JP2008202425A - 排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排ガス浄化性能をより向上させることができるようにした、排ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】内燃機関１の排ガス中のＮＯｘを吸蔵するＮＯｘトラップ触媒１５と、排ガスの空燃比を調整する空燃比調整手段３１と、ＮＯｘパージ実行条件が成立した場合には、所定のパージ時間だけ排ガス空燃比をパージ用空燃比に変更するＮＯｘパージ処理を行うＮＯｘパージ実行手段３３と、排ガス中のＮＨ₃を検出するＮＨ₃検出手段１７と、排ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチ化されている際に、ＮＨ₃検出手段１７の検出結果に基づいて、排ガス中のＨＣ濃度を推定するＨＣ濃度推定手段３４と、ＨＣ濃度推定手段３４の推定結果に基づいてパージ時間及び／又はパージ用空燃比を補正するＮＯｘパージ条件補正手段３４とをそなえて構成する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、内燃機関の排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸蔵するＮＯｘトラップ触媒をそなえた排ガス浄化装置に関する。

従来より、内燃機関の排ガスに含まれるＮＯｘを浄化するための触媒として、酸素過剰な雰囲気（リーン雰囲気）においてＮＯｘを触媒内に吸蔵し、酸素濃度が低い雰囲気（還元雰囲気）において吸蔵されているＮＯｘを放出する機能を有するＮＯｘトラップ触媒（吸蔵型ＮＯｘ触媒）が用いられている。
このようなＮＯｘトラップ触媒は、リーン雰囲気において、排ガスに含まれるＮＯｘを酸化して硝酸塩を生成し、この硝酸塩を触媒上に吸蔵するようになっている。

図７は、時間に対する、それぞれ、空燃比及び排ガス中の実ＨＣ濃度の特性を示すグラフである。
ＮＯｘトラップ触媒では、吸蔵したＮＯｘ量が飽和状態に近づくと、空燃比を理論空燃比よりもリッチ空燃比とすることでＮＯｘトラップ触媒の周辺雰囲気を還元雰囲気とするようになっている（図７中、ハッチングで示す領域を参照）。これにより、ＮＯｘトラップ触媒に吸蔵された硝酸塩と排気中のＣＯ，ＨＣ，Ｈ₂等の還元剤とが反応して炭酸塩を生成し、これによりＮＯｘを触媒上から放出するとともにＮＯｘを還元して無害なＮ₂にして排出するようになっている（特許文献１参照）。このように、ＮＯｘトラップ触媒上に吸蔵されたＮＯｘを無害化して放出・除去する処理をＮＯｘパージという。
特開２０００−１０４５３３号公報

ところで、ＮＯｘパージを行う際には、図７に示すように空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定することによって、十分な量の還元剤としてのＣＯをＮＯｘトラップ触媒に供給する必要がある。しかしながらこのとき、空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に設定することに起因して未燃成分である炭化水素（ＨＣ）が排ガス中に多く含まれることになる。

そして、ＮＯｘパージを行う際において、三元触媒等のＨＣを浄化する触媒の浄化能力よりも大量のＨＣが発生すれば、ＨＣを浄化する触媒によって浄化しきれず、ＨＣが大気に放出されてしまう虞がある。
このため、ＮＯｘパージを行う際には、ＮＯｘトラップ触媒に吸蔵されたＮＯｘを十分に放出・除去できるとともに、ＨＣの大気への排出（ＨＣのスリップ）をできるだけ抑制することが求められている。

本発明はこのような課題に鑑み創案されたもので、排ガス浄化性能をより向上させることができるようにした、排ガス浄化装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の排ガス浄化装置（請求項１）は、内燃機関の排ガス通路に設けられ、排ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであるリーン雰囲気において該排ガス中のＮＯｘを吸蔵するＮＯｘトラップ触媒と、該排ガスの空燃比を調整する空燃比調整手段と、所定のＮＯｘパージ実行条件が成立した場合には、所定のパージ時間だけ該排ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチであるパージ用空燃比に変更するＮＯｘパージ処理を行うように該空燃比調整手段を制御するＮＯｘパージ実行手段と、該排ガス通路に設けられ、排ガス中のＮＨ₃（アンモニア）を検出するＮＨ₃検出手段と、該ＮＯｘパージ実行手段により該排ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチ化されている際に、該ＮＨ₃検出手段の検出結果に基づいて、該排ガス中のＨＣの濃度を推定するＨＣ濃度推定手段と、該ＨＣ濃度推定手段により推定されたＨＣ濃度に基づいて、該パージ時間及び／又は該パージ用空燃比を補正するＮＯｘパージ処理補正手段とをそなえていることを特徴としている。

即ち、本発明者らは、排ガス中のＮＨ₃濃度と排ガス中のＨＣ濃度とに相関関係があることを見出し、排ガス中のＮＨ₃濃度が閾値よりも大きい場合には、排ガス中のＨＣ濃度が高いと推定することを可能とした。
前記ＮＯｘパージ処理補正手段は、該ＮＯｘパージ処理が実行されている際に、該ＨＣ濃度推定手段により推定された該ＨＣ濃度が第１の所定濃度以上である場合には、該パージ時間を短くするように補正することが好ましい（請求項２）。

前記ＮＯｘパージ処理補正手段は、該ＮＯｘパージ処理が実行されている際に、該ＨＣ濃度推定手段により推定された該ＨＣ濃度が第１の所定濃度以上である場合には、該パージ用空燃比をリーン化させるように補正することが好ましい（請求項３）。
該ＮＨ₃検出手段は、該ＮＯｘトラップ触媒よりも下流側に設けられ、該排ガス中のＮＯｘ濃度に応じてセンシング信号を出力するとともに、該排ガス中のＮＨ₃濃度（アンモニア濃度）に応じて該センシング信号を出力するＮＯｘセンサであることが好ましい（請求項４）。

なお、ＮＯｘパージ処理が実行されている間は、空燃比がリッチであるため、常態であれば排ガス中のＮＯｘ濃度は無視できる程度であると考えられる。即ち、空燃比がリッチである状態においてＮＯｘセンサから出力されたセンシング信号は、排ガス中のＮＨ₃濃度に対応するものであることを本発明者らは見出した。
所定のＮＯｘパージ実行条件には、該空燃比調整手段により設定された該排ガスの空燃比が理論空燃比または理論空燃比よりもリーンである状態で、且つ、該ＮＯｘセンサから出力された該センシング信号がＮＯｘパージ実行値よりも大きいことが含まれることが好ましい（請求項５）。

前記ＮＯｘパージ処理補正手段は、該ＮＯｘパージ処理が実行されている際に、ＨＣ濃度推定手段により推定された該ＨＣ濃度が、第２の所定濃度以下である場合には、該パージ時間が長くなるように補正することが好ましい（請求項６）。
前記ＮＯｘパージ処理補正手段は、該ＮＯｘパージ処理が実行されている際に、ＨＣ濃度推定手段により推定された該ＨＣ濃度が、第２の所定濃度以下である場合には、該パージ用空燃比をリッチ化させるように補正することが好ましい（請求項７）。

本発明の排ガス浄化装置（請求項１）によれば、ＮＨ₃濃度を検出し、このＮＨ₃濃度に基づいて排ガス中のＨＣの濃度を推定することができる。そして、推定されたＨＣ濃度が高い場合にはパージ時間及び／又はパージ用空燃比を補正することによって、排ガス中のＨＣ濃度を抑制し、ＨＣの排出量を低減することができる。あるいは、推定されたＨＣ濃度が小さいときには、空燃比を補正することで、より効果的にＮＯｘトラップ触媒からＮＯｘを放出・除去することができる。したがって、排ガス浄化性能を向上させることができる。
また、本発明の排ガス浄化装置（請求項２）によれば、排ガス中のＨＣ濃度が高いと推定される場合において、パージ時間を短くするように補正することにより排ガス中のＨＣ濃度を抑制し、排ガス性能を向上させることができることができる。

また、本発明の排ガス浄化装置（請求項３）によれば、排ガス中のＨＣ濃度が高いと推定される場合において、パージ用空燃比をリーン化させるように補正することにより排ガス中のＨＣ濃度を抑制し、排ガス性能を向上させることができる。
また、本発明の排ガス浄化装置（請求項４）によれば、ＮＯｘパージ処理が実行されている状態で、ＮＯｘセンサから出力されたセンシング信号を監視することによりＮＯｘパージ処理により、空燃比が理論空燃比よりもリッチであることに起因して排ガス中に含まれるＮＨ₃の濃度を検出することができる。

また、本発明の排ガス浄化装置（請求項５）によれば、ＮＯｘセンサをＮＯｘを検出する用途とＨＣ濃度が高いことを推定するための用途とに兼用することができ、ＨＣ濃度を推定するための新たなセンサ等を設ける必要がないという利点がある。
また、本発明の排ガス浄化装置（請求項６）によれば、ＨＣ濃度が小さいと推定される場合において、パージ時間を長くする補正を行うことにより効果的にＮＯｘトラップ触媒からＮＯｘを放出・除去することができる。

また、本発明の排ガス浄化装置（請求項７）によれば、ＨＣ濃度が小さいと推定される場合において、パージ用空燃比をリッチ化するように補正することにより、効果的にＮＯｘトラップ触媒からＮＯｘを放出・除去することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１〜図６はいずれも本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置及び排ガス浄化装置の脱硫方法を説明するためのものであって、図１はその全体構成を模式的に示す構成図、図２はＮＯｘセンサの構成を模式的に示す図、図３は燃料噴射制御に用いるマップ図、図４は排ガス中の実ＮＨ₃濃度に対する、排ガス中の実ＨＣ濃度の特性を示すグラフ、図５は時間に対する、それぞれ、空燃比，ＮＯｘセンシング信号Ｃ，実ＮＨ₃濃度，実ＨＣ濃度，実ＣＯ濃度，実ＮＯｘ濃度の特性を示すグラフ、図６はＮＯｘパージ処理にかかる手順を示すフローチャートである。

図１に示すように、エンジン１のシリンダヘッド２には点火プラグ３が取り付けられると共に、電磁式の燃料噴射弁４が取り付けられている。燃焼室５内には燃料噴射弁４から燃料が直接噴射されるようになっている。エンジン１のシリンダ６にはピストン７が上下方向に摺動自在に支持され、ピストン７の頂面には半球状に窪んだキャビティ８が形成されている。シリンダヘッド２には、吸気弁１１及び排気弁１２が備えられている。

吸気ポート９は、吸気弁１１を介して燃焼室５と連通しているが、吸気弁１１の駆動により開閉されるようになっている。また、吸気ポート９には図示しない吸気管、サージタンク、エアクリーナ、スロットルバルブ等が接続されている。
一方、排気ポート１０は、排気弁１２を介して燃焼室５と連通しているが、排気弁１２の駆動により開閉されるようになっている。

即ち、エンジン１は、吸気ポート９から燃焼室５内に流入した吸気流がピストン７上面のキャビティ８により逆タンブル流を形成し、圧縮行程後期に燃料を噴射して逆タンブル流を利用しながら燃焼室５の頂部中央に配設された点火プラグ３の近傍のみに少量の燃料を集め、点火プラグ３から離隔した部分で極めてリーンな空燃比状態とし、点火プラグ３の近傍のみを理論空燃比又はリッチな空燃比とすることで、安定した層状燃焼（層状超リーン燃焼）を実現しながら燃料消費を抑制することが可能となっている。

もちろん、層状燃焼の他にエンジン１から高出力を得る必要がある場合には、燃料噴射弁４からの燃料を吸気行程に噴射することにより燃焼室５全体に燃料を混合し、予混合燃焼を行えるようになっている。当然、理論空燃比もしくはリッチ空燃比である方がリーン空燃比である場合よりも高出力が得られるため、この際にも、燃焼室５において燃料の霧化及び気化が十分に行なわれるようなタイミングで燃料噴射を行ない、効率よく高出力を得るようになっている。

一方、排気ポート１０には排気管（排ガス通路）１３が接続され、排気管１３には排気浄化装置として三元触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５がエンジン１側から順に直列に設けられている。
三元触媒１４は、空燃比が理論空燃比である場合には、排ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘを浄化可能な三元機能を有した触媒である。一方、ＮＯｘトラップ触媒１５は、排ガス中の酸素が過剰な雰囲気（リーン雰囲気）において、排ガス中に多く含まれるＮＯｘを吸蔵するとともに、排ガス中の酸素濃度が低く、排ガス中に還元剤を多く含む雰囲気（還元雰囲気）において吸蔵したＮＯｘを放出して還元浄化することにより無害なＮ₂にする機能を有した触媒である。

即ち、これらの三元触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５により排ガス中の一酸化炭素（ＣＯ），炭化水素（ＨＣ），窒素酸化物（ＮＯｘ）等の有害成分を浄化してから、大気へ放出されるようになっている。
つまり、空燃比が理論空燃比である場合には、排ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘは三元触媒１４により浄化され、空燃比が理論空燃比よりもリーンなリーン雰囲気においては排ガス中にＣＯ，ＨＣ等の不完全燃焼物がほとんど含まれない反面、排ガス中のＮＯｘ濃度が大きくなるが、三元触媒１４を通過したＮＯｘは下流側のＮＯｘトラップ触媒１５に吸蔵されて排ガス中から除去されるようになっている。

なお、三元触媒１４とＮＯｘトラップ触媒１５との間には触媒温度センサ１６が設置されている。また、ＮＯｘトラップ触媒１５の下流側にはＮＯｘセンサ１７が設置されている。そして、排気管１３のＮＯｘセンサ１７のさらに下流側は図示しない消音装置を経て大気へ連通されている。
ここで、ＮＯｘセンサ１７の構成について図２を用いて説明する。ＮＯｘセンサ１７はいわゆるジルコニア（ＺｒＯ₂）式ＮＯｘセンサと呼ばれるものである。

ＮＯｘセンサ１７は、センサ担体４１の一方側に排ガスを導入するスリット４２が形成され、スリット４２には、それぞれ拡大した空間である第１反応室（酸化部）４３及び第２反応室４４が直列に連通するように形成されている。
また、担体４１には、スリット４２平行に空気孔４５が形成されている。また、この空気穴４５には、基準極４５Ａが設けられている。

そして、空気孔４５の近傍には、空気孔４５と平行にヒータ４６がセンサ担体４１に埋設されている。このヒータ４６は摂氏８００度程度にまで昇温しうるようになっており、これにより、ＮＯｘセンサ１７を加熱するようになっている。
第１反応室４３には、Ｐｔ（白金）等の貴金属により形成されているＰｔ電極４３Ａが設けられており、担体４１の外部には、Ｐｔ電極４３Ａに対応する外部電極４７が設けられている。また、この第１反応室４３では、Ｏ₂（酸素）をポンプインあるいはポンプアウトすることにより第１反応室４３のＯ₂濃度を所定濃度に調整可能となっている。

このように、第１反応室４３では、Ｏ₂濃度を調整した状態においてＰｔ電極４３Ａにより、以下の化学反応式（１）〜（３）に示す酸化反応が生じ、排ガス中のＨＣ（炭化水素），ＣＯ（一酸化炭素），Ｈ₂（水素）を酸化することで除去するようになっている。
４ＨＣ＋５Ｏ₂→４ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ・・・（１）
２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂・・・（２）
２Ｈ₂＋Ｏ₂→２Ｈ₂Ｏ・・・（３）
また、一方で、第１反応室４３では、Ｐｔ電極４３Ａにより、以下の化学反応式（４）に示す還元反応が生じ、排ガス中のＮＯ₂（二酸化窒素）が還元され、その結果、ＮＯ（一酸化窒素）が発生するようになっている。
２ＮＯ₂→２ＮＯ＋Ｏ₂・・・（４）

第２反応室４４には、外側電極４４Ａ及び触媒電極４４Ｂがそれぞれ対面するように設けられている。触媒電極４４Ｂの表面には電極保護層４４Ｃが設けられている。
この第２反応室４４においては、Ｏ₂濃度を第１反応室のＯ₂濃度の数千分の一程度の濃度に調整しうるようになっている。そして、各電極４４Ａ，４４Ｂにおいて以下の化学反応式（５）によりＮＯを分解するようになっている。
２ＮＯ→Ｎ₂＋Ｏ₂・・・（５）

そして、化学反応式（５）に起因して発生するＯ₂ポンピング電流はＮＯ濃度に比例しており、ＮＯｘセンサ１７はこのＯ₂ポンピング電流に応じたセンシング信号を出力するようになっている。これによりＮＯｘセンサ１７は、排ガス中のＮＯｘ濃度を測定しうるように構成されている。

ところで、上述のＮＯｘセンサ１７は、ＮＨ₃に対しても感度を有することが知られている。この点をさらに詳しく説明すると、空燃比が理論空燃比あるいは理論空燃比よりもリッチ空燃比である場合には、本来、排ガス中には、ＮＯｘがほとんど含まれない。ところが、空燃比が理論空燃比あるいは理論空燃比よりもリッチ空燃比であってもＮＯｘセンサ１７は、無視できない程度のセンシング信号Ｃを出力する。本発明者らはこの点に着目したのである。

リッチ空燃比であるにもかかわらずＮＯｘセンサ１７が感度を有する理由について説明する。空燃比を理論空燃比よりもリッチ側にすると、三元触媒１４やＮＯｘトラップ触媒１５では以下の化学反応式（６），（７）によりアンモニア（ＮＨ₃）が生成され、排ガス中のＮＨ₃濃度が増加することが判っている。
ＮＯ＋ＨＣ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋ＮＨ₃・・・（６）
２ＮＯ＋５Ｈ₂→２Ｈ₂Ｏ＋２ＮＨ₃・・・（７）
このように、排ガス中にＮＨ₃が存在する場合、第１反応室４３のＰｔ電極４３Ａにより、以下の化学反応式（８）に示す酸化反応が生じ、排ガス中のＮＨ₃が酸化することにより、ＮＯが発生するものと考えられる。
４ＮＨ₃＋５Ｏ₂→４ＮＯ＋６Ｈ₂Ｏ・・・（８）

即ち、ＮＯｘセンサ１７は、第１反応室４３においてＮＨ₃の酸化により発生したＮＯに反応してＮＯｘセンシング信号Ｃを発生するものと考えられる。
空燃比が理論空燃比あるいは理論空燃比よりもリッチが空燃比である場合には、三元触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５が常態であれば、排ガス中には無視できる程度のＮＯｘしか存在しないものと考えられる。

つまり、理論空燃比あるいは理論空燃比よりもリッチが空燃比においてのＮＯｘセンシング信号Ｃは、排ガス中のＮＨ₃の濃度にほぼ対応するものといえる。即ち、ＮＯｘセンサ１７は、空燃比が理論空燃比あるいは理論空燃比よりもリッチな状態では排ガス中のＮＨ₃濃度を検出するアンモニアセンサ（ＮＨ₃検出手段）としても機能するように構成されている。

本実施形態の車両には、エンジン１の総合的な制御を実施する電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０が設けられている。
ＥＣＵ３０は、いずれも図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶を行う記憶装置、演算装置及びタイマやカウンタ類等により構成されている。
また、ＥＣＵ３０は、図１に示すように機能要素として、空燃比調整部（空燃比調整手段）３１，触媒昇温部３２，ＮＯｘパージ実行部（ＮＯｘパージ実行手段）３３及びＮＯｘパージ処理補正部（ＨＣ濃度推定手段，ＮＯｘパージ処理補正手段）３４を有している。

このＥＣＵ３０には、触媒温度センサ１６，ＮＯｘセンサ１７，エアフローセンサ２０，エンジン回転数センサ２１及びアクセル開度センサ（ＡＰＳ）２２やその他の図示しないセンサ類が接続されている。そして、触媒温度センサ１６からは触媒温度Ｔ，ＮＯｘセンサ１７からはＮＯｘセンシング信号Ｃ，エアフローセンサ２０からは吸入空気量Ａ，エンジン回転数センサ２１からはエンジン回転数Ｎｅ，アクセル開度センサ２２からはアクセル開度θがそれぞれＥＣＵ３０に入力されるようになっている。

また、ＥＣＵ３０には、点火プラグ３及び燃料噴射弁４が接続されている。そして、ＥＣＵ３０の空燃比調整部３１は、各種入力情報や後述する運転モードに基づいて燃料噴射量及び燃料噴射時期並びに点火時期を決定し、燃料噴射弁４や点火プラグ３を駆動制御するものである。
空燃比調整部３１は、通常走行時の燃料噴射の態様として、層状超リーンモード，吸気リーンモード，ストイキオモード，エンリッチモードの４つの運転モードに応じてエンジン１を制御するようになっている。

層状超リーンモードは、上述の層状超リーン燃焼によるリーン運転を実現し燃費を向上させるために圧縮行程中で燃料噴射を行なう運転モードである。
吸気リーンモードは予混合燃焼による理論空燃比よりもリーンな空燃比での運転を実現して緩加速による出力を得るために吸気行程中に燃料噴射を行なう運転モードである。
ストイキオモードは、予混合燃焼により理論空燃比近傍の空燃比でのストイキオフィードバック運転を実現して吸気リーンモードよりも出力を向上させるために吸気行程中に燃料噴射を行なう運転モードである。

エンリッチモードは、予混合燃焼により理論空燃比よりもリッチな空燃比での運転を行う運転モードである。
さらに、空燃比調整部３１は、これらの４つの運転モードに応じて燃料噴射量及び燃料噴射時期並びに点火時期を制御するようになっている。
これについてより具体的に説明すると、この空燃比調整部３１は、図３に示すようなマップに従って、エンジン回転数Ｎｅ及び平均有効圧力Ｐｅに応じて上述の各運転モードの中から一つの運転モードを選択する。そして、選択された運転モードに応じた燃料噴射制御マップを選択し、この選択した燃料噴射制御マップ（図示略）を用いて、エンジン回転数Ｎｅ及び平均有効圧力Ｐｅに応じて、通常の燃焼を行なうための燃料噴射量及び噴射時期（すなわち、燃料噴射終了時期及び燃料噴射開始時期）を設定するようになっている。

なお、平均有効圧力Ｐｅは、空燃比調整部３１において、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度θ（あるいは、スロットル開度がアクセル開度θと常に対応する場合は、アクセル開度θに代えてスロットル開度を用いてもよい）の各情報から算出されるようになっている。
触媒昇温部３２は、三元触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５を昇温させるためのものである。この触媒昇温部３２は、燃焼室５内の通常の燃焼のための主燃料噴射（圧縮行程や吸気行程での燃料噴射）における燃料噴射弁４の駆動とは別に、エンジン１の出力に影響しにくいタイミングで燃料噴射弁４を駆動する追加燃料噴射（膨張行程の末期での燃料噴射）を行い、この追加燃料を排気管１３側で燃焼させることにより排気管１３に高温の排ガスを通気させることで、三元触媒１４及びＮＯｘトラップ触媒１５昇温させるようになっている。

また、ＮＯｘパージ実行部３３は、ＮＯｘパージ実行条件が成立した場合、即ち、ＮＯｘトラップ触媒１５に吸蔵されるＮＯｘが飽和あるいは飽和に近づいたと判定した場合には、上述の通常走行時の４つの運転モードに代わり、ＮＯｘトラップ触媒１５に吸蔵されたＮＯｘを放出・還元（浄化）するためのＮＯｘパージモードを選択するようになっている。

ＮＯｘパージ実行部３３が、ＮＯｘパージ実行条件が成立したと判断してＮＯｘパージモードを選択すると、ＮＯｘパージ処理が実行されるようになっている。即ち、空燃比調整部３１は、通常の燃料噴射（主噴射）に加えて追加の燃料噴射（リッチスパイク）を行って排ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチにするように燃料噴射弁４を駆動するようになっている。

つまり、ＮＯｘトラップ触媒１５に吸蔵されたＮＯｘの放出を促進させるための還元剤としてのＨＣ，ＣＯの確保やエンジン１の出力トルクへの影響を考慮して、膨張行程内（できれば膨張行程でも末期に近いタイミングが好ましい）に追加燃料噴射を行なうことにより、エンジン１の出力トルクの変化を抑制しながらも通常の燃料噴射（主噴射）と追加燃料噴射とを合わせた合計の空燃比（トータルＡ／Ｆ）がリッチとなるようになっている。

なお、ＮＯｘパージモードが選択された場合に、上述のように追加燃料噴射を行う代わりに、通常の燃料噴射（主噴射）のみにおいて空燃比をリッチにするようにしてもよい。ただし、この場合、リッチ化によりエンジン出力が変動してしまう虞があるため、点火時期制御，吸入空気量制御などにより、エンジン出力の変動を抑制するような処理が必要である。

このようにＮＯｘパージモードが選択されると、空燃比調整部３１は、予め設定されたパージ時間Ｔｓだけ、排ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチなパージ用空燃比Ａ／Ｆ_Pに設定して、ＮＯｘトラップ触媒１５の周辺雰囲気を還元雰囲気にしてＣＯ等の燃料の不完全燃焼に起因する還元剤をＮＯｘトラップ触媒１５に供給することにより、ＮＯｘトラップ触媒１５上に吸蔵されたＮＯｘをＮＯｘトラップ触媒１５から放出させてＮＯｘトラップ触媒１５に吸蔵されているＮＯｘを除去するとともに、還元剤（ＣＯ）と反応させることによりＮＯｘを無害なＮ₂に還元して大気に放出するようになっている。

なお、ここでは、空燃比調整部３１は、以下のＮＯｘパージ実行条件（Ａ），（Ｂ）がいずれも成立したと判定してＮＯｘパージモードを選択するようになっている。
・ＮＯｘパージ実行条件（Ａ）：触媒温度ＴがＮＯｘトラップ触媒１５の活性温度近傍の温度である所定温度（ＮＯｘパージ可能温度）Ｔ₁よりも高いこと。
・ＮＯｘパージ実行条件（Ｂ）：空燃比が理論空燃比よりもリーンである状態（層状超リーンモード又は吸気リーンモード）において、ＮＯｘセンサ１７から出力されるＮＯｘセンシング信号Ｃが所定値（ＮＯｘパージ実行値）Ｃ₁以上であること。
即ち、空燃比が理論空燃比よりもリーンな状態においては、排ガス中に多くのＮＯｘが含まれる。このとき、ＮＯｘセンシング信号Ｃが所定値Ｃ₁以上である場合には排ガス中のＮＯｘがＮＯｘトラップ触媒１５により十分に吸蔵・除去されておらず、ＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘ吸蔵機能が低下していると判定することができる。

なお、ＮＯｘパージ実行条件としては、上述のＮＯｘパージ実行条件（Ａ），（Ｂ）に限らず、触媒温度Ｔが所定温度Ｔ₁よりも高い状態で単にリーン運転が所定時間だけ継続した場合にはＮＯｘパージモードを選択するようにしてもよい。
また、触媒温度ＴがＮＯｘトラップ触媒１５の活性温度近傍の温度である所定温度Ｔ₁よりも低い場合には、触媒昇温部３２により触媒温度を昇温させるように構成してもよい。

ＮＯｘパージ処理補正部３４は、後述するＮＯｘパージ補正条件（Ｃ），（Ｄ）が成立した場合には、成立したＮＯｘパージ補正条件（Ｃ），（Ｄ）に応じてＮＯｘパージモードにおいての空燃比等の運転状態を補正するようになっている。
ＮＯｘパージ補正条件（Ｃ）：ＮＯｘパージモードにおいて、ＮＯｘセンシング信号Ｃが予め設定された所定値（第１の所定値）Ｃ₂以上である場合（即ち、Ｃ₂≦Ｃである場合）。
ＮＯｘパージ補正条件（Ｄ）：ＮＯｘパージモードにおいて、ＮＯｘセンシング信号Ｃが予め設定された所定値（第２の所定値）Ｃ₃以下である場合（即ち、Ｃ₃≧Ｃである場合）。
ＮＯｘパージ補正条件（Ｃ）が成立した場合には、ＮＯｘパージ処理補正部３４は、パージ時間Ｔｓをより短くするように補正する。そして、ＮＯｘパージ処理補正部３４は、パージ用空燃比Ａ／Ｆ_Pをリーン化するように補正するようになっている。

一方、ＮＯｘパージ補正条件（Ｄ）が成立した場合には、ＮＯｘパージ処理補正部３４は、パージ時間Ｔｓをより長くなるように補正する。そして、ＮＯｘパージ処理補正部３４は、パージ用空燃比Ａ／Ｆ_Pをリッチ化するように補正するようになっている。
つまり、本発明者らは、図４に示すように、排ガス中のＮＨ₃濃度と排ガス中のＨＣ濃度とは概ね相関しており、排ガス中のＮＨ₃濃度が大きくなるにしたがって、排ガス中のＨＣ濃度も大きくなることを見出した。

即ち、図５に示すように、ハッチングで示す領域Ｕでは、空燃比Ａ／Ｆがリッチ空燃比であり、実ＮＯｘ濃度は無視できる程度の低濃度である。
ところが、この各領域Ｕにおいては、ＮＨ₃濃度が高く、それに対応してＮＯｘセンシング信号Ｃの値を大きくなっている。これは、触媒温度Ｔが所定温度Ｔ₁程度の高温状態では、三元触媒１４やＮＯｘトラップ触媒１５においてＮＨ₃が生成されることに起因するものと考えられる。そして、上述したようにＮＯｘセンサ１７は、排ガス中にＮＨ₃が存在する場合にＮＨ₃に対して感度を有するため、ＮＯｘセンシング信号が大きくなる。そして、このときのＮＯｘパージ条件は、ＮＯｘ排出量を極力抑制する意図から、リッチ度合いを強めているため、実ＨＣ濃度は大きい。

したがって、第１の所定値Ｃ₂は、排ガス中のＮＨ₃濃度及びこれに相関するＨＣ濃度が所定濃度（第１の所定濃度）以上であることを推定しうるように予め実験により求めておけばよい。また、第２の所定値Ｃ₃は、排ガス中のＮＨ₃濃度及びこれに相関するＨＣ濃度が所定濃度（第２の所定濃度）以下であることを判定するために予め実験により求めておけばよい。
したがって、第１の所定値Ｃ₂は第２の所定値Ｃ₃よりも大きい値となる（即ち、Ｃ₂≧Ｃ₃である）。

これにより、ＮＯｘパージ処理補正部３４は、排ガスのＨＣ（炭化水素）の濃度を推定するＨＣ濃度推定手段として機能するようになっている。

本発明の一実施形態にかかる排ガス浄化装置はこのように構成されているので、ＮＯｘパージ実行時には以下のような作用及び効果を奏する。
ＮＯｘパージモードの実行態様について図６を用いて説明する。
まずステップＳ１０として、ＮＯｘパージ実行部３３は、ＥＣＵ３０に入力される吸入空気量Ａ，エンジン回転数Ｎｅによりエンジン１の運転状態を検出する。
次に、ステップＳ２０として、触媒温度センサ１６から入力される触媒温度ＴからＮＯｘトラップ触媒１５の温度を検出あるいは推定する。
そして、ステップＳ３０として、ＮＯｘパージ実行条件の一部として触媒温度Ｔと所定温度Ｔ₁とが比較され、触媒温度Ｔが所定温度Ｔ₁以上である場合（即ち、Ｔ₁≦Ｔである場合）には、ステップＳ４０に進む。

ステップＳ４０として、空燃比調整部３１において設定されている現在の空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比よりもリーンであるか否かが判定される。
ステップＳ５０として、ＮＯｘパージ実行部３３は、ＮＯｘセンサ１７のＮＯｘセンシング信号Ｃを読み込む。
ステップＳ６０として、ＮＯｘパージ実行部３３が、ＮＯｘセンシング信号Ｃと所定濃度Ｃ₁とを比較する。そして、ＮＯｘセンシング信号Ｃが所定値Ｃ₁以上である場合（即ちＣ₁≦Ｃである場合）には、ステップＳ７０に進む。

つまり、上述のステップＳ３０及びステップ６０において、ＮＯｘパージ実行部３３は、ＮＯｘパージ実行条件が成立したか否かを判断する。
ステップＳ７０として、ＮＯｘパージ実行部３３は、上述したようにＮＯｘパージモードを選択する。即ち、空燃比調整部３１は、空燃比を理論空燃比よりもリッチなパージ用空燃比Ａ／Ｆ_Pとなるように燃料噴射量及び燃料噴射タイミングを制御する。

また、ＮＯｘパージモード実行開始時には、ＮＯｘパージ実行部３３は、図示しないタイマを起動させて、ＮＯｘパージ経過時間ＴＭを計測する。
ステップＳ８０として、ＮＯｘパージ実行部３３は、ＮＯｘパージ経過時間ＴＭとパージ時間Ｔｓとを比較する。そして、ＮＯｘパージ経過時間ＴＭがパージ時間Ｔｓ以下である場合にはステップＳ９０に進む。

ステップＳ９０として、ＮＯｘパージ処理補正部３４は、ＮＯｘセンシング信号Ｃを読み込む。
ステップＳ１００として、ＮＯｘパージ処理補正部３４は、第１の所定値Ｃ₂とステップＳ９０にて読み込んだＮＯｘセンシング信号Ｃとを比較する。そして、ＮＯｘセンシング信号Ｃが第１の所定値Ｃ₂以上である場合には、ステップＳ１１０に進む。また、ＮＯｘセンシング信号Ｃが第１の所定値Ｃ₂よりも小さい場合には、ステップＳ１２０に進む。

ステップＳ１１０として、ＮＯｘパージ処理補正部３４は、パージ時間Ｔｓをより短縮補正するとともにＮＯｘパージ処理補正部３４は、パージ用空燃比Ａ／Ｆ_Pをリーン側に補正するようになっている。
即ち、ステップＳ１００においては、ＮＯｘパージ補正条件（Ｃ）が成立したか否かを判定する。即ち、ＮＯｘパージ補正条件（Ｃ）が成立した場合には、上述したように排ガス中のＮＨ₃濃度が所定値よりも大きい状態と考えられ、図３に示すように排ガス中のＮＨ₃濃度とＨＣ濃度との関係から、排ガス中のＨＣ濃度が高い状態であると推定できる。

このため、パージ時間Ｔｓ及びパージ用空燃比Ａ／Ｆ_Pを補正することにより、排ガス中のＨＣの発生量を低減することができ、浄化しきれないＨＣが大気に放出されることを抑制することができるのである。
なお、このとき、ＮＯｘパージ処理補正部３４は、パージ時間Ｔｓ及びパージ用空燃比Ａ／Ｆ_Pのどちらか一方のみを補正するようにしてもよい。

ステップＳ１２０として、ＮＯｘパージ処理補正部３４は、第２の所定値Ｃ₃とステップＳ９０にて読み込んだＮＯｘセンシング信号Ｃとを比較する。そして、ＮＯｘセンシング信号Ｃが第２の所定値Ｃ₃以下である場合には、ステップＳ１３０に進む。
ステップＳ１３０として、ＮＯｘパージ処理補正部３４は、パージ時間Ｔｓをより増大補正するとともにＮＯｘパージ処理補正部３４は、パージ用空燃比Ａ／Ｆ_Pをリッチ側に補正するようになっている。

即ち、ステップＳ１２０においては、ＮＯｘパージ補正条件（Ｄ）が成立したか否かを判定する。即ち、ＮＯｘパージ補正条件（Ｄ）が成立した場合には、上述したように排ガス中のＮＨ₃濃度が低い状態と考えられ、図３に示すように排ガス中のＮＨ₃濃度とＨＣ濃度との関係から、排ガス中のＨＣ濃度が低い状態であると考えることができる。
このため、パージ時間Ｔｓ及びパージ用空燃比Ａ／Ｆ_Pを補正することにより、ＮＯｘトラップ触媒１５により多くの還元剤を供給することができるため、より効果的にＮＯｘトラップ触媒１５に残留したＮＯｘを放出し、無害化することができる。

このように、本発明の排ガス浄化装置によれば、ＮＯｘパージモードが選択されている状態（即ち、空燃比が理論空燃比又はそれよりもリッチ空燃比であるパージ用空燃比Ａ／Ｆ_Pで運転する状態）において、ＮＯｘセンサ１７のセンシング信号Ｃに基づいてＮＯｘパージモードにおけるパージ時間Ｔｓ及びパージ用空燃比Ａ／Ｆ_P等のＮＯｘパージ条件を補正することにより、ＮＯｘパージ実行中に大気に放出されるＨＣの量を低減することができる。

即ち、本発明者らが、排ガス中のＮＨ₃濃度と排ガス中のＨＣ濃度とに相関関係があることを見出したことにより、排ガス中のＨＣ濃度と相関関係があるＮＨ₃の濃度を検出することにより排ガス中のＨＣ濃度を推定することができるのである。
したがって、ＮＯｘパージが実行されている状態において、ＮＯｘセンシング信号Ｃが第１の所定値Ｃ₂以上である場合には、排ガス中のＨＣ濃度が第１の所定濃度よりも大きいと判断して、パージ時間及び／又はパージ用空燃比を補正することにより、排ガス中のＨＣ濃度を抑制することができる。これにより、三元触媒１４により浄化しきれずに大気に放出されるＨＣの排出量（ＨＣのスリップ量）を低減することができ、排ガス性能を向上させることができる。

反対に、ＮＯｘセンシング信号Ｃが第２の所定値Ｃ₃以下である場合には、排ガス中のＨＣ濃度が第２の所定濃度よりも小さいと判断して、ＮＯｘトラップ触媒１５により多くの還元剤を供給することにより、さらに効果的にＮＯｘトラップ触媒１５に残留したＮＯｘを放出し、無害化することができる。またこれにより、ＮＯｘトラップ触媒１５のＮＯｘ吸蔵能力を回復させることができる。

さらに、ＮＯｘセンサ１７は、既存のＮＯｘセンサを用いることができるので、排ガス中のＮＨ₃濃度を検出するための新たなセンサ等のアンモニア検出手段を設ける必要がないという利点もある。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば、上述の実施形態としては筒内噴射型のガソリンエンジンを例に説明したが、本発明の排ガス浄化装置を適用する内燃機関としては、これに限らずディーゼルエンジンに適用してもよい。また、ＮＯｘトラップ触媒をそなえ、空燃比を変更可能なものであれば、筒内噴射型のガソリンエンジンに限定するものではない。また、複数気筒を有するエンジンであってもよい。

さらに、上述の実施形態では、ＮＯｘセンシング信号Ｃが予め定められた所定値（第１の所定値Ｃ₂及び第２の所定値Ｃ₃）に基づいて排ガス中のＨＣの濃度を推定するようにしているが、ＨＣ濃度推定手段としてはこの他に予め実験等により、排ガス中のＮＨ₃濃度（あるいは、ＮＨ₃濃度の代わりに排ガス空燃比とＮＯｘセンシング信号としてもよい）と排ガス中のＨＣ濃度とをマッピングしておき、このマップデータに基づいて排ガス中のＨＣ濃度を推定するように構成してもよい。

さらに、ＮＯｘセンサ出力によるＮＯｘパージ処理補正は、ＥＣＵによる学習機能を付加させて、次サイクルの初期値として設定してもよい。

本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置を説明するためのものであって、その全体構成を模式的に示す構成図である。 本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置を説明するためのものであって、ＮＯｘセンサの構成を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置を説明するためのものであって、燃料噴射制御に用いるマップ図である。 本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置を説明するためのものであって、排ガス中の実ＮＨ₃濃度に対する、排ガス中の実ＨＣ濃度の特性を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置を説明するためのものであって、時間に対する、それぞれ、空燃比，ＮＯｘセンシング信号Ｃ，実ＮＨ₃濃度，実ＨＣ濃度，実ＣＯ濃度，実ＮＯｘ濃度の特性を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置を説明するためのものであって、ＮＯｘパージ処理にかかる手順を示すフローチャートである。 従来技術を説明するためのものであって、時間に対する、それぞれ、空燃比及び排ガス中の実ＨＣ濃度の特性を示すグラフである。

符号の説明

１ エンジン
２ シリンダヘッド
３ 点火プラグ
４ 燃料噴射弁
５ 燃焼室
６ シリンダ
７ ピストン
８ キャビティ
９ 吸気ポート
１０ 排気ポート
１１ 吸気弁
１２ 排気弁
１３ 排気管（排ガス通路）
１４ 三元触媒
１５ ＮＯｘトラップ触媒
１６ 触媒温度センサ
１７ ＮＯｘセンサ（ＮＨ₃検出手段）
２０ エアフローセンサ
２１ エンジン回転数センサ
２２ アクセルポジションセンサ
３０ 電子制御装置（ＥＣＵ）
３１ 空燃比調整部（空燃比調整手段）
３２ 触媒昇温部
３３ ＮＯｘパージ実行部（ＮＯｘパージ実行手段）
３４ ＮＯｘパージ処理補正部（ＨＣ濃度推定手段，ＮＯｘパージ処理補正手段）
４１ 担体
４２ スリット
４３ 第１反応室（酸化部）
４３Ａ Ｐｔ電極
４４ 第２反応室
４４Ａ 外側電極
４４Ｂ 触媒電極
４４Ｃ 電極保護層
４５ 空気孔
４５Ａ 空気孔電極
４６ ヒータ
４７ 外部電極

Claims (7)

1. 内燃機関の排ガス通路に設けられ、排ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであるリーン雰囲気において該排ガス中のＮＯｘを吸蔵するＮＯｘトラップ触媒と、
   該排ガスの空燃比を調整する空燃比調整手段と、
   所定のＮＯｘパージ実行条件が成立した場合には、所定のパージ時間だけ該排ガスの空燃比を理論空燃比よりもリッチであるパージ用空燃比に変更するＮＯｘパージ処理を行うように該空燃比調整手段を制御するＮＯｘパージ実行手段と、
   該排ガス通路に設けられ、排ガス中のＮＨ₃を検出するＮＨ₃検出手段と、
   該ＮＯｘパージ実行手段により該排ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチ化されている際に、該ＮＨ₃検出手段の検出結果に基づいて、該排ガス中のＨＣの濃度を推定するＨＣ濃度推定手段と、
   該ＨＣ濃度推定手段により推定されたＨＣ濃度に基づいて、該パージ時間及び／又は該パージ用空燃比を補正するＮＯｘパージ処理補正手段とをそなえている
   ことを特徴とする、排ガス浄化装置。
2. 前記ＮＯｘパージ処理補正手段は、該ＮＯｘパージ処理が実行されている際に、該ＨＣ濃度推定手段により推定された該ＨＣ濃度が第１の所定濃度以上である場合には、該パージ時間を短くするように補正する
   ことを特徴とする、請求項１記載の排ガス浄化装置。
3. 前記ＮＯｘパージ処理補正手段は、該ＮＯｘパージ処理が実行されている際に、該ＨＣ濃度推定手段により推定された該ＨＣ濃度が第１の所定濃度以上である場合には、該パージ用空燃比をリーン化させるように補正する
   ことを特徴とする、請求項１又は２記載の排ガス浄化装置。
4. 該ＮＨ₃検出手段は、該ＮＯｘトラップ触媒よりも下流側に設けられ、該排ガス中のＮＯｘ濃度に応じてセンシング信号を出力するとともに、該排ガス中のＮＨ₃濃度（アンモニア濃度）に応じて該センシング信号を出力するＮＯｘセンサである
   ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の排ガス浄化装置。
5. 所定のＮＯｘパージ実行条件には、該空燃比調整手段により設定された該排ガスの空燃比が理論空燃比または理論空燃比よりもリーンである状態で、且つ、該ＮＯｘセンサから出力された該センシング信号がＮＯｘパージ実行値よりも大きいことが含まれる
   ことを特徴とする、請求項４記載の排ガス浄化装置。
6. 前記ＮＯｘパージ処理補正手段は、該ＮＯｘパージ処理が実行されている際に、ＨＣ濃度推定手段により推定された該ＨＣ濃度が、第２の所定濃度以下である場合には、該パージ時間が長くなるように補正する
   ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の排ガス浄化装置。
7. 前記ＮＯｘパージ処理補正手段は、該ＮＯｘパージ処理が実行されている際に、ＨＣ濃度推定手段により推定された該ＨＣ濃度が、第２の所定濃度以下である場合には、該パージ用空燃比をリッチ化させるように補正する
   ことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の排ガス浄化装置。

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