JP2008255841A - 内燃機関の排気浄化システムおよび酸素残存度合い推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気通路に設けられたＮＯｘ触媒に還元剤を間欠的に供給してＮＯｘ還元制御を行うときに、ＮＯｘ触媒内における酸素の残存度合いを精度良く推定する。
【解決手段】ＮＯｘ触媒に対するＮＯｘ還元制御において、ＮＯｘ触媒に添加燃料を間欠的に供給しているときの触媒床温と流入排気温度との温度差の変動幅を算出し（Ｓ１０３）、温度変動幅に基づいて添加燃料の酸化反応により消費された消費酸素量を算出する（Ｓ１０４）。そして、ＮＯｘ触媒に流入する排気に含まれる酸素量と消費酸素量とに基づいて酸素残存度合いを推定する（Ｓ１０５）。
【選択図】図４

Description

本発明は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を備えた内燃機関の排気浄化システムに関する。

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中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するために、内燃機関の排気系に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、単に「ＮＯｘ触媒」ともいう。）を配置する技術が知られている。

このＮＯｘ触媒は、流入する排気の空燃比がリーンのときは排気中のＮＯｘを吸蔵し、流入する排気の空燃比が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していたＮＯｘを窒素（Ｎ₂）に還元する。なお、この技術では、ＮＯｘ触媒において吸蔵されているＮＯｘの量
が増加すると浄化能力が低下するため、ＮＯｘ触媒に還元剤を供給し、該ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘを還元させる制御が行われる（以下、「ＮＯｘ還元制御」という。）。

このＮＯｘ還元制御はＮＯｘ触媒に還元剤を間欠的に供給し、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を一時的にリッチにさせることによって行われる。しかしながら、ＮＯｘ触媒において酸素が残存していると、ＮＯｘの還元反応が起こり難くなり、ＮＯｘ還元制御におけるＮＯｘの還元効率が悪化する虞がある。

ところで、特許文献１には、パティキュレートフィルタの複数の位置における温度の変動幅が大きいほど温度分布の均一性が低いと判断し、ＰＭ堆積量の推定を禁止する技術が開示されている。
特開２００５−２２６６３３号公報 特開平１１−１５３０２７号公報

本発明は、内燃機関の排気通路に設けられたＮＯｘ触媒に還元剤を間欠的に供給してＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元させるときにおいて、ＮＯｘ触媒内における酸素の残存度合いを精度良く推定することの可能な技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、ＮＯｘ触媒を備える内燃機関の排気浄化システムにおいて、ＮＯｘ触媒に還元剤を供給しているときにおける触媒床温とＮＯｘ触媒に流入する排気の温度との温度差の変動幅に基づいてＮＯｘ触媒内における酸素の残存度合いを推定することを最大の特徴とする。

より詳しくは、内燃機関の排気通路に設けられる吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、
前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に還元剤を間欠的に供給して前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元させる還元剤供給手段と、
前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の触媒床温を測定する床温測定手段と、
前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度を測定する流入排気温度測定手段と、
前記還元剤供給手段によって還元剤が間欠的に供給されているときにおける前記触媒床温と前記排気の温度との温度差の変動幅である温度変動幅に基づいて前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒における酸素残存度合いを推定する酸素残存度合い推定手段と、
を備えることを特徴とする。

還元剤供給手段によってＮＯｘ触媒に供給された還元剤（例えば、燃料等）が、ＮＯｘ触媒において排気中の酸素と反応して酸化されると、その酸化熱によってＮＯｘ触媒の触媒床温が上昇する。ＮＯｘ触媒に対して間欠的に還元剤が供給されると、ＮＯｘ触媒の触媒床温とＮＯｘ触媒に流入する排気の温度（以下、「流入排気温度」ともいう。）との温度差は周期的に変動する。

本発明においては、床温測定手段と流入排気温度測定手段とが、還元剤が間欠的に供給されているときにおける触媒床温と流入排気温度とを測定する。ここで、「測定」とは検出および推定を含む概念である。触媒床温と流入排気温度との温度差の変動幅である温度変動幅と還元剤を酸化するために消費される酸素量とは相関がある。また、排気中により多くの酸素が存在していれば、還元剤の酸化に消費される酸素量も多くなると考えられる。

つまり、触媒床温を測定する測定位置における温度変動幅が大きいほど、当該測定位置において還元剤の酸化に消費される酸素量が多く、ＮＯｘ触媒における酸素残存度合いが高くなる。「酸素の残存度合い」とは、ＮＯｘ触媒内部において酸素が残存している程度の大きさを意味する。例えば、「酸素の残存度合い」が高いほどＮＯｘ触媒に流入した排気中に残存する酸素量が多いことを表す。

以上のように、本発明における酸素残存度合い推定手段は、還元剤供給手段によって還元剤が間欠的に供給されているときにおける温度変動幅に基づいてＮＯｘ触媒における酸素残存度合いを好適に推定できる。また、本発明に係る内燃機関の排気浄化システムにおいて、酸素残存度合い推定手段は、温度変動幅が大きいほど触媒床温の測定位置における酸素残存度合いが高いと判断しても良い。

ＮＯｘ還元制御を実施した場合、ＮＯｘ触媒における酸素残存度合いが低いほどＮＯｘの還元反応が促進されるため、ＮＯｘ触媒内の全領域において酸素残存度合いが低くなることが好ましい。つまり、ＮＯｘ触媒内の何れの位置における温度変動幅も小さくなった方が良いとも考えられる。しかしながら、例えば排気中に酸素が多く存在しているにも関わらず、ＮＯｘ触媒に供給された還元剤の酸化が促進されないことによって温度変動幅が小さくなってしまう場合もある。その場合には、ＮＯｘ触媒内のより上流側の位置において排気中の酸素をより多く消費し、ＮＯｘ触媒における酸素残存度合いを早い段階で低くすることが好ましい。

そこで、本発明においては、ＮＯｘ触媒内の所定の上流側領域における温度変動幅である上流側温度変動幅が所定の下限変動幅よりも小さい場合に、ＮＯｘ触媒における還元剤の酸化を促進させる還元剤酸化促進手段を、更に備えても良い。「所定の上流側領域」とは、ＮＯｘ触媒において、ＮＯｘ触媒の前端部から所定の範囲内の領域を意味しており、排気中の酸素を可及的多く消費することが要求される領域である。この上流側領域は予め実験的に定められても良く、例えばＮＯｘ触媒における前端部近傍の領域であっても良い。

「所定の下限変動幅」とは、ＮＯｘ触媒の上流側領域における温度変動幅に許容される下限値を意味する。本発明においては、上流側温度変動幅が下限変動幅よりも小さくなると、排気中に酸素が多く存在するにも関わらず上流側領域において充分に酸素を消費することが困難であると判断しても良い。

本発明によれば、還元剤酸化促進手段によってＮＯｘ触媒における還元剤の酸化を促進
させることができる。還元剤の酸化反応が促進されるとより多くの酸素が消費され、上流側温度変動幅を下限変動幅以上に増大させることができる。その結果、ＮＯｘ触媒のより下流側まで酸素残存度合いが高く維持されることを抑制し、ＮＯｘの還元効率が悪化することを抑制できる。

一方、触媒床温の測定位置がＮＯｘ触媒における所定の下流側領域である場合には温度変動幅が小さくなる方が好ましい。「所定の下流側領域」とは、ＮＯｘ触媒において、ＮＯｘ触媒の後端部から所定の範囲内の領域を意味しており、排気中にいまだ多くの酸素が存在するならばＮＯｘの還元効率が過度に悪化する虞のある領域である。この下流側領域は予め実験的に定められても良く、例えば後端部近傍の領域であっても良い。

そこで、本発明に係る内燃機関の排気浄化システムにおいては、ＮＯｘ触媒内の所定の下流側領域における温度変動幅である下流側温度変動幅が所定の上限変動幅よりも大きい場合に、ＮＯｘ触媒における還元剤の酸化を促進させる還元剤酸化促進手段および／またはＮＯｘ触媒に流入する排気中の酸素量を低減させる流入酸素量低減手段を、更に備えても良い。

「所定の上限変動幅」とは、ＮＯｘ触媒の下流側領域における温度変動幅に許容される上限値を意味する。また本発明においては、下流側温度変動幅が上限変動幅よりも大きい場合に、当該下流側領域においていまだ酸素残存度合いが充分に低くなっていないと判断されても良い。

そのような場合に、本発明においては、上述した還元剤酸化促進手段によってＮＯｘ触媒における還元剤の酸化を促進させても良い。これにより、ＮＯｘ触媒の上流側においてより多くの酸素を消費させ、下流側温度変動幅を上限変動幅以下に低減させることが可能となる。また、流入酸素量低減手段によってＮＯｘ触媒に流入する排気中の酸素量を低減させ、下流側温度変動幅を上限変動幅以下まで低減させるようにしても良い。

また、本発明に係る内燃機関の排気浄化システムにおいて、床温測定手段はＮＯｘ触媒の排気流れ方向において少なくとも２箇所における触媒床温を測定し、酸素残存度合い推定手段は、酸素残存度合いが所定の許容値まで低下するＮＯｘ触媒の前端部からの距離（以下、「酸素残存距離」ともいう。）を少なくとも２箇所における温度変動幅に基づいて推定しても良い。

「所定の許容値」とは、ＮＯｘ触媒において効率よくＮＯｘの還元反応を起こさせる観点から許容される酸素残存度合いの閾値である。例えば、酸素残存度合いが所定の許容値まで低下したときにおけるＮＯｘ触媒内の酸素の残存量は略零であっても良い。

本発明において、例えばＮＯｘ触媒の排気流れ方向において２箇所の触媒床温を測定した場合、上流側における温度変動幅が下流側における温度変動幅よりも大きく且つその差が大きいほど、より上流側において酸素残存度合いが低減されていると判断できる。従って、その場合においては酸素残存距離が小さくなるように推定されても良い。一方、上流側における温度変動幅が下流側における温度変動幅よりも大きく且つその差が小さいほど、酸素残存距離が大きくなるように推定されても良い。

また、酸素残存度合い推定手段は、下流側における温度変動幅に対する上流側における温度変動幅の比（以下、「温度変動幅比」ともいう。）に基づいて酸素残存距離を推定しても良い。また、温度変動幅比が大きいほど、酸素残存距離がより小さくなるように推定されても良い。

ここで、ＮＯｘの還元効率を向上させる観点から、酸素残存距離は可及的に小さくすることが好ましい。しかしながら、酸素残存距離が所定距離よりも長くなってしまう場合があると考えられる。「所定距離」とは、酸素残存度合いが許容値よりも高くなる領域が広がってＮＯｘの還元効率が過度に悪化することを抑制するための閾値となる上限距離である。

本発明に係る内燃機関の排気浄化システムにおいては、酸素残存距離が所定距離よりも長い場合にＮＯｘ触媒における還元剤の酸化を促進させる還元剤酸化促進手段および／またはＮＯｘ触媒に流入する排気中の酸素量を低減させる流入酸素量低減手段を、更に備えても良い。

還元剤酸化促進手段が還元剤の酸化を促進させることによってＮＯｘ触媒の上流側でより多くの酸素を消費させ、或いは流入酸素量低減手段がＮＯｘ触媒に流入する排気中の酸素量を低減させることによって、好適に酸素残存距離を短くすることができる。これにより、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの還元効率を好適に向上させることができる。

なお、本発明における「所定距離」は例えば略零あっても良い。つまり、この場合にはＮＯｘ触媒の前端部において酸素残存度合いを上記許容値まで低下するようにＮＯｘ還元制御が実行される。これにより、ＮＯｘ触媒における排気流れ方向の略全域に亘ってＮＯｘの還元効率を向上させることができる。あるいは、所定距離はＮＯｘ触媒の前端部から後端部までの距離に対する所定の割合より小さくなるように定められても良く、予め実験的に定められても良い。

また、本発明において、還元剤酸化促進手段は、酸素残存距離の長さ、あるいは酸素残存距離と所定距離との差に応じてＮＯｘ触媒における還元剤の酸化を促進させる度合いを調節しても良い。また、流入酸素量低減手段は、酸素残存距離の長さ、あるいは酸素残存距離と所定距離との差に応じてＮＯｘ触媒に流入する排気中の酸素量を低減させる度合いを調節しても良い。これにより、酸素残存度合いが許容値以下まで低下するＮＯｘ触媒における位置を、より精度良く調節することができる。

また、本発明に係る内燃機関の排気浄化システムにおいて、酸素残存度合い推定手段は、少なくとも２箇所における温度変動幅に基づいて酸素残存度合いの排気流れ方向における分布を推定しても良い。これにより、排気流れ方向の任意の位置における酸素残存度合いを詳細に推定することができる。

また、本発明に係る酸素残存度合い推定方法においては、内燃機関の排気通路に設けられるＮＯｘ触媒に還元剤を間欠的に供給してＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元させるＮＯｘ還元制御を実行する場合に、還元剤が間欠的に供給されているときにおけるＮＯｘ触媒の触媒床温と該ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度との温度差の変動幅である温度変動幅に基づいてＮＯｘ触媒における酸素残存度合いを推定することを特徴とする。

また、本発明に係る酸素残存度合い推定方法は、ＮＯｘ触媒の排気流れ方向の少なくとも２箇所における温度変動幅に基づいて、酸素残存度合いが所定の許容値まで低下するＮＯｘ触媒の前端部からの距離を推定しても良い。

本発明にあっては、内燃機関の排気通路に設けられたＮＯｘ触媒に還元剤を間欠的に供給してＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元させるときにおいて、ＮＯｘ触媒内における酸素の残存度合いを精度良く推定することができる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。尚、本実施の形態に記載されている構成要素の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に特定的な記載がない限りは、発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜内燃機関の吸排気系の概略構成＞
ここでは、本発明を車両駆動用のディーゼルエンジンに適用した場合を例に挙げて説明する。図１は、本実施例における内燃機関の吸排気系の概略構成を示した図である。

内燃機関１は車両駆動用のディーゼルエンジンである。この内燃機関１には、吸気通路３および排気通路２が接続されている。吸気通路３にはスロットル弁７が設けられている。排気通路２には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、単に「ＮＯｘ触媒」という。）５が設けられている。ＮＯｘ触媒５は、周囲雰囲気が酸化雰囲気のときに排気中のＮＯｘを吸蔵し周囲雰囲気が還元雰囲気のときに吸蔵していたＮＯｘを還元する触媒である。

排気通路２におけるＮＯｘ触媒５よりも上流側には排気中に還元剤として燃料を添加する燃料添加弁６が設けられている。さらに、排気通路２におけるＮＯｘ触媒５の上流側およびＮＯｘ触媒５には第１温度センサ８および第２温度センサ９がそれぞれ設けられている。また、排気通路２における燃料添加弁６と第１温度センサ８との間には電熱ヒータ１１が設けられている。電熱ヒータ１１が通電されることにより、ＮＯｘ触媒５に流入する排気の温度（以下、「流入排気温度」という。）が上昇する。

以上述べたように構成された内燃機関１には、この内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）１０が併設されている。ＥＣＵ１０に
は第１温度センサ８および第２温度センサ９が電気的に接続されている。そして、これらの出力信号がＥＣＵ１０に入力される。ＥＣＵ１０は、第１温度センサ８の出力値に基づいてＮＯｘ触媒５に流入する排気の温度（以下、「流入排気温度」という。）を推定し、第２温度センサ９の出力値に基づいてＮＯｘ触媒５の触媒床温を推定する。本実施例においては触媒床温および流入排気温度を推定するＥＣＵ１０が本発明における床温測定手段および流入排気温度測定手段に相当する。なお、触媒床温の推定方法については、上記した方法に限られるものではなく、従来より既知の種々の方法を用いることができる。例えば、ＮＯｘ触媒５に熱電対を配置し、この検出値に基づいて触媒床温を推定するようにしても良い。

また、ＥＣＵ１０には内燃機関１の燃焼に用いられる燃料を噴射する燃料噴射弁４、燃料添加弁６、スロットル弁７、電熱ヒータ１１が電気的に接続されている。ＥＣＵ１０によってこれらが制御される。

＜ＮＯｘ還元制御＞
本実施例では、ＮＯｘ触媒５に吸蔵されたＮＯｘを還元すべくＮＯｘ還元制御が実行される。本実施例に係るＮＯｘ還元制御は燃料添加弁６から間欠的に燃料を添加することで、該燃料が下流側に設けられるＮＯｘ触媒５に供給される。燃料添加弁６から添加された燃料（以下、単に「添加燃料」という。）を含んだ排気がＮＯｘ触媒５に流入すると、ＮＯｘ触媒５の有する酸化能によって排気中の酸素が添加燃料の酸化反応によって消費される。その結果、ＮＯｘ触媒５の周囲雰囲気の空燃比が低下し易くなり、好適にＮＯｘ触媒５に吸蔵されたＮＯｘが還元される。

しかしながら、ＮＯｘ触媒５内における酸素残存度合いが高い場合には、低い場合に比
べてＮＯｘの還元反応が起こり難くなり、ＮＯｘ還元制御におけるＮＯｘの還元効率が悪化する。「酸素残存度合い」とは、ＮＯｘ触媒５に流入した排気（以下、「触媒通過排気」という。）に含まれる酸素が残存している程度の大きさを意味する。本実施例においては酸素残存度合いが高いとは、触媒通過排気に含まれる酸素の残存量が多いことを表す。

更に、ＮＯｘ触媒５の下流側にゆくほど触媒通過排気に含まれる酸素の残存量は減少する。ＮＯｘ触媒５の下流側まで酸素が多く残存すると、効率的にＮＯｘの還元反応が起こる領域が狭くなる。従って、ＮＯｘ触媒５内における酸素残存度合いを速やかに低減することが要求される。

＜酸素残存度合い推定制御＞
本実施例では、ＮＯｘ触媒５に対するＮＯｘ還元制御の実行時において、ＮＯｘ触媒５内における酸素残存度合いを推定する。以下、本実施例における酸素残存度合い推定制御について説明する。図２は、本実施例における燃料添加弁６からの間欠的な燃料添加が実行されているときのＮＯｘ触媒５の触媒床温と流入排気温度との温度差変動を示した図である。図２において、縦軸はＮＯｘ触媒５の触媒温度と流入排気温度との温度差ΔＴを表しており、横軸は時間ｔを表している。

また、図２において、曲線Ｌ１は、ＮＯｘ触媒５内の酸素残存度合いが高い状態の温度差ΔＴの変動を表しており、曲線Ｌ２は、酸素残存度合いが低い状態の温度差ΔＴの変動を表している。ＮＯｘ触媒５に対して間欠的に添加燃料が供給されると、触媒通過排気中に残存する酸素と添加燃料との酸化反応によって生じる酸化熱によって触媒温度は周期的に変動する。つまり、温度差ΔＴは図示のように周期的に変動する（Ｌ１、Ｌ２）。図中のＤは触媒床温と流入排気温度との温度差の変動幅（以下、単に「温度変動幅」という。）を表す。

曲線Ｌ１に示すように、第２温度センサ９が触媒温度を検出する位置において酸素残存度合いが高い場合、つまり、触媒通過排気に含まれる酸素の残存量が多い場合には添加燃料がより多くの酸素と反応する。従って、発生する酸化熱量も多くなり、温度変動幅Ｄが大きくなる。一方、曲線Ｌ２に示すように、触媒温度を検出する位置における酸素残存度合いが低い場合、つまり、触媒通過排気に含まれる酸素の残存量が少ない場合には添加燃料の酸化熱量が少なくなり、温度変動幅Ｄが小さくなる。

図３は、本実施例における温度変動幅Ｄと酸素残存度合いとの関係を例示した図である。図示のように、燃料添加弁６から間欠的に燃料を添加しているときにおける温度変動幅Ｄが大きくなるほどＮＯｘ触媒５内の酸素残存度合いが高いと判断される。本実施例においては、ＮＯｘ還元制御の実行時における温度変動幅Ｄに基づいてＮＯｘ触媒５内の酸素残存度合いを推定する。

＜酸素残存度合い推定ルーチン＞
以下、本実施例における酸素残存度合い推定ルーチンについて図４に示すフローチャートに基づいて説明する。図４は、本実施例における酸素残存度合い推定ルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、ＥＣＵ１０に予め記憶されており、ＮＯｘ触媒５に対するＮＯｘ還元制御が行われる毎に実行されるルーチンである。

本ルーチンでは、ＥＣＵ１０は、ステップＳ１０１において、内燃機関１の運転状態を検出する。具体的には、エアフローメータの検出値に基づいて吸入空気量Ｇａを推定し、燃料噴射弁４に出している指令信号から燃料噴射量Ｑｆを読み込む。そして、吸入空気量Ｇａと燃料噴射量Ｑｆとに基づいてＮＯｘ触媒に流入する酸素量（以下、「流入酸素量」）を推定する。

次に、ＥＣＵ１０は、ステップＳ１０２に進み、燃料添加弁６に指令を出し、燃料添加弁６に燃料を間欠的に添加させる。このときの燃料添加量は予め実験的に求めておく。例えば、ＮＯｘ触媒５に流入する排気の空燃比が目標空燃比（略ストイキ〜リッチ空燃比）となるような量に制御される。目標空燃比はＮＯｘ触媒の周囲雰囲気が還元雰囲気となる空燃比である。本実施例においては、燃料添加弁６に燃料を添加させるＥＣＵ１０が本発明における還元剤供給手段に相当する。

次に、ＥＣＵ１０は、ステップＳ１０３に進み、第１温度センサ８および第２温度センサ９の検出値に基づいて流入排気温度および触媒床温を推定する。そして、触媒床温から流入排気温度を減算することによって前述の温度変動幅Ｄを算出する。

次に、ＥＣＵ１０は、ステップＳ１０４に進み、ステップＳ１０３において算出された温度変動幅Ｄの値に基づいて添加燃料の酸化反応により消費された消費酸素量を算出する。例えば、温度変動幅Ｄと消費酸素量との関係を予め実験的に求めておいても良い。

次に、ＥＣＵ１０は、ステップＳ１０５に進み、流入酸素量と消費酸素量とに基づいて排気中に残存する酸素の残存量を算出する。そして、酸素の残存量に基づいて酸素残存度合いを推定する。前述したように、酸素残存度合いは酸素の残存量の程度を表し、本実施例においては酸素の残存量が多いほど、酸素の残存度合いが高くなるように推定される。本実施例においてはＥＵＣ１０が本発明における酸素残存度合い推定手段に相当する。

本ステップの処理が終わると、ＥＣＵ１０は本ルーチンの実行を一旦終了する。以上説明したルーチンによれば、ＮＯｘ触媒５に対するＮＯｘ還元制御の実行時に、ＮＯｘ触媒５内の酸素残存度合いを精度良く推定することができる。

次に、本実施例におけるＮＯｘ還元制御を実行するときの、第２温度センサ９を配置する位置による温度変動幅Ｄの違いについて詳しく説明する。図５は、本実施例における燃料添加弁６からの間欠的な燃料添加が実行されているときのＮＯｘ触媒５の触媒床温と流入排気温度との温度差ΔＴの変動を例示した図である。

図５（ａ）は、第２温度センサ９をＮＯｘ触媒５の前端部近傍に配置したときの温度差ΔＴの変動（曲線Ｌ３）を例示した図である。図５（ｂ）は、第２温度センサ９をＮＯｘ触媒５の後端部近傍に配置したときの温度差ΔＴの変動（曲線Ｌ４）を例示した図である。また、ＮＯｘ触媒５の前端部近傍における温度変動幅をＤ１、ＮＯｘ触媒５の後端部近傍における温度変動幅をＤ２により図示する。

ＮＯｘ触媒５内の酸素残存度合いはＮＯｘ触媒５の下流側ほど低減してゆくため、ＮＯｘ触媒５の前端部近傍における温度変動幅Ｄ１よりも後端部近傍における温度変動幅Ｄ２の方が小さくなる。本実施例においてはＮＯｘ触媒５の前端部近傍と後端部近傍とが、それぞれ本発明における所定の上流側領域と所定の下流側領域に相当する。また、前端部近傍における温度変動幅Ｄ１と後端部近傍における温度変動幅Ｄ２とが、それぞれ本発明における上流側温度変動幅と下流側温度変動幅とに相当する。

図５（ａ）に示された前端部近傍における温度変動幅Ｄ１の値は、大きい方が好ましい。酸素残存度合いが前端部近傍において好適に低減すると判断できるからである。本実施例においては、前端部近傍における温度変動幅Ｄ１が前端部許容下限変動幅ＬＤ１よりも小さい場合には、ＮＯｘ還元制御の実行時において添加された添加燃料の酸化反応を促進させる燃料酸化促進制御を実行する。

「前端部許容下限変動幅ＬＤ１」とは、ＮＯｘ触媒５の前端部近傍における温度変動幅Ｄ１に許容される下限値である。温度変動幅Ｄ１が許容下限変動幅ＬＤ１よりも小さい場合には、ＮＯｘ触媒５全体としてＮＯｘの還元効率が過度に悪化するほど前端部近傍における酸素の消費量が不十分であると判断される。また、この値はＮＯｘ触媒５の排気流れ方向における位置に応じて予め実験的に求めておく。本実施例においては前端部許容下限変動幅ＬＤ１が、本発明における所定の下限変動幅に相当する。

ここで、ＥＣＵ１０が実行する燃料酸化促進制御について説明する。本実施例における燃料酸化促進制御は、ＮＯｘ還元制御の実行時においてＮＯｘ触媒５を昇温することとした。具体的には電熱ヒータ１１を通電することによって流入排気温度および触媒床温を通常時におけるＮＯｘ還元制御に比べて上昇させる。

これにより、ＮＯｘ触媒５の前端部においてより燃料の酸化反応が促進するため、前端部近傍における温度変動幅Ｄ１を好適に増大させることができる。また、電熱ヒータ１１をＮＯｘ触媒５に配設して直接ＮＯｘ触媒５を昇温しても良い。本実施例においては燃料酸化促進制御を実行するＥＣＵ１０が、本発明における還元剤酸化促進手段に相当する。

また、燃料酸化促進制御として、内燃機関１における膨張行程に燃料噴射弁４から副燃料噴射を実行する制御を例示できる。これによれば、内燃機関１から排出される排気の温度が上昇し、それに伴って触媒床温が上昇する。また、排気通路２を流れる排気の一部を吸気通路３に再循環させるＥＧＲ装置が設けられている場合、ＥＧＲガス量を増加させることで内燃機関１から排出される排気の温度を上昇させても良い。これにより、ＮＯｘ触媒５の前端部において燃料の酸化反応が促進される。

また、内燃機関１において排気行程時に燃料噴射弁４から副燃料噴射を実行しても良い。この場合、副燃料噴射により霧化が促進された燃料がＮＯｘ触媒５に供給されるので、ＮＯｘ触媒５における添加燃料の酸化反応が促進される。また、燃料添加弁６からの燃料添加を通常よりも細分化して実施したり、通常時に添加される燃料よりもより軽質な燃料を添加したりすることによって、添加燃料の酸化反応を促進させるようにしても良い。なお、本実施例においては、前端部近傍における温度変動幅Ｄ１に応じて、あるいは温度変動幅Ｄ１と前端部許容下限変動幅ＬＤ１との差に応じて燃料酸化促進制御を実行するときの添加燃料の酸化を促進させる度合いを調節するようにしても良い。

一方、図５（ｂ）に示すように、後端部近傍における温度変動幅Ｄ２の値は、前端部近傍における温度変動幅Ｄ１とは逆に小さくなることが好ましい。後端部近傍における温度変動幅Ｄ２が大きくなるということは、後端部近傍において酸素残存度合いが高く維持されていると判断されるため、ＮＯｘ還元制御におけるＮＯｘの還元効率が過度に悪化する虞がある。

本実施例においては、後端部近傍における温度変動幅Ｄ２が後端部許容上限変動幅ＬＤ２よりも大きい場合に、燃料酸化促進制御および／または流入酸素量を低減する流入酸素量低減制御を実行することとした。「後端部許容上限変動幅ＬＤ２」とは、ＮＯｘ触媒５の後端部近傍における温度変動幅Ｄ２に許容される上限値であり、予め実験的に求めておく。温度変動幅Ｄ２が後端部許容上限変動幅ＬＤ２よりも大きい場合には、当該位置においていまだ酸素残存度合いが充分に低くなっていないと判断される。

ここで、燃料酸化促進制御を実行すると、上述したようにＮＯｘ触媒５において酸化される添加燃料の酸化反応が促進する。従って、ＮＯｘ触媒５のより上流側において触媒通過排気に含まれる酸素を消費できる。これにより、後端部近傍における温度変動幅Ｄ２を好適に低減できる。なお、本実施例においては、後端部近傍における温度変動幅Ｄ２に応
じて、あるいは温度変動幅Ｄ２と後端部許容上限変動幅ＬＤ２との差に応じて燃料酸化促進制御を実行するときの添加燃料の酸化を促進させる度合いを調節するようにしても良い。

次に、ＥＣＵ１０が実行する流入酸素量低減制御について説明する。本実施例における流入酸素量低減制御は、ＮＯｘ還元制御の実行時においてスロットル弁７の開度を小さくする制御を例示できる。これにより、吸入空気量が減少するため流入酸素量を好適に低減できる。また、本実施例の排気浄化システムが上述したＥＧＲ装置を備える場合に、ＥＧＲガス量を増加させることによって流入酸素量を低減しても良い。流入酸素量を低減することによって後端部近傍における温度変動幅Ｄ２を好適に低減することができる。

本実施例においては、後端部近傍における温度変動幅Ｄ２に応じて、あるいは温度変動幅Ｄ２と後端部許容上限変動幅ＬＤ２との差に応じて流入酸素量低減制御を実行するときの流入酸素量を低減する度合いを調節するようにしても良い。本実施例においては流入酸素量低減制御を実行するＥＣＵ１０が、本発明における流入酸素量低減手段に相当する。

また、本実施例においては、後端部近傍における温度変動幅Ｄ２が後端部許容上限変動幅ＬＤ２よりも大きい場合に、燃料酸化促進制御の代わりに流入酸素量低減制御を実行しても良いし、燃料酸化促進制御と流入酸素量低減制御とを併せて実行しても良い。

以上説明したように、ＮＯｘ還元制御の実行時において温度変動幅Ｄに基づいて燃料酸化促進制御および／または流入酸素量低減制御を実行することが必要か否か好適に判断することができる。また、上記の制御を適宜行うことによって、ＮＯｘ触媒５のより上流側において速やかに酸素残存度合いを低下させることが可能となり、以ってＮＯｘの浄化率を向上させることができる。

なお、前端部近傍における温度変動幅Ｄ１を推定した場合と後端部近傍における温度変動幅Ｄ２を推定した場合について説明したが、温度変動幅を推定する基礎となる触媒床温の検出位置は特に限定されるものではない。

＜酸素残存度合い推定制御の変形例＞
次に、本実施例における酸素残存度合い推定制御の変形例について説明する。具体的には、ＮＯｘ還元制御の実行時においてＮＯｘ触媒５内の酸素残存度合いが許容酸素残存度合いまで低下するＮＯｘ触媒５の前端部からの距離（以下、この距離を単に「酸素残存距離」という。）を推定する酸素残存距離推定制御について説明する。

「許容酸素残存度合い」とは、ＮＯｘ触媒５において効率よくＮＯｘの還元反応を起こさせる観点から許容される酸素残存度合いの閾値である。例えば、酸素残存度合いが許容酸素残存度合いまで低下したときにおける、ＮＯｘ触媒５内の酸素の残存量は略零であっても良い。本実施例においては許容酸素残存度合いが、本発明における所定の許容値に相当する。

本実施例における酸素残存距離推定制御では、燃料添加弁６からの間欠的な燃料添加を実行する時において、ＮＯｘ触媒５の排気流れ方向において上流側と下流側との２箇所において温度変動幅を推定し、これらに基づいて酸素残存距離を推定する。

図６は、本実施例における酸素残存距離推定制御を実行するときの触媒床温の測定位置を例示した図である。図示のように、触媒床温を検出するための上流側温度センサ９ａと下流側温度センサ９ｂとがＮＯｘ触媒５の上流側と下流側とにそれぞれ配置されている。図中の記号ＡおよびＢは、ＮＯｘ触媒５における上記温度センサが配置される位置を表す
。また、図中の実線矢印は排気の流通する方向を表す。

図７は、本実施例における燃料添加弁６からの間欠的な燃料添加が実行されているときのＮＯｘ触媒５のＡ及びＢの位置における触媒床温と流入排気温度との温度差ΔＴの変動を例示した図である。図７（ａ）は、ＮＯｘ触媒５の上流側において残存する酸素が殆んど消費される場合を例示した図である。図７（ｂ）は、ＮＯｘ触媒５の上流側において残存する酸素があまり消費されない場合を例示した図である。

図７（ａ）、（ｂ）において実線で示す曲線Ｌ５、曲線Ｌ７は、ＮＯｘ触媒５のＡ（上流側）の位置における温度差ΔＴの変動を表す。破線で示す曲線Ｌ６、曲線Ｌ８は、ＮＯｘ触媒５のＢ（下流側）の位置における温度差ΔＴの変動を表すものである。また、曲線Ｌ５、曲線Ｌ７の温度変動幅を上流側温度変動幅ＤＦ、曲線Ｌ６、曲線Ｌ８の温度変動幅を下流側温度変動幅ＤＲとして図中に示す。

図７（ａ）に示すようにＮＯｘ触媒５の上流側において排気中に残存する酸素がほとんど消費された場合には、該上流側において生じる酸化熱量が大きくなる。従って、図示のように、曲線Ｌ５における上流側温度変動幅ＤＦは非常に大きくなる。一方、ＮＯｘ触媒５の下流側では酸素の残存量が非常に少なくなるため、曲線Ｌ６における下流側温度変動幅ＤＲは非常に小さくなる。その結果、図７（ａ）においては上流側温度変動幅ＤＦと下流側温度変動幅ＤＲとの差が非常に大きくなる。

次に、図７（ｂ）に示すようにＮＯｘ触媒５の上流側において排気中に残存する酸素があまり消費されない場合には、曲線Ｌ７における上流側温度変動幅ＤＦは図７（ａ）に示した曲線Ｌ５に比べて小さくなり、曲線Ｌ８における下流側温度変動幅ＤＲは図７（ａ）に示した曲線Ｌ６に比べて大きくなる。その結果、図７（ｂ）においては上流側温度変動幅ＤＦと下流側温度変動幅ＤＲとの差が小さくなる。

図８は、本実施例における下流側温度変動幅ＤＲに対する上流側温度変動幅ＤＦの比と酸素残存距離Ｌとの関係を例示した図である。ここで、酸素残存距離Ｌは図６に示すように、ＮＯｘ触媒５の前端部からの距離によって表される。

図示のように、下流側温度変動幅ＤＲに対する上流側温度変動幅ＤＦの比（以下、「温度変動幅比」という。）が大きいほど酸素残存距離ＬはＮＯｘ触媒５において、より上流側になると判断される。酸素残存距離Ｌの推定は、具体的には上流側温度変動幅ＤＦと下流側温度変動幅ＤＦと温度変動幅比と酸素残存距離Ｌとの関係を予め実験的に求めておき、該関係をマップ化しておきＥＣＵ１０内に格納しておく。そして、ＥＣＵ１０がＮＯｘ還元制御の実行時における上流側温度センサ９ａ、下流側温度センサ９ｂ、第１温度センサ８の検出値と上記マップに基づいて酸素残存距離Ｌを求めるようにしても良い。

ここで、ＮＯｘの還元効率を向上させる観点から酸素残存距離Ｌの値は小さいほど好適である。しかしながら、ＮＯｘ還元制御の実行時において、推定された酸素残存距離Ｌが許容酸素残存距離ＬＬよりも長くなることも考えられる。「許容酸素残存距離ＬＬ」とは、酸素残存度合いが許容酸素残存度合いよりも高くなる領域が過度に広くなってＮＯｘの還元効率が悪化することを抑制する観点から定められる閾値である。本実施例では、酸素残存距離Ｌが許容酸素残存距離ＬＬよりも長い場合に、ＮＯｘの還元効率が過度に悪化する虞があると判断される。

そこで、本実施例では、ＮＯｘ還元制御の実行時において、推定された酸素残存距離Ｌが許容酸素残存距離ＬＬよりも長い場合に、上述した燃料酸化促進制御および／または流入酸素量低減制御を実行しても良い。

ＮＯｘ還元制御において燃料酸化促進制御を実行すると、ＮＯｘ触媒５のより上流側において触媒通過排気に含まれる酸素を消費できる。これにより、上流側温度変動幅ＤＦを増大させると共に下流側温度変動幅ＤＲを低減できる。その結果、温度変動幅比が増大することによって好適に酸素残存距離Ｌを許容酸素残存距離ＬＬ以下まで減少させることができる。また、流入酸素量低減制御の実行することによって、下流側温度変動幅ＤＲが低減させるとともに温度変動幅比を増大させても良い。これにより、ＮＯｘ触媒５のＮＯｘ還元制御におけるＮＯｘの還元効率を向上させることができる。

また、本実施例においては、酸素残存距離Ｌ、あるいは酸素残存距離Ｌと許容酸素残存距離ＬＬとの差に応じて燃料酸化促進制御を実行するときの添加燃料の酸化を促進させる度合いを調節しても良い。また、酸素残存距離Ｌ、あるいは酸素残存距離Ｌと許容酸素残存距離ＬＬとの差に応じて流入酸素量低減制御を実行するときの流入酸素量を低減させる度合いを調節しても良い。これにより、酸素残存度合いが許容酸素残存度合いまで低下するＮＯｘ触媒５においての位置を、より精度良く制御することができる。

尚、本実施例の酸素残存距離推定制御において、上流側温度変動幅ＤＦよりも下流側温度変動幅ＤＲの方が大きくなった場合には、ＮＯｘ触媒５に何等かの異常（例えば、触媒の熱劣化等）が生じていると判定しても良い。その場合には、ＮＯｘ還元制御の実行を停止すると共に、ＮＯｘ触媒５に異常が生じていることを、内燃機関１を搭載した車両の運転者に通知しても良い。

また、本実施例においては、排気通路２に設けられた燃料添加弁６から燃料を添加することでＮＯｘ触媒５に還元剤となる燃料を供給するが、燃料添加弁６からの燃料添加に代えて、内燃機関１の膨張行程や排気行程等に燃料噴射弁４から燃料を副噴射させるようにしても良い。

実施例１における内燃機関の吸排気系の概略構成を示した図である。 実施例１における燃料添加弁からの間欠的な燃料添加が実行されているときのＮＯｘ触媒の触媒床温と流入排気温度との温度差変動を示した図である。 実施例１における温度変動幅Ｄと酸素残存度合いとの関係を例示した図である。 実施例１における酸素残存度合い推定ルーチンを示すフローチャートである。 実施例１における燃料添加弁からの間欠的な燃料添加が実行されているときのＮＯｘ触媒の触媒床温と流入排気温度との温度差ΔＴの変動を例示した図である。（ａ）は、第２温度センサをＮＯｘ触媒の前端部近傍に配置したときの温度差ΔＴの変動を例示した図である。（ｂ）は、第２温度センサをＮＯｘ触媒の後端部近傍に配置したときの温度差ΔＴの変動を例示した図である。 実施例１における酸素残存距離推定制御を実行するときの触媒床温の測定位置を例示した図である。 実施例１における燃料添加弁からの間欠的な燃料添加が実行されているときのＮＯｘ触媒のＡ及びＢの位置における触媒床温と流入排気温度との温度差ΔＴの変動を例示した図である。（ａ）は、ＮＯｘ触媒の上流側において残存する酸素が殆んど消費された場合を例示した図である。（ｂ）は、ＮＯｘ触媒の上流側において残存する酸素があまり消費されない場合を例示した図である。 実施例１における下流側温度変動幅ＤＲに対する上流側温度変動幅ＤＦの比と酸素残存距離Ｌとの関係を例示した図である。

符号の説明

１・・・内燃機関
２・・・排気通路
３・・・吸気通路
４・・・燃料噴射弁
５・・・吸蔵還元型ＮＯｘ触媒
６・・・燃料添加弁
７・・・スロットル弁
８・・・第１温度センサ
９・・・第２温度センサ
１０・・ＥＣＵ

Claims (8)

1. 内燃機関の排気通路に設けられる吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、
   前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に還元剤を間欠的に供給して前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元させる還元剤供給手段と、
   前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の触媒床温を測定する床温測定手段と、
   前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度を測定する流入排気温度測定手段と、
   前記還元剤供給手段によって還元剤が間欠的に供給されているときにおける前記触媒床温と前記排気の温度との温度差の変動幅である温度変動幅に基づいて前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒における酸素残存度合いを推定する酸素残存度合い推定手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
2. 前記酸素残存度合い推定手段は、前記温度変動幅が大きいほど前記触媒床温の測定位置における酸素残存度合いが高いと推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。
3. 前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒内の所定の上流側領域における前記温度変動幅である上流側温度変動幅が所定の下限変動幅よりも小さい場合に、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒における前記還元剤の酸化を促進させる還元剤酸化促進手段を、更に備えることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
4. 前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒内の所定の下流側領域における前記温度変動幅である下流側温度変動幅が所定の上限変動幅よりも大きい場合に、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒における前記還元剤の酸化を促進させる還元剤酸化促進手段および／または前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気中の酸素量を低減させる流入酸素量低減手段を、更に備えることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
5. 前記床温測定手段は前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の排気流れ方向において少なくとも２箇所における触媒床温を測定し、
   前記酸素残存度合い推定手段は、前記酸素残存度合いが所定の許容値まで低下する前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の前端部からの距離を前記少なくとも２箇所における前記温度変動幅に基づいて推定することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
6. 前記酸素残存度合いが所定の許容値まで低下する前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の前端部からの距離が所定距離よりも長い場合に、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒における前記還元剤の酸化を促進させる還元剤酸化促進手段および／または前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気中の酸素量を低減させる流入酸素量低減手段を、更に備えることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気浄化システム。
7. 内燃機関の排気通路に設けられる吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に還元剤を間欠的に供給して該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元させるＮＯｘ還元制御を実行する場合に、前記還元剤が間欠的に供給されているときにおける前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の触媒床温と該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度との温度差の変動幅である温度変動幅に基づいて前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒における酸素残存度合いを推定することを特徴とする酸素残存度合い推定方法。
8. 前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の排気流れ方向の少なくとも２箇所における前記温度変動幅に基づいて、前記酸素残存度合いが所定の許容値まで低下する前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の前端部からの距離を推定することを特徴とする請求項７に記載の酸素残存度合い推定方
   法。
   

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