００２６】なお、図１に示されるシステムでは、ＥＣ
Ｕ３７とインジェクタ５との間に電子制御ドライブユニ
ット(ＥＤＵ)３８が設けられている。ＥＤＵ３８は、Ｅ
ＣＵ３７からの駆動電流を増幅して、高電圧・大電流に
よってインジェクタ５を駆動するためのものである。こ
れらのアクチュエータ類・センサ類は、ＥＣＵ３７から
の信号に基づいて制御され、あるいは、検出結果をＥＣ
Ｕ３７に対して送出している。ＥＣＵ３７は、内部に演
算を行うＣＰＵや演算結果などの各種情報量を記憶する
ＲＡＭ、バッテリによってその記憶内容が保持されるバ
ックアップＲＡＭ、各制御プログラムを格納したＲＯＭ
等を有している。ＥＣＵ３７は、吸気通路内圧力や空燃
比などの各種情報量に基づいてエンジン１を制御する。

【００２７】始動時触媒２７の酸素吸蔵作用について簡
単に説明する。

【００２８】始動時触媒２７として用いられる三元触媒
は、セリア(CeO₂)等の成分を有しており、排気ガス中の
浄化すべき成分を酸化・還元する性質に加えて、排気ガ
ス中の酸素を吸蔵・放出する性質を有している。この酸
素吸蔵作用を利用することによって、始動時触媒２７に
流入する排気ガスの排気空燃比がリーンの時は、排気ガ
ス中の酸素を始動時触媒２７で吸蔵して還元雰囲気寄り
の状態を形成させ、余剰の窒素酸化物NOxの還元を促進
することができる。

【００２９】一方、始動時触媒２７に流入する排気ガス
の排気空燃比がリッチの時は、吸蔵しておいた酸素を放
出して、余剰の一酸化炭素COや炭化水素HCを酸化して排
気ガス浄化を促進させることができる。このように、酸
素を吸蔵・放出する性質を利用して、排気ガスの浄化率
を向上させることができる。酸素吸蔵量を的確に制御す
れば、より効果的な排気浄化を行うことができる。酸素
吸蔵量の推定は、始動時触媒２７に流入する排気ガスの
酸素濃度を上流側空燃比センサ２８によって検出し、こ
の検出された酸素濃度から始動時触媒２７が吸蔵・放出
する酸素吸脱量を算出・積算することによって得られ
る。

【００３０】また、始動時触媒２７の酸素吸蔵能力（最
大酸素吸蔵量とも言う）は始動時触媒２７の状況（温度
や劣化状況など）によって変動し得る。このため、始動
時触媒２７の酸素吸蔵能力も逐次推定更新される。酸素
吸蔵能力の推定は、積算更新されている酸素吸蔵量と下
流側空燃比センサ４０の出力とから推定する。

【００３１】始動時触媒２７がその能力一杯にまで酸素
を吸蔵していれば、それ以上酸素を吸蔵できないので余
剰の酸素が始動時触媒２７の下流側に流出する。これを
下流側空燃比センサ４０によって検出する。同様に、始
動時触媒２７が完全に酸素を放出しきっていれば、酸化
すべき成分が排気ガス中にあっても酸素を放出できない
ので、酸化すべき成分が始動時触媒２７の下流側に流出
する。これを下流側空燃比センサ４０によって検出す
る。このようにして酸素吸蔵量の上下限値を求め、その
差分をとれば酸素吸蔵能力を得ることができる。

【００３２】このようにして推定した酸素吸蔵量や酸素
吸蔵能力を用いて排気浄化制御（排気浄化を好適に行え
るような空燃比制御）を行うことによって、排気浄化効
率を向上させることができる。しかし、この始動時触媒
２７の浄化（酸化還元）反応や上述した酸素吸脱反応に
よって、下流側のNOx吸蔵還元型触媒３９のNOx吸蔵量な
どが推定しにくくなる。このとき、NOx吸蔵還元型触媒
３９の直前にさらに空燃比センサを取り付ければ、NOx
吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスの組成を正確に検出
することはできる。

【００３３】しかし、一対の上流側空燃比センサ２８及
び下流側空燃比センサ４０に加えてさらに空燃比センサ
を増やすことは、コスト的に厳しいものがある。そこ
で、NOx吸蔵還元型触媒３９を制御する上で、始動時触
媒２７が存在することによって生じてしまう弊害を解消
するのが本実施形態の排気浄化装置である。これについ
ては、追って詳述する。

【００３４】次に、NOx吸蔵還元型触媒３９について説
明する。

【００３５】NOx吸蔵還元型触媒３９は、表面にアルミ
ナの薄膜層がコーティングされた担体上に、白金やパラ
ジウムやロジウムなどの貴金属の他にアルミナコーティ
ング層上に、アルカリ金属（Ｋ，Ｎａ，Ｌｉ，Ｃｓな
ど）、アルカリ土類金属（Ｂａ，Ｃａなど）又は希土類
元素（Ｌａ，Ｙなど）などをもさらに担持させ、エンジ
ンがリーン空燃比で運転されたときに排気ガス中に含ま
れるNOxを吸蔵させることができるようにしたものであ
る。このため、NOx吸蔵還元型触媒３９は、通常の三元
触媒としての機能、即ち、理論空燃比近傍で燃焼された
ときの排気ガス内のHC,CO,NOxを浄化する機能に加え
て、排気ガス中に含まれる還元されないNOxを吸蔵する
ことができる。

【００３６】NOx吸蔵還元型触媒３９に吸蔵されたNOx
は、リッチ空燃比あるいは理論空燃比（ストイキ空燃
比）で燃焼されたときに放出され、排気ガス中のHC,CO
によって還元されて浄化される（このときHC,COは同時
に酸化されて浄化される）。このため、NOx吸蔵還元型
触媒３９のNOx吸蔵量が一杯に近づいたと判断されたと
きは、リッチ空燃比で短時間エンジンを運転して吸蔵さ
れたNOxを還元させる、いわゆるリッチスパイク運転が
強制的に行われる場合もある。

【００３７】また、NOx吸蔵還元型触媒３９は、上述し
たように、NOxよりもSOxを安定的に吸蔵してしまうとい
う性質を有しており、これによってSOx被毒現象が生じ
る。このような場合も、リッチスパイク運転を行い、NO
x吸蔵還元型触媒３９に吸蔵されてしまったSOxを強制的
に脱離させる。この結果、NOx吸蔵還元型触媒３９のNOx
吸蔵還元に用いられる容量（NOx吸蔵可能量）が拡大
し、排気ガス中のNOxの浄化率を向上させることができ
る。

【００３８】例えば、運転状態によっては、上述したリ
ッチスパイク運転ができない場合もあるので、NOx吸蔵
還元型触媒３９のNOx吸蔵可能量は大きい方が良く、吸
蔵可能量が大きければ、NOxを吸蔵しきれないで下流側
にNOxを流出させてしまうことを回避することができ
る。特に、リーンバーン運転を行うと、排気ガス中のNO
x量は増加する傾向がある。NOx吸蔵還元型触媒３９は、
このようなリーンバーン時に発生するNOxを吸蔵してお
き、後からこれを浄化できるときに放出して浄化するこ
とによって、排気浄化性能を向上させるものである。

【００３９】このとき、始動時触媒２７の酸素吸蔵量や
酸素吸蔵能力と同様に、NOx吸蔵還元型触媒３９のNOx吸
蔵量やNOx吸蔵能力を正確に推定できれば、これらを用
いて排気浄化率を向上させる制御を行うことができる。
NOx吸蔵量やNOx吸蔵能力の推定は、基本的には始動時触
媒２７における酸素吸蔵量や酸素吸蔵能力の推定と同様
である。しかし、NOx吸蔵還元型触媒３９の直前に空燃
比センサが配設されていないので、NOx吸蔵還元型触媒
３９に流入する排気ガスによるNOx吸脱量を推定し、こ
れを積算することによって得られる。

【００４０】また、ここでは、NOx吸脱量算出時に、そ
の時点でのNOx吸蔵量も加味する。例えば、後述するNOx
吸蔵能力に対してその時点でのNOx吸蔵量が少なければ
少ないほど、NOxは吸蔵されやすくなる。反対に、NOx吸
蔵能力のほぼ一杯までNOxを吸蔵しているような場合
は、新たなNOx吸蔵は生じにくくなる。

【００４１】NOx吸蔵能力（最大NOx吸蔵量ともいう）に
ついては、積算更新されているNOx吸蔵量と下流側空燃
比センサ４０の出力とから推定する。NOx吸蔵還元型触
媒３９がその能力一杯にまでNOxを吸蔵していれば、そ
れ以上NOxを吸蔵できないので余剰のNOxがNOx吸蔵還元
型触媒３９の下流側に流出する。これを下流側空燃比セ
ンサ４０によって検出する。同様に、NOx吸蔵還元型触
媒３９が完全にNOxを放出しきっていれば、NOxが放出さ
れ得る状況下であってもNOxが放出されない。これを下
流側空燃比センサ４０によって検出する。このようにし
てNOx吸蔵量の上下限値を求め、その差分をとればNOx吸
蔵能力を得ることができる。

【００４２】始動時触媒２７の酸素吸蔵量とNOx吸蔵還
元型触媒３９のNOx吸蔵量とを算出する制御のフローチ
ャートを図２に示す。まず、上流側空燃比センサ２８に
よって始動時触媒２７に流入する排気ガスの排気空燃比
を検出する（ステップ１００）。次に、検出した排気空
燃比がリーンであるか否かを判定する（ステップ１１
０）。始動時触媒２７やNOx吸蔵還元型触媒３９に流入
する排気ガスの排気空燃比がリーンであれば酸素やNOx
が各触媒に吸蔵され、リッチであれば脱離する。このた
め、ステップ１１０が肯定される場合、即ち、排気空燃
比がリーンである場合は、酸素吸脱モデルに基づいて、
始動時触媒２７に吸蔵される酸素吸脱量（吸蔵分）を算
出する（ステップ１２０）。

【００４３】酸素吸脱モデルとは、各種センサによって
検出された値を元に、始動時触媒２７での酸素吸脱反応
を数学的モデルを用いて算出するものである。本実施形
態においては、バキュームセンサ１５によって検出され
た吸気管内負圧から求められる吸入空気量と上流側空燃
比センサ２８によって検出された排気空燃比との関数と
して酸素吸脱量（吸蔵分）が算出される。なお、酸素吸
脱量は、吸蔵分であるときは正の値をとり、脱離分であ
るときは負の値をとる。

【００４４】ステップ１２０に続いて、NOx吸脱モデル
に基づいて、NOx吸蔵還元型触媒３９に吸蔵されるNOx吸
脱量（吸蔵分）を算出する（ステップ１３０）。NOx吸
脱モデルも、各種センサによって検出された値や上述し
た酸素吸脱モデルによって得られた値を元に、NOx吸蔵
還元型触媒３９でのNOx吸脱反応を数学的モデルを用い
て算出するものである。本実施形態においては、インジ
ェクタ５によって噴射された燃料噴射量とクランクポジ
ションセンサ２３の検出結果から得られるエンジン回転
数との関数としてNOx吸脱量（吸蔵分）が算出される。
なお、NOx吸脱量も、吸蔵分であるときは正の値をと
り、脱離分であるときは負の値をとる。

【００４５】一方、ステップ１１０が否定される場合、
即ち、排気空燃比がリッチ、あるいはストイキである場
合は、始動時触媒２７から脱離する酸素吸脱量（脱離
分）を算出する（ステップ１４０）。酸素吸脱量（吸蔵
分）は、吸入空気量と排気空燃比とに関連づけられたマ
ップから得られる。さらに、ステップ１４０の後、その
時点での始動時触媒２７に吸蔵されている酸素吸蔵量
が、NOx吸蔵還元型触媒３９に吸蔵されているNOxを還元
するのに必要な還元剤量を酸化可能な酸素量（NOx還元
抑止O₂量）より小さいか否かを判定する。酸素吸蔵量
が、NOx還元抑止O₂量以上であると、排気ガス中のリッ
チ成分のほとんどが始動時触媒２７において酸素を脱離
させるために用いられてしまい、NOx吸蔵還元型触媒３
９においてNOxを脱離させることができなくなってしま
う。

【００４６】ステップ１５０が肯定される場合、即ち、
NOx吸蔵還元型触媒３９に吸蔵されたNOxが脱離されるよ
うな状況であると判断される場合は、NOx吸脱モデルに
基づいて、NOx吸蔵還元型触媒３９から脱離するNOx吸脱
量（脱離分）を算出する（ステップ１６０）。NOx吸脱
量（脱離分）も、吸入空気量と排気空燃比とに関連づけ
られたマップから得られる。一方、ステップ１５０が否
定される場合は、NOx吸蔵還元型触媒３９からNOxは脱離
しないと判断でき、ステップ１６０は行われずに次のス
テップに進む。

【００４７】ステップ１３０又はステップ１６０に続い
て、あるいは、ステップ１５０が否定された後、酸素吸
蔵量が更新される（ステップ１７０）。酸素吸蔵量の更
新は、酸素吸蔵量の前回値に対して酸素吸脱量を積算
（実際は、吸蔵であれば加算され、脱離であれば減算と
なる）することによって得られる。ステップ１７０の
後、同様にしてNOx吸蔵量が更新される（ステップ１８
０）。NOx吸蔵量の更新も、NOx吸蔵量の前回値に対して
NOx吸脱量を積算（実際は、吸蔵であれば加算され、脱
離であれば減算となる）することによって得られる。

【００４８】即ち、ここで算出されるNOx吸蔵量は、NOx
吸蔵還元型触媒３９に流入する特定成分としてNOxに注
目した際に、この特定成分であるNOx量の積算値として
得られる。このNOx量を得るための各種センサや演算処
理を行うＥＣＵ３７などが特定成分算出手段として機能
している。そして、本実施形態では、このようにして算
出されるNOx吸蔵量（特定成分であるNOx量の積算値）に
基づいて、上述したリッチスパイク運転の実行時期を決
定する。このリッチスパイク運転の実行決定に関するフ
ローチャートを図３に示す。

【００４９】まず、上流側空燃比センサ２８によって始
動時触媒２７の上流側の排気空燃比を検出する（ステッ
プ２００）。次いで、検出した排気空燃比がリーンであ
るか否かを判定する（ステップ２１０）。ステップ２１
０が肯定される場合、即ち、リーンである場合は、NOx
吸蔵還元型触媒３９のNOx吸蔵量を読み込む（ステップ
２２０）。このとき読み込まれるNOx吸蔵量は、上述し
た図２に示されるフローチャートの制御によって算出さ
れているものである。次いで、この現在のNOx吸蔵量がN
Ox吸蔵能力の所定割合より大きいか否かを判定する（ス
テップ２３０）。

【００５０】ここでは、この所定割合は定数Ｋによって
決定されている。例えば、Ｋ＝０．８であれば、ステッ
プ２３０が肯定される場合は、NOx吸蔵可能量の８０％
にあたるNOxが既に吸蔵されていることになる。この定
数Ｋは予め決定されている。このように、ステップ２３
０が肯定される場合は、NOx吸蔵還元型触媒３９の吸蔵
能力のほとんどを用いてNOxを吸蔵している状態である
と判断できるので、リッチスパイク運転の開始処理を行
う（ステップ２４０）。

【００５１】リッチスパイク運転を行うことによって、
NOx吸蔵還元型触媒３９に吸蔵されているNOxが離脱還元
（浄化）され、NOx吸蔵還元型触媒３９のNOx吸蔵能力に
余裕が確保される。なお、ステップ２３０が否定される
場合は、NOx吸蔵還元型触媒３９はまだNOxを吸蔵する能
力に余裕がある状態であると判断できる。このような場
合は、そのまま図３に示されるフローチャートを終了
し、リッチスパイク運転の開始処理は行われない。

【００５２】一方、ステップ２１０が否定される場合
は、次に検出した排気空燃比がリッチであるか否かを判
定する（ステップ２５０）。ステップ２５０が肯定され
る場合、即ち、リッチである場合は、NOx吸蔵還元型触
媒３９のNOx吸蔵量を読み込む（ステップ２６０）。こ
のとき読み込まれるNOx吸蔵量は、上述した図２に示さ
れるフローチャートの制御によって算出されているもの
である。次いで、この現在のNOx吸蔵量が予め設定され
た所定の基準値より小さいか否かを判定する（ステップ
２７０）。

【００５３】この所定基準値は、NOx吸蔵還元型触媒３
９のNOx吸蔵能力に十分な余裕が確保されているか否か
を判定する基準となる値として設定されている。このた
め、ステップ２７０が肯定される場合、即ち、NOx吸蔵
還元型触媒３９のNOx吸蔵能力に既に十分な余裕が確保
されていると判断できる場合は、リッチスパイク運転の
終了処理を行う（ステップ２８０）。なお、ステップ２
７０が否定される場合は、NOx吸蔵還元型触媒３９のNOx
吸蔵能力にまだ十分な余裕が確保されていないと判断で
きる。このような場合は、そのまま図３に示されるフロ
ーチャートを終了し、リッチスパイク運転の終了処理は
行われない。

【００５４】また、ステップ２５０が否定される場合
は、そのまま図３に示されるフローチャートを終了し、
リッチスパイク運転の開始処理も終了処理も行われな
い。このように、本実施形態では、NOx吸蔵量（特定成
分であるNOxの積算量）に基づいて、リッチスパイクの
実行時期が決定される。このため、NOx吸蔵還元型触媒
３９に流入するNOx量の積算値、即ち、NOx吸蔵還元型触
媒３９に吸蔵されているNOx吸蔵量に基づいて的確な時
期にリッチスパイク運転を実行することができる。この
結果、NOx吸蔵量を正確に推定し、この正確に推定したN
Ox量に基づいてリッチスパイクの実行時期を決定できる
ので、NOx吸蔵還元型触媒３９のNOx吸蔵作用を効果的に
利用してより効果的な排気浄化を行うことができる。

【００５５】さらに、本実施形態においては、NOx吸蔵
還元型触媒３９に流入する還元成分の量に基づいて、リ
ッチスパイク時のリッチ度合いが決定、あるいは、実行
中のリッチスパイク運転のリッチ度合いが修正される。
ここに言う還元成分とは、リッチスパイク実行時にNOx
吸蔵還元型触媒３９に吸蔵されているNOxを還元させる
成分のことであり、具体的には、炭化水素HCや一酸化炭
素COのことである。また、ここに言うリッチ度合いと
は、どの程度リッチであるか、ストイキ寄りなのか、強
リッチなのか、のことである。

【００５６】即ち、NOx吸蔵還元型触媒３９に流入する
排気ガス中に上述した還元成分が少ないようであれば、
リッチスパイク運転によってNOx吸蔵還元型触媒３９に
吸蔵されたNOxを離脱させたり、NOx吸蔵還元型触媒３９
のSOx被毒を解消することはできない。そこで、このよ
うな場合は、リッチ度合いをよりリッチに設定（修正）
し、NOx吸蔵還元型触媒３９に対してリッチスパイク運
転の効果が確実に発現されるようにする。

【００５７】反対に、NOx吸蔵還元型触媒３９に流入す
る排気ガス中に上述した還元成分が多いようであれば、
リッチスパイク運転の効果はNOx吸蔵還元型触媒３９に
対して十分に作用するかもしれないが、余分の還元成分
が浄化されずにNOx吸蔵還元型触媒３９から下流側に流
出するおそれがある。そこで、このような場合は、リッ
チ度合いをストイキ寄りのリッチ（弱リッチ）に設定
（修正）し、NOx吸蔵還元型触媒３９に対してリッチス
パイク運転の効果が適切に発現されるようにする。

【００５８】なお、このようにリッチ度合いを制御する
際に、燃焼時の空燃比を制御する以外に、排気行程に燃
料噴射を行って制御することも可能である。排気行程で
燃料噴射を行うことによって排気ガス中の還元成分（特
に炭化水素HC）を増やしてリッチ度合いを高めることが
できる。また、本発明は、排気ガス中の還元成分に基づ
いてリッチ度合いを決定したが、リッチ度合い以外にリ
ッチスパイク運転の長さなどを含めた、いわゆるリッチ
プロファイルを変更することも考えられる。

【００５９】さらに、始動時触媒２７の酸素吸蔵量に応
じてリッチプロファイルを変更したり、始動時触媒２７
の温度に応じてリッチプロファイルを変更することも考
えられる。あるいは、始動時触媒の劣化度に応じてリッ
チプロファイルを変更してもよい。始動時触媒２７の状
況によって、下流側に位置するNOx吸蔵還元型触媒３９
へのリッチスパイク運転の影響が異なるからである。こ
のようにすることで、燃費悪化を抑止しつつNOx吸蔵還
元型触媒３９に吸蔵されたNOxを効率よく還元させるこ
とができる。この結果、NOx吸蔵還元型触媒３９のNOx吸
蔵作用を効果的に利用できるようになり、排気浄化性能
を向上させることが可能となる。

【００６０】

【発明の効果】本発明の排気浄化装置によれば、上流側
排気浄化触媒から流入してNOx吸蔵還元型触媒に流入す
る排気ガス中の特定成分量を特定成分算出手段によって
算出する。そして、この特定成分算出手段よって算出さ
れた特定成分量に関する値に基づいてリッチスパイク運
転を制御するので、NOx吸蔵還元型触媒に対して有効・
的確なリッチスパイク運転を行うことができる。この結
果、燃費悪化を抑止しつつ、NOx吸蔵還元型触媒を最適
な状態に維持して、排気浄化性能をより効果的に発揮さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の排気浄化装置の一実施形態を有する内
燃機関の構成図である。

【図２】本発明の排気浄化装置の一実施形態によるNOx
吸蔵量算出制御のフローチャートである。

【図３】本発明の排気浄化装置の一実施形態によるリッ
チスパイク開始制御のフローチャートである。

【符号の説明】１…エンジン（内燃機関）、３…シリンダ、４…吸気通
路、７…排気通路、８…排気バルブ、１６…噴霧ノズ
ル、２７…始動時触媒（上流側排気浄化触媒）、２８…
上流側空燃比センサ、２９…燃料タンク、３７…ＥＣＵ
（特定成分算出手段・リッチスパイク制御手段）、３９
…NOx吸蔵還元型触媒、４０…下流側空燃比センサ、４
１…固形化剤タンク、４２…噴霧ポンプ、４３…外部EG
R通路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０１Ｎ 3/28 ３０１Ｆ０１Ｎ 3/28 ３０１Ｃ３０１ＧＦ０２Ｄ 41/14 ３１０Ｆ０２Ｄ 41/14 ３１０Ｃ３１０Ｊ 45/00 ３１４ 45/00 ３１４Ｚ (72)発明者加藤直人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)発明者片山章弘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)発明者松本健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)発明者馬場直樹愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者小島晋爾愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内Ｆターム(参考） 3G084 AA03 AA04 BA05 BA09 BA13 BA21 BA23 BA24 CA02 DA10 DA38 EB11 EB12 EB14 FA02 FA10 FA11 FA20 FA25 FA26 FA28 FA29 FA33 FA37 FA38 3G091 AA02 AA11 AA12 AA13 AA17 AA24 AA28 AB03 AB04 AB06 AB09 BA01 BA11 BA14 CB02 CB03 CB05 DA01 DA02 DA10 DB06 DB10 DC01 DC03 DC06 DC07 EA01 EA02 EA03 EA06 EA07 EA08 EA09 EA10 EA16 EA33 EA34 FA02 FB02 FB05 FB07 FB09 FB10 FB12 FC01 FC07 GB02W GB03W GB04W GB06W GB07W GB10W GB10X HA08 HA10 HA36 HA37 HA42 HB05 3G301 HA04 HA13 HA15 HA19 JA25 JA26 KA05 LA01 LA05 LA07 LB04 LB06 LB07 LC03 MA01 MA14 NA04 NA06 NA08 ND18 NE13 NE15 PA07Z PA11Z PA15Z PC08B PE01Z PE03Z PE08Z PE10Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の排気ガスを浄化する内燃機関
の排気浄化装置において、排気通路上に配設されたNOx吸蔵還元型触媒と、前記NOx
吸蔵還元型触媒よりも上流側の前記排気通路上に配設さ
れた上流側排気浄化触媒と、前記上流側排気浄化触媒か
ら流出して前記NOx吸蔵還元型触媒に流入する少なくと
も一つの特定成分についての成分量を算出する特定成分
算出手段と、前記特定成分算出手段によって算出された
成分量に関する値に基づいてリッチスパイク制御を行う
リッチスパイク制御手段とを備えていることを特徴とす
る内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】前記特定成分推定手段によって成分量が
算出される特定成分がNOxであり、前記リッチスパイク
制御手段が、前記特定成分推定手段によって算出された
NOx量の積算値に基づいて、リッチスパイク制御の実行
時期を決定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。
【請求項３】前記特定成分推定手段によって成分量が
算出される特定成分がリッチスパイク実行時にNOx吸蔵
還元型触媒に吸蔵されたNOxを還元させる還元成分であ
り、前記リッチスパイク制御手段が、前記特定成分推定
手段によって算出された還元成分量に基づいて、リッチ
スパイク制御時のリッチ度合いを決定又は修正すること
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。