JP2005030301A

JP2005030301A - 内燃機関の排気浄化システム

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Publication number: JP2005030301A
Application number: JP2003196111A
Authority: JP
Inventors: Kohei Yoshida; 耕平吉田; Shinya Hirota; 信也広田; Takamitsu Asanuma; 孝充浅沼; Toshisuke Toshioka; 俊祐利岡; Yasuaki Nakano; 泰彰仲野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2003-07-11
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2023-07-11
Also published as: JP4341317B2

Abstract

【課題】本発明は、内燃機関から排出される排気に含まれるＮＯｘをより確実に浄化して、ＮＯｘがＮＯｘ触媒をすり抜けて大気に放出されることを抑制する内燃機関の排気浄化システムを提供する。
【解決手段】三元機能によるＮＯｘ浄化能力を有する吸蔵還元型のＮＯｘ触媒を排気通路に備える内燃機関の排気浄化システムにおいて、ＮＯｘ触媒においてＮＯｘを吸蔵、還元することにより浄化する条件が成立していると判定されるときは（Ｓ１０３、Ｓ１０５）、排気中のＮＯｘが該ＮＯｘ触媒に吸蔵、還元されるべく排気の空燃比を調整し、ＮＯｘ触媒においてＮＯｘを吸蔵、還元することにより浄化する条件が成立していないと判定されるときは、該ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をストイキに調整する（Ｓ１０４、Ｓ１０６）。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関から排出される排気の浄化を行う内燃機関の排気浄化システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関、特に希薄燃焼を行う内燃機関から排出される排気に含まれるＮＯｘを浄化するために、リーン雰囲気下で排気中のＮＯｘを吸蔵し、還元剤の存在下となるリッチ雰囲気の下で、吸蔵されたＮＯｘを還元する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、「ＮＯｘ触媒」という）が、排気通路に設けられている。しかし、ＮＯｘ触媒へのＮＯｘの吸蔵は、ＮＯｘ触媒の容積や排気の状態に影響される。特に内燃機関の加速時においては、多量のＮＯｘが排出されるため、ＮＯｘ触媒の吸蔵能力が容易に飽和する。そこで、該加速時において常にＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比とすることで吸蔵されているＮＯｘを連続的に還元すると燃費が悪化するため、該加速時においては、ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘ量を推定し、その吸蔵量が所定量を超えるときのみ、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比とすることで、燃費の悪化を抑制する技術が公開されている（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００３】
また、ＮＯｘ触媒がその浄化能力を効率的に発揮するためには、ＮＯｘ触媒の温度を所定の温度範囲内に属するように制御する必要がある。例えば、ＮＯｘ触媒の温度が過度に上昇し、ＮＯｘ触媒の温度が所定の温度範囲内に属しない状態となると、ＮＯｘ触媒へのＮＯｘの吸蔵が効率的に行われずＮＯｘ触媒の排気浄化能力が低下し、浄化が十分に行われていない排気が外気へ放出されることとなる。そこで、ＮＯｘ触媒の温度が過度に上昇した場合には、ＮＯｘがＮＯｘ触媒に吸蔵される内燃機関の運転状態であるリーン運転へ移行する時期を遅延させ、ストイキ若しくはリッチ運転を行う技術が公開されている（例えば、特許文献２を参照。）。
【０００４】
また、ＮＯｘ触媒に流入する排気に還元剤である燃料を供給する場合において、吸気絞り弁を絞ることでＮＯｘ触媒に流入する排気の量を減量させて、ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘを還元するために要する燃料の量を低減させる技術が公開されている（例えば、特許文献３を参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−２８０５５０号公報
【特許文献２】
特開２０００−２５７４７３号公報
【特許文献３】
特開平６−２００７３９号公報
【特許文献４】
特開２００１−５９４１４号公報
【特許文献５】
特開平８−２０００４９号公報
【特許文献６】
特開平１１−１０７８１１号公報
【特許文献７】
特開平６−６６１３５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
排気中のＮＯｘを浄化するために、ＮＯｘ触媒にＮＯｘを吸蔵した後に、ＮＯｘ触媒に流入する場合は、排気に燃料を添加することで、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元する。ここで、ＮＯｘ触媒に流入する排気の流量が多いときや排気に含まれるＮＯｘ濃度が高い場合には、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの吸蔵が効率的に行われず、ＮＯｘがＮＯｘ触媒をすり抜けて大気に放出される虞がある。
【０００７】
本発明は、上記したような問題に鑑みてなされたものであり、ＮＯｘ触媒に流入する排気の流量が多いときや排気に含まれるＮＯｘ濃度が高い場合においても、内燃機関から排出される排気に含まれるＮＯｘをより確実に浄化して、ＮＯｘがＮＯｘ触媒をすり抜けて大気に放出されることを抑制する内燃機関の排気浄化システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【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、ＮＯｘ触媒が有する、ＮＯｘを吸蔵した後に該吸蔵されたＮＯｘをリッチ雰囲気の下、還元してＮＯｘを浄化する排気浄化能力の他に、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比がストイキである場合に発揮される三元機能によってＮＯｘを浄化する排気浄化能力に着目した。三元機能によるＮＯｘ浄化は、ＮＯｘ触媒に流入する排気の流量が多いときや排気に含まれるＮＯｘ濃度が高い場合においても、効率的に行われるからである。ただし、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をストイキに維持する必要があるため、ＮＯｘ浄化に要する燃料量が増加し、燃費が悪化する。
【０００９】
そこで、排気通路に設けられ、排気の空燃比がリーン状態である場合には排気中のＮＯｘを吸蔵し該空燃比をリッチ状態として吸蔵されたＮＯｘを還元することでＮＯｘを浄化するとともに、排気の空燃比がストイキ状態である場合には三元機能によりＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒と、前記ＮＯｘ触媒に流入する排気に含まれるＮＯｘの濃度と該ＮＯｘ触媒に流入する排気の流量の少なくとも何れかに基づいて、前記ＮＯｘ触媒においてＮＯｘを吸蔵、還元することによりＮＯｘを浄化する条件が成立しているか否かを判定するＮＯｘ浄化判定手段と、前記ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を調整する排気空燃比調整手段と、を備える内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記排気空燃比調整手段は、前記ＮＯｘ浄化判定手段によって前記ＮＯｘ触媒においてＮＯｘを吸蔵、還元することによりＮＯｘを浄化する条件が成立していると判定されるときは、排気中のＮＯｘが該ＮＯｘ触媒に吸蔵、還元されるべく排気の空燃比を調整し、前記ＮＯｘ浄化判定手段によって前記ＮＯｘ触媒においてＮＯｘを吸蔵、還元することによりＮＯｘを浄化する条件が成立していないと判定されるときは、該ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をストイキに調整する。
【００１０】
ＮＯｘ触媒は、排気中のＮＯｘを浄化するモードとして、排気がリーン状態であるときは排気中のＮＯｘを吸蔵し、排気がリッチ状態となったときに排気中の燃料成分を還元剤として、ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘを還元して浄化するモード（以下、「吸蔵還元浄化モード」という）と、ＮＯｘ触媒に流入する排気がストイキ状態である場合に発揮される三元機能により排気中のＮＯｘを浄化するモード（以下、「三元浄化モード」という）を有する。
【００１１】
吸蔵還元モードにおいては、内燃機関においてリーン運転が可能となるため、燃費の向上が図れるとともに、吸蔵されたＮＯｘを還元するときにおいてのみＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をリッチ状態とすればよいため、燃費の悪化を抑制することが可能となる。一方で、ＮＯｘ触媒に流入する排気に含まれるＮＯｘの濃度が高い場合やＮＯｘ触媒に流入する排気の流量が多い場合には、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの吸蔵が効率的に行われず、ＮＯｘが大気へ放出される虞がある。
【００１２】
また、三元浄化モードでは、ＮＯｘ触媒においてＮＯｘの吸蔵を行わないため、ＮＯｘ触媒に流入する排気に含まれるＮＯｘの濃度が高い場合やＮＯｘ触媒に流入する排気の流量が多い場合であっても、排気中のＮＯｘの浄化がより確実に行われる。しかし、三元浄化モードにおいては、ＮＯｘ触媒による三元機能を発揮させるために排気の空燃比をストイキ状態に維持する必要があるため、内燃機関の燃費が悪化する。
【００１３】
そこで、前記ＮＯｘ浄化判定手段によって、吸蔵還元浄化モードによるＮＯｘ浄化条件が成立しているか否か、即ちＮＯｘ触媒に流入する排気に含まれるＮＯｘの濃度とＮＯｘ触媒に流入する排気の流量の少なくとも何れかが、ＮＯｘ触媒へのＮＯｘの吸蔵が効率的に行われる状態となっているか否かを判定する。そして、該条件が成立していると判定されるときは、ＮＯｘ触媒の吸蔵還元浄化モードによって、ＮＯｘの浄化を行う。一方、該条件が成立していないと判定されるときは、ＮＯｘ触媒の三元浄化モードによって、ＮＯｘの浄化を行う。
【００１４】
このようにすることで、ＮＯｘ触媒に流入する排気の流量が多いときや排気に含まれるＮＯｘ濃度が高い場合においても、内燃機関から排出される排気に含まれるＮＯｘをより確実に浄化して、ＮＯｘがＮＯｘ触媒をすり抜けて大気に放出されることが抑制される。そして、三元浄化モードによるＮＯｘ浄化を上記の条件が成立していないときに限定することで、内燃機関の燃費の悪化を可及的に抑制することも可能となる。
【００１５】
ここで、ＮＯｘ触媒において、吸蔵還元浄化モードと三元浄化モードのいずれの浄化モードで排気中のＮＯｘを浄化するかを判定する前記ＮＯｘ浄化判定手段においては、先述したように、ＮＯｘ触媒に流入する排気のＮＯｘ濃度と該排気の流量が重要な判定要素となる。そこで、前記ＮＯｘ浄化判定手段は、前記ＮＯｘ触媒に流入する排気に含まれるＮＯｘの濃度が所定の濃度より低いこと、および／または該ＮＯｘ触媒に流入する排気の流量が所定の流量より少ないことを条件として、該ＮＯｘ触媒においてＮＯｘを吸蔵、還元することによりＮＯｘを浄化する条件が成立していると判定する。
【００１６】
従って、前記ＮＯｘ浄化判定手段は、前記ＮＯｘ触媒に流入する排気に含まれるＮＯｘの濃度が前記所定の濃度以上であること、または／および該ＮＯｘ触媒に流入する排気の流量が前記所定の流量以上であることを条件として、該ＮＯｘ触媒に排気中のＮＯｘが吸蔵され該排気の空燃比をリッチ空燃比とすることで該ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元する条件が成立していないと判定する。
【００１７】
即ち、ＮＯｘ触媒によるＮＯｘの吸蔵効率に着眼したものである。排気中のＮＯｘ濃度が所定の濃度より高い場合、または排気の流量が所定の流量より多い場合には、ＮＯｘ触媒に流入するＮＯｘ量が増大するために、結果的にＮＯｘ触媒によるＮＯｘの吸蔵が十分に行われず、ＮＯｘがＮＯｘ触媒をすり抜けて大気へ放出される。そこで、このような場合には、ＮＯｘ触媒の吸蔵還元浄化モードではなく、三元浄化モードによって、排気中のＮＯｘを浄化する。
【００１８】
また、ＮＯｘ触媒判定手段において、ＮＯｘ触媒に単位時間に流入する排気中のＮＯｘ量に着眼して、該排気のＮＯｘ濃度と該排気の流量との積の値を判断基準として、該積の値が所定の値より高い場合には、前記ＮＯｘ触媒においてＮＯｘを吸蔵、還元することによりＮＯｘを浄化する条件が成立していないと判定してもよい。
【００１９】
ここで、ＮＯｘ触媒の吸蔵還元浄化モードによるＮＯｘ浄化の効率は、ＮＯｘ触媒の温度にも大きく影響される。そこで、前記ＮＯｘ浄化判定手段は、更に、前前記ＮＯｘ触媒の温度が所定の温度範囲に属していることをもって、該ＮＯｘ触媒においてＮＯｘを吸蔵、還元することによりＮＯｘを浄化する条件が成立していると判定する。
【００２０】
ＮＯｘ触媒の吸蔵還元浄化モードによる触媒機能が効率的に発揮されるためには、ＮＯｘ触媒の温度が活性温度まで上昇している必要がある。更に、ＮＯｘ触媒の温度が過度に上昇していると、該触媒機能が低下する。そこで、ＮＯｘ触媒に流入する排気の濃度および／または該排気の流量に加えて、ＮＯｘ触媒の温度を、吸蔵還元浄化モードによるＮＯｘ浄化の可否の判定要素とするものである。
【００２１】
また、ＮＯｘ触媒の三元浄化モードによる触媒機能が効率的に発揮されるためにも所定の条件が成立している必要がある場合がある。そこで、先述までの内燃機関の排気浄化システムにおいて、少なくとも前記ＮＯｘ触媒の温度が活性温度より高いことをもって、該ＮＯｘ触媒の三元機能により排気中のＮＯｘを浄化する条件が成立していると判定する三元機能ＮＯｘ浄化判定手段を、更に備える。そして、前記空燃比調整手段は、前記ＮＯｘ浄化判定手段によって前記ＮＯｘ触媒においてＮＯｘを吸蔵、還元することによりＮＯｘを浄化する条件が成立していないと判定され、更に、前記三元機能ＮＯｘ浄化判定手段によって該ＮＯｘ触媒の三元機能により排気中のＮＯｘを浄化する条件が成立していると判定されるときに、該ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をストイキに調整する。
【００２２】
先述したように、ＮＯｘ触媒の三元浄化モードによる触媒機能は、ＮＯｘ触媒に流入する排気のＮＯｘ濃度や該排気の流量には影響されにくいが、ＮＯｘ触媒の温度が活性温度以上である必要がある。ＮＯｘ触媒の温度が活性温度以上となっていない状態で、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をストイキ状態として、三元浄化モードによってＮＯｘの浄化を行うと、排気中の燃料成分がＮＯｘと十分に反応しないため、排気中のＮＯｘに加えて燃料成分も大気へ放出される。そこで、ＮＯｘ触媒の温度を三元浄化モードによるＮＯｘ浄化の可否の判定要素とするものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
ここで、本発明に係る内燃機関の排気浄化システムの実施の形態について図面に基づいて説明する。図１は、本発明が適用される排気浄化システム、該排気浄化システムを含む内燃機関１およびその制御系統の概略構成を表すブロック図である。
【００２４】
内燃機関１は、４つの気筒２を有する内燃機関である。また、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。燃料噴射弁３は、燃料を所定圧に蓄圧する蓄圧室４と接続されている。蓄圧室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。
【００２５】
次に、内燃機関１には吸気枝管７が接続されており、吸気枝管７の各枝管は、気筒２の燃焼室と吸気ポートを介して連通している。ここで、気筒２の燃焼室と吸気ポートとの連通は、吸気弁の開閉によって行われる。また、吸気枝管７は吸気管８に接続されている。
【００２６】
一方、内燃機関１には排気枝管９が接続され、排気枝管９の各枝管が排気ポートを介して気筒２の燃焼室と連通している。ここで、気筒２の燃焼室と排気ポートとの連通は、排気弁の開閉によって行われる。また、排気枝管９には、排気枝管９を流れる排気に対して燃料を添加する燃料添加弁２１が設けられている。
【００２７】
また、前記排気枝管９は、排気管１０と接続され、この排気管１０は、下流にてマフラー（図示略）に接続されている。更に、排気管１０の途中には、内燃機関１から排出される排気中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒１１が設けられている。ＮＯｘ触媒１１は、吸蔵還元浄化モードによるＮＯｘの浄化と、三元浄化モードによるＮＯｘの浄化を行う。これらのＮＯｘの浄化は、ＮＯｘ触媒１１に流入する排気の空燃比に依存し、該排気の空燃比は、燃料添加弁２１によって排気に燃料を添加することで調整される。また、燃料添加弁２１による排気への燃料添加の他にも、気筒２における燃焼条件を制御することで、気筒２より排出される排気の空燃比を調整してもよい。
【００２８】
ここで、燃料噴射弁３および燃料添加弁２１は、電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）２０からの制御信号によって開閉動作を行う。即ち、ＥＣＵ２０からの指令によって、燃料噴射弁３および燃料添加弁２１における燃料の噴射時期および噴射量が弁毎に制御される。
【００２９】
更に、アクセル開度センサ２５がＥＣＵ２０と電気的に接続されており、ＥＣＵ２０はアクセル開度に応じた信号を受け取り、それより内燃機関１にかかる機関負荷等を算出する。また、クランクポジションセンサ２４がＥＣＵ２０と電気的に接続されており、ＥＣＵ２０は内燃機関１の出力軸の回転角に応じた信号を受け取り、内燃機関１の機関回転速度等を算出する。
【００３０】
また、ＮＯｘ触媒１１の上流側の排気管１０には、ＮＯｘ触媒１１に流入する排気のＮＯｘ濃度と温度を検出する排気温度センサ２２および排気ＮＯｘセンサ２６が設けられている。更に、ＮＯｘ触媒１１の下流側の排気管１０には、ＮＯｘ触媒１１から流出する排気の空燃比を検出する排気空燃比センサ２３が設けられている。各センサは、ＥＣＵ２０と電気的に接続されている。
【００３１】
これらによって、ＥＣＵ２０は、ＮＯｘ触媒１１に流入する排気の温度、ＮＯｘ濃度およびＮＯｘ触媒１１から流出する排気の空燃比を検出する。そして、ＥＣＵ２０は、ＮＯｘ触媒１１に流入する排気の温度よりＮＯｘ触媒１１の温度を推定し、またＮＯｘ触媒１１から流出する排気の空燃比よりＮＯｘ触媒１１内の排気の空燃比を推定する。また、ＥＣＵ２０は、アクセル開度センサ２５からの信号に基づいて検出される内燃機関１の機関負荷と、クランクポジションセンサ２４からの信号に基づいて検出される内燃機関１の機関回転速度とから、気筒２から排出されＮＯｘ触媒１１に流入する排気の流量、即ち排気管１０を流れる排気の流量を推定する。
【００３２】
これらのセンサとＮＯｘ触媒１１、燃料添加弁２１、ＥＣＵ２０等で構成される排気浄化システムによって、内燃機関１から排出される排気中のＮＯｘの浄化が行われる。ここで、ＮＯｘ触媒１１によるＮＯｘの浄化については、先述した吸蔵還元浄化モードによるＮＯｘ浄化と三元浄化モードによるＮＯｘ浄化がある。吸蔵還元浄化モードによるＮＯｘ浄化においては、内燃機関１においてリーン運転が可能であること、またＮＯｘ触媒１１に吸蔵されたＮＯｘを還元するときに排気の空燃比をリッチ状態とすればよいことにより、三元浄化モードによるＮＯｘ浄化と比べて、内燃機関１の燃費の悪化が抑制される。尚、ＮＯｘ触媒１１によるＮＯｘ浄化の程度をＮＯｘ浄化率と表現し、該ＮＯｘ浄化率は、ＮＯｘ触媒１１に流入する排気のＮＯｘ濃度に対する、該ＮＯｘ濃度とＮＯｘ触媒１１から流出する排気のＮＯｘ濃度との差の割合で定義される。
【００３３】
しかし、ＮＯｘ触媒１１においては、吸蔵還元浄化モードによるＮＯｘ浄化率は、ＮＯｘ触媒１１に流入する排気の状態やＮＯｘ触媒１１の温度に依存する。ここで、ＮＯｘ触媒１１の吸蔵還元浄化モードによるＮＯｘ浄化率と、ＮＯｘ触媒１１に流入する排気の状態やＮＯｘ触媒１１の温度との関係について、図２および図３に基づいて説明する。
【００３４】
図２は、ＮＯｘ触媒１１の温度がＴ０であるときの、ＮＯｘ触媒１１の吸蔵還元浄化モードによるＮＯｘ浄化率と、ＮＯｘ触媒１１に流入する排気のＮＯｘ濃度との関係を示すグラフである。グラフの縦軸は該ＮＯｘ浄化率を、横軸は該ＮＯｘ濃度を示す。ＮＯｘ触媒１１のＮＯｘ浄化率と該ＮＯｘ濃度との関係は、ＮＯｘ触媒１１の温度に依存しており、ＮＯｘ触媒１１の温度が同一のである場合において、該ＮＯｘ濃度が高くなるに従い低下する傾向がある。図２は、その一例を示すものである。例えば、図中線Ｌ１は、ＮＯｘ触媒１１の温度がＴ０のときのＮＯｘ浄化率の推移を、図中線Ｌ２は、ＮＯｘ触媒１１の温度がＴ１、Ｔ２のときのＮＯｘ浄化率の推移を、図中線Ｌ３は、ＮＯｘ触媒１１の温度がＴ３、Ｔ４のときのＮＯｘ浄化率の推移を示す。これらの触媒温度は、図３中の触媒温度と合致するものである。
【００３５】
このようなＮＯｘ浄化率の推移を示すＮＯｘ触媒１１においては、ＮＯｘ触媒１１に流入する排気のＮＯｘ濃度が所定のＮＯｘ濃度を越えると、ＮＯｘ浄化率が大きく低下する。図２に示すように、ＮＯｘ触媒１１の温度がＴ０のときは該ＮＯｘ濃度がＤ１より高くなるときに、ＮＯｘ触媒１１の温度がＴ１、Ｔ２のときは該ＮＯｘ濃度がＤ２より高くなるときに、ＮＯｘ触媒１１の温度がＴ３、Ｔ４のときは該ＮＯｘ濃度がＤ３より高くなるときに、ＮＯｘ浄化率の低下が顕著となる。これは、ＮＯｘ触媒１１によるＮＯｘの吸蔵効率が大きく低下することによる。
【００３６】
また、ＮＯｘ触媒１１の吸蔵還元浄化モードによるＮＯｘ浄化率と、ＮＯｘ触媒１１に流入する排気の流量との関係においても、上記ＮＯｘ濃度との関係と同様に、ＮＯｘ触媒１１の温度に応じて該排気の流量が所定の流量より高くなると、ＮＯｘ触媒１１によるＮＯｘの吸蔵効率が大きく低下するため、ＮＯｘ浄化率も大きく低下する。
【００３７】
よって、ＮＯｘ触媒１１の吸蔵還元浄化モードによるＮＯｘ浄化は、ＮＯｘ触媒１１の温度がＴ０のときは、ＮＯｘ触媒１１に流入する排気のＮＯｘ濃度がＤ１より低い場合において、該温度がＴ１、Ｔ２のときは該ＮＯｘ濃度がＤ２より低い場合に、該温度がＴ３、Ｔ４のときは該ＮＯｘ濃度がＤ３より低い場合に、効率的に行われ得る。また、ＮＯｘ触媒１１に流入する排気の流量についても、ＮＯｘ触媒１１の温度に対応する上記所定の流量より低い場合において、ＮＯｘ触媒１１の吸蔵還元浄化モードによるＮＯｘ浄化は効率的に行われ得る。
【００３８】
ここで、図３に、ＮＯｘ触媒１１の吸蔵還元浄化モードによるＮＯｘ浄化率と、ＮＯｘ触媒１１の温度との関係の傾向を示す。グラフの縦軸は該ＮＯｘ浄化率を、横軸は該触媒温度を示す。このように、ＮＯｘ触媒１１の吸蔵還元浄化モードによるＮＯｘ浄化率は、ＮＯｘ触媒１１の温度の低温側と高温側において低下する傾向を有する。
【００３９】
従って、図２および図３に示すように、ＮＯｘ触媒１１の吸蔵還元浄化モードによるＮＯｘ浄化が効率的に行われるには、上述した排気のＮＯｘ濃度、排気流量、ＮＯｘ触媒１１の温度の所定の条件が満たされる必要がある。即ち、ＮＯｘ触媒１１の温度が低温側もしくは高温側の値であると、ＮＯｘ触媒１１に流入する排気のＮＯｘ濃度をより低く抑えなければ、効率的なＮＯｘ浄化が行われない。該所定の条件が満たされないときにＮＯｘ触媒１１の吸蔵還元浄化モードによるＮＯｘ浄化が行われると、排気中のＮＯｘが十分に浄化されずに大気へ放出される虞がある。
【００４０】
そこで、ＮＯｘ触媒１１に流入する排気の流量が多いときや該排気に含まれるＮＯｘ濃度が高い場合においても、内燃機関１から排出される排気に含まれるＮＯｘをより確実に浄化するための制御（以下、「ＮＯｘ浄化制御」という）について、図４に基づいて説明する。図４は、ＮＯｘ浄化制御を示すフローチャートである。ＮＯｘ浄化制御は、ＥＣＵ２０によって実行される。本実施の形態においては、所定の判断条件に従って、ＮＯｘ触媒１１の吸蔵還元浄化モードによるＮＯｘ浄化と三元浄化モードによるＮＯｘ浄化とが実行される。以下に、ＮＯｘ浄化制御の詳細を説明する。
【００４１】
まずＳ１０１では、内燃機関１から排出される排気の状態を検出する。具体的には、排気ＮＯｘセンサ２６や排気温度センサ２２によってＮＯｘ触媒１１に流入する排気のＮＯｘ濃度および排気温度を検出する。そして、該排気温度より、ＮＯｘ触媒１１の温度を推定する。更に、クランクポジションセンサ２４やアクセル開度センサ２５からの信号に基づいて検出される内燃機関１の運転状態より、ＮＯｘ触媒１１に流入する排気の流量を推定する。Ｓ１０１の処理が終了すると、Ｓ１０２へ進む。尚、該排気のＮＯｘ濃度および温度についても、内燃機関１の運転状態より推定してもよい。
【００４２】
Ｓ１０２では、ＮＯｘ触媒１１におけるＮＯｘの吸蔵量を推定する。具体的には、前回に行われたＮＯｘ浄化制御から現時点までに経過した時間や、その期間における内燃機関の運転状態等に基づいて、ＮＯｘ触媒１１に吸蔵されているＮＯｘ量を推定する。Ｓ１０２の処理が終了すると、Ｓ１０３へ進む。
【００４３】
Ｓ１０３では、Ｓ１０１で検出されたＮＯｘの排出状態と、Ｓ１０２で推定されたＮＯｘ吸蔵量に基づいて、吸蔵還元浄化モードによるＮＯｘ浄化が可能か否かを判定される。即ち、先述したようにＮＯｘ触媒１１に流入する排気のＮＯｘ濃度が、検出されたＮＯｘ触媒１１の温度に対応した濃度より低いか否か、また該排気の流量が、検出されたＮＯｘ触媒１１の温度に対応した所定の流量より低いか否かが判定される。例えば、ＮＯｘ触媒１１の温度がＴ０のときは、該排気のＮＯｘ濃度がＤ１より低いか否かが判定される。また、ＮＯｘ触媒１１におけるＮＯｘの吸蔵が飽和状態となっていないか、即ちＮＯｘ触媒１１にはＮＯｘを吸蔵する余裕があるか否かが判定される。
【００４４】
Ｓ１０３で、ＮＯｘ触媒１１に流入する排気のＮＯｘ濃度が検出されたＮＯｘ触媒１１の温度に対応した濃度より低いと判定され、かつ該排気の流量が検出されたＮＯｘ触媒１１の温度に対応した所定の流量より低いと判定され、かつＮＯｘ触媒１１におけるＮＯｘの吸蔵が飽和状態となっていないと判定されると、ＮＯｘ触媒１１において吸蔵還元浄化モードによるＮＯｘ浄化が効率的に行われる条件が成立していることを意味する。そこで、Ｓ１０５へ進む。一方で、上記のように判定されないときは、ＮＯｘ触媒１１において吸蔵還元浄化モードによるＮＯｘ浄化が高率に行われる条件が成立していないことを意味する。そこで、Ｓ１０４へ進む。
【００４５】
Ｓ１０４では、ＮＯｘ触媒１１の温度に基づいて、三元浄化モードによるＮＯｘ浄化が可能か否かを判定される。即ち、ＮＯｘ触媒１１の温度が活性温度にまで達しているか否かが判定される。ここで、ＮＯｘ触媒１１の温度が活性温度まで達していると判定されると、ＮＯｘ触媒１１において三元浄化モードによるＮＯｘ浄化が効率的に行われる条件が成立していることを意味する。そこで、Ｓ１０６へ進む。一方で、ＮＯｘ触媒１１の温度が活性温度まで達していないと判定されると、ＮＯｘ触媒１１において三元浄化モードによるＮＯｘ浄化が効率的に行われる条件が成立していないことを意味し、Ｓ１０５へ進む。
【００４６】
Ｓ１０５およびＳ１０６では、それぞれ吸蔵還元浄化モードによるＮＯｘ浄化と三元浄化モードによるＮＯｘ浄化に適した排気の空燃比の調整が行われる。具体的には、Ｓ１０５においては、ＮＯｘ触媒１１にＮＯｘを吸蔵すべく、またはＮＯｘ触媒１１に吸蔵されたＮＯｘを還元すべく、排気空燃比センサ２３からの信号に基づいて、ＮＯｘ触媒１１に流入する排気の空燃比がリーン状態またはリッチ状態となるように燃料添加弁２１が制御される。また、Ｓ１０６においては、排気中のＮＯｘをＮＯｘ触媒１１の三元機能により浄化すべく、排気空燃比センサ２３からの信号に基づいて、ＮＯｘ触媒１１に流入する排気の空燃比をストイキ状態とすべく燃料添加弁２１が制御される。Ｓ１０５およびＳ１０６の処理がそれぞれ終了すると、再びＳ１０１の処理が行われる。
【００４７】
以上より、本制御によって、ＮＯｘ触媒１１に流入する排気の流量が多いときや該排気に含まれるＮＯｘ濃度が高い場合においても、ＮＯｘ触媒１１の有する三元機能によってＮＯｘが浄化される、従って、内燃機関１から排出される排気に含まれるＮＯｘをより確実に浄化して、ＮＯｘがＮＯｘ触媒をすり抜けて大気に放出されることを抑制することが可能となる。また、Ｓ１０４において三元浄化モードによるＮＯｘ浄化の条件が成立しないと判定されるときに、吸蔵還元浄化モードによるＮＯｘ浄化を行うことで、三元浄化モードによるＮＯｘ浄化に伴い排気の空燃比をストイキ状態とすることを回避して、多量の燃料成分が大気へ放出されるのを抑制する。更に、このように三元浄化モードによるＮＯｘ浄化が実行されるのを一定の条件下に制限することで、三元浄化モードに伴う内燃機関１の燃費の悪化も抑制される。
【００４８】
また、本実施の形態においては、Ｓ１０３において、ＮＯｘ触媒１１の吸蔵還元浄化モードによるＮＯｘ浄化の条件が成立しているか否かを判定するに際して、ＮＯｘ触媒１１に流入する排気のＮＯｘ濃度と、該排気の流量を各々の閾値と比較することで該判定を行ったが、該排気のＮＯｘ濃度と該排気の流量との積に基づいて該判定を行ってもよい。即ち、ＮＯｘ触媒１１に流入するＮＯｘ量に着眼するのであり、該積の値が所定の値より低い場合には、ＮＯｘ触媒１１の吸蔵還元浄化モードによるＮＯｘ浄化の条件が成立していると判定し、一方該積の値が所定の値以上である場合には、ＮＯｘ触媒１１の吸蔵還元浄化モードによるＮＯｘ浄化の条件が成立していないと判定する。
【００４９】
【発明の効果】
本発明は、所定の条件が満たされるときは吸蔵還元浄化モードによるＮＯｘ浄化が行われ、該所定の条件が満たされない場合、即ちＮＯｘ触媒に流入する排気の流量が多いときや排気に含まれるＮＯｘ濃度が高い場合においては、三元浄化モードによるＮＯｘ浄化が行われることで、内燃機関から排出される排気に含まれるＮＯｘをより確実に浄化して、ＮＯｘがＮＯｘ触媒をすり抜けて大気に放出されることを抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る排気浄化システムおよび該排気浄化システムを含む内燃機関およびその制御系統の概略構成を表すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る排気浄化システムにおいて、ＮＯｘ触媒の吸蔵還元浄化モードによるＮＯｘ浄化率と、ＮＯｘ触媒に流入する排気のＮＯｘ濃度との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の実施の形態に係る排気浄化システムにおいて、ＮＯｘ触媒の吸蔵還元浄化モードによるＮＯｘ浄化率と、ＮＯｘ触媒の温度との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態に係る排気浄化システムにおける、排気中のＮＯｘを浄化する制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１・・・・内燃機関
９・・・・排気枝管
１０・・・・排気管
１１・・・・ＮＯｘ触媒
２０・・・・ＥＣＵ
２１・・・・燃料添加弁
２２・・・・排気温度センサ
２３・・・・排気空燃比センサ
２４・・・・クランクポジションセンサ
２５・・・・アクセル開度センサ
２６・・・・排気ＮＯｘセンサ

Claims

排気通路に設けられ、排気の空燃比がリーン状態である場合には排気中のＮＯｘを吸蔵し該空燃比をリッチ状態として吸蔵されたＮＯｘを還元することでＮＯｘを浄化するとともに、排気の空燃比がストイキ状態である場合には三元機能によりＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒と、
前記ＮＯｘ触媒に流入する排気に含まれるＮＯｘの濃度と該ＮＯｘ触媒に流入する排気の流量の少なくとも何れかに基づいて、前記ＮＯｘ触媒においてＮＯｘを吸蔵、還元することによりＮＯｘを浄化する条件が成立しているか否かを判定するＮＯｘ浄化判定手段と、
前記ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を調整する排気空燃比調整手段と、を備える内燃機関の排気浄化システムにおいて、
前記排気空燃比調整手段は、
前記ＮＯｘ浄化判定手段によって前記ＮＯｘ触媒においてＮＯｘを吸蔵、還元することによりＮＯｘを浄化する条件が成立していると判定されるときは、排気中のＮＯｘが該ＮＯｘ触媒に吸蔵、還元されるべく排気の空燃比を調整し、
前記ＮＯｘ浄化判定手段によって前記ＮＯｘ触媒においてＮＯｘを吸蔵、還元することによりＮＯｘを浄化する条件が成立していないと判定されるときは、該ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をストイキに調整することを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
前記ＮＯｘ浄化判定手段は、前記ＮＯｘ触媒に流入する排気に含まれるＮＯｘの濃度が所定の濃度より低いこと、および／または該ＮＯｘ触媒に流入する排気の流量が所定の流量より少ないことを条件として、該ＮＯｘ触媒においてＮＯｘを吸蔵、還元することによりＮＯｘを浄化する条件が成立していると判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システム。
前記ＮＯｘ浄化判定手段は、更に、前記ＮＯｘ触媒の温度が所定の温度範囲に属していることをもって、該ＮＯｘ触媒においてＮＯｘを吸蔵、還元することによりＮＯｘを浄化する条件が成立していると判定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
少なくとも前記ＮＯｘ触媒の温度が活性温度より高いことをもって、該ＮＯｘ触媒の三元機能により排気中のＮＯｘを浄化する条件が成立していると判定する三元機能ＮＯｘ浄化判定手段を、更に備え、
前記空燃比調整手段は、前記ＮＯｘ浄化判定手段によって前記ＮＯｘ触媒においてＮＯｘを吸蔵、還元することによりＮＯｘを浄化する条件が成立していないと判定され、更に、前記三元機能ＮＯｘ浄化判定手段によって該ＮＯｘ触媒の三元機能により排気中のＮＯｘを浄化する条件が成立していると判定されるときに、該ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をストイキに調整することを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。