JP2009293586A - 内燃機関の排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の過渡運転状態において、最適な運転モードを選択することによって、ＮＯｘ触媒に捕捉されたＮＯｘを最適なタイミングで還元でき、排ガス特性および燃費を向上させることができる内燃機関の排ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】排気通路１１の上流側に三元触媒１２が設けられ、下流側にＮＯｘ触媒１３が設けられている。ＮＯｘ触媒１３に捕捉されたＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘが算出される。内燃機関３が過渡運転状態にあると判定されている場合において、ＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘが所定値ＳＲＥＦ未満のときには、リッチ運転が禁止される。
【選択図】 図４

Description

本発明は、排気通路に上流側から順に設けられた三元触媒およびＮＯｘ触媒によって、排ガスを浄化する内燃機関の排ガス浄化装置に関する。

従来の内燃機関の排ガス浄化装置として、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。この内燃機関の排気通路には、その上流側から順に、ＮＯｘ触媒および三元触媒が設けられている。この排ガス浄化装置では、内燃機関の出力を調整するための出力操作装置の操作速度、例えばスロットル弁の開弁速度がしきい値を超えたときに、内燃機関が加速運転状態にあると判定される。そして、加速運転状態と判定されたときには、加速要求に応じた出力を確保するために、内燃機関の運転モードが、リーン運転からストイキ運転またはリッチ運転に切り換えられる。また、ＮＯｘ触媒が飽和状態に達したと判定されたときには、上記のしきい値が減少側に設定されるとともに、内燃機関から排出されるＮＯｘ排出量を低減するために、点火時期の遅角やＥＧＲ量の増量などによって燃焼温度を低下させる制御が行われる。

上述した従来の排ガス浄化装置では、ＮＯｘ触媒がＮＯｘの飽和状態に達したと判定されているときでも、スロットル弁の開弁速度などの出力操作装置の操作速度がしきい値を超えない限り、加速運転状態と判定されず、リーン運転が継続されてしまう。このため、その間、リッチ運転によるＮＯｘ触媒の還元が行われず、内燃機関から排出されたＮＯｘが、飽和状態のＮＯｘ触媒で捕捉されることなく下流側に流出する結果、排ガス特性が悪化するおそれがある。

特に、ＮＯｘ触媒が飽和状態に達したと判定されたときの燃焼温度の低下制御を、ＥＧＲ量の増量によって行う場合には、ＥＧＲガスが排気通路から比較的長い経路を介して吸気通路に遅れて還流するため、ＥＧＲ量が不足がちになることで、燃焼温度を十分に低下させることができず、内燃機関からのＮＯｘ排出量が増大する結果、排ガス特性がさらに悪化してしまう。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、内燃機関の過渡運転状態において、最適な運転モードを選択することによって、ＮＯｘ触媒に捕捉されたＮＯｘを最適なタイミングで還元できるとともに、排ガス特性および燃費を向上させることができる内燃機関の排ガス浄化装置を提供することを目的とする。

特許第２９７９９５６号公報

この目的を達成するため、本願の請求項１に係る発明は、内燃機関３の気筒３ａから排出された排ガスを浄化する内燃機関の排ガス浄化装置であって、排気通路１１に設けられ、排ガスを浄化する三元触媒１２と、排気通路１１の三元触媒１２よりも下流側に設けられ、酸化雰囲気下で排ガス中のＮＯｘを捕捉するとともに、捕捉したＮＯｘを還元雰囲気下で放出するＮＯｘ触媒１３と、ＮＯｘ触媒１３に捕捉されたＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘを算出するＮＯｘ捕捉量算出手段（実施形態における（以下、本項において同じ）ＥＣＵ２、図５）と、内燃機関３の運転モードを、気筒３ａ内で燃焼する混合気の空燃比を、理論空燃比よりもリーン側に制御するリーン運転、理論空燃比に制御するストイキ運転、または理論空燃比よりもリッチ側に制御するリッチ運転のいずれかに設定する運転モード設定手段（ＥＣＵ２、ステップ１２、１５、１７）と、内燃機関３が過渡運転状態にあるか否かを判定する過渡運転判定手段（ＥＣＵ２、図３）と、を備え、運転モード設定手段は、過渡運転判定手段により内燃機関３が過渡運転状態にあると判定されている場合において、算出されたＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘが所定量（所定値ＳＲＥＦ）未満のときに（ステップ１６：ＮＯ）、リッチ運転を禁止することを特徴とする。

この内燃機関の排ガス浄化装置によれば、排気通路に、上流側から順に、三元触媒およびＮＯｘ触媒が設けられている。また、ＮＯｘ触媒に捕捉されたＮＯｘ捕捉量が、ＮＯｘ捕捉量算出手段によって算出されるとともに、内燃機関が過渡運転状態にあるか否かが、過渡運転判定手段によって判定される。

そして、内燃機関が過渡運転状態にあると判定されている場合において、ＮＯｘ捕捉量が所定量未満で、ＮＯｘ触媒に捕捉されているＮＯｘ量が少ないときには、リッチ運転が禁止される。これにより、ＮＯｘ触媒のＮＯｘの還元・放出動作が不要のときに、リッチ運転よりも燃費の良いストイキ運転またはリーン運転が実行されることによって、燃費を向上させることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置において、内燃機関３が過渡運転状態にあると判定され、かつＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘが所定量未満の場合において、リーン運転を実行したときに消費される燃料量と、当該リーン運転の実行に伴って排出され、ＮＯｘ触媒１３に捕捉されたＮＯｘを還元するためにリッチ運転を実行したときに消費される燃料量との和を表すリーン運転時燃料消費量パラメータ（リーン運転時燃料消費量ＱＦＣＯＮ＿Ｌ）を算出するリーン運転時燃料消費量パラメータ算出手段（ＥＣＵ２、ステップ１８）と、内燃機関３が過渡運転状態にあると判定され、かつＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘが所定量未満の場合において、ストイキ運転を実行したときに消費される燃料量を表すストイキ運転時燃料消費量パラメータ（ストイキ運転時燃料消費量ＱＦＣＯＮ＿Ｓ）を算出するストイキ運転時燃料消費量パラメータ算出手段（ＥＣＵ２、ステップ１９）と、をさらに備え、運転モード設定手段は、リーン運転時燃料消費量パラメータがストイキ運転時燃料消費量パラメータ未満のときに（ステップ２０：ＹＥＳ）、運転モードをリーン運転に設定し、リーン運転時燃料消費量パラメータがストイキ運転時燃料消費量パラメータ以上のときに（ステップ２０：ＮＯ）、運転モードをストイキ運転に設定することを特徴とする。

この構成によれば、内燃機関が過渡運転状態にあると判定され、かつＮＯｘ捕捉量が所定量未満の場合に、燃料消費量を表す次の２つのパラメータ、すなわちリーン運転時燃料消費量パラメータ（リーン運転を実行したときに消費される燃料量と、当該リーン運転の実行に伴って排出され、ＮＯｘ触媒に捕捉されたＮＯｘを還元するためにリッチ運転を実行したときに消費される燃料量との和を表す）と、ストイキ運転時燃料消費量パラメータ（ストイキ運転を実行したときに消費される燃料量を表す）が算出される。

そして、算出されたリーン運転時燃料消費量パラメータとストイキ運転時燃料消費量パラメータを比較し、前者が後者未満のときには、運転モードがリーン運転に設定され、前者が後者以上のときには、運転モードがストイキ運転に設定される。これにより、消費燃料量のより少ない運転モードをきめ細かく適切に設定でき、燃費をさらに向上させることができる。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置において、三元触媒１２の活性状態を判定する三元触媒活性状態判定手段（三元触媒温度センサ２４、ＥＣＵ２、ステップ１３）をさらに備え、運転モード設定手段は、三元触媒１２が活性状態にないと判定されているときに（ステップ１３：ＮＯ）、運転モードをリーン運転に設定することを特徴とする。

三元触媒が活性していない状態では、過渡運転状態においてストイキ運転またはリッチ運転を実行しても、三元触媒によるＮＯｘの浄化を良好に行えない。したがって、三元触媒が活性状態にないと判定されているときに、ストイキ運転またはリッチ運転を実行せず、運転モードをリーン運転に設定することによって、燃費をさらに向上させることができる。

請求項４に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置において、ＮＯｘ触媒１３の活性状態を判定するＮＯｘ触媒活性状態判定手段（ＮＯｘ触媒温度センサ２５、ＥＣＵ２、ステップ１４）をさらに備え、運転モード設定手段は、ＮＯｘ触媒１３が活性状態にないと判定されているときに（ステップ１４：ＮＯ）、運転モードをストイキ運転に設定することを特徴とする。

ＮＯｘ触媒が活性していない状態では、リッチ運転を実行しても、ＮＯｘ触媒に捕捉されたＮＯｘの還元を良好に行えない。したがって、ＮＯｘ触媒が活性状態にないと判定されているときに、運転モードをストイキ運転に設定することによって、無駄なリッチ運転の実行を回避でき、燃費をさらに向上させることができる。

請求項５に係る発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の内燃機関の排ガス浄化装置において、内燃機関３には、気筒３ａに吸入される吸気を過給する過給機（ターボチャージャ７）が設けられており、過給機による過給圧ＰＳＣを検出する過給圧検出手段（過給圧センサ２２）と、過給圧ＰＳＣの目標となる目標過給圧ＰＳＣ＿ＣＭＤを設定する目標過給圧設定手段（ＥＣＵ２）と、をさらに備え、過渡運転判定手段は、目標過給圧設定手段により目標過給圧ＰＳＣ＿ＣＭＤがその前回値ＰＳＣ＿ＣＭＤＺに対して所定値ＲＴＲＮＳ１を上回る比率で変更された後、検出された過給圧ＰＳＣが目標過給圧ＰＳＣ＿ＣＭＤに達していない状態を、過渡運転状態と判定すること（ステップ２、６）を特徴とする。

この構成によれば、内燃機関に過給機が設けられており、目標過給圧がその前回値に対して所定値を上回る比率で変更された後、検出された過給圧が変更された目標過給圧に達していない状態が、過渡運転状態と判定される。過給機を有する内燃機関では、過渡運転状態において、過給機の立ち上がりに時間を要することなどによって過給遅れが生じやすく、その場合には、吸気量が大きく不足するため、リーン運転を実行すると、ＮＯｘ排出量が大きく増大しやすい。本発明では、上述したように、目標過給圧と検出された過給圧との関係から過渡運転状態を判定するので、実際の過給遅れを反映させながら、過渡運転状態の判定とその判定結果に基づく運転モードの設定を適切に行うことができ、請求項１などによる前述した作用を特に効果的に得ることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排ガス浄化装置について説明する。図１は、本実施形態の排ガス浄化装置１およびこれを適用した内燃機関（以下「エンジン」という）３を示している。図２に示すように、この排ガス浄化装置１は、エンジン３の運転状態を表す運転パラメータに応じて、エンジン３の各種の制御処理を実行するＥＣＵ２を備えている。

エンジン３は、車両（図示せず）に搭載された直列４気筒型のディーゼルエンジンであり、４組の気筒３ａおよびピストン３ｂ（１組のみ図示）と、クランクシャフト３ｃなどを備えている。このエンジン３には、クランク角センサ２０が設けられている。このクランク角センサ２０は、マグネットロータおよびＭＲＥピックアップで構成されており、クランクシャフト３ｃの回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ２に出力する。

ＣＲＫ信号は、所定クランク角（例えば３０゜）ごとに出力される。ＥＣＵ２は、このＣＲＫ信号に基づき、エンジン３の回転数（以下「エンジン回転数」という）ＮＥを算出する。また、ＴＤＣ信号は、各気筒３ａのピストン３ｂが吸気行程のＴＤＣ位置よりも若干、手前の所定のクランク角位置にあることを表す信号であり、エンジン３が４気筒タイプである本例では、クランク角１８０゜ごとに出力される。

エンジン３の各気筒３ａには、燃料噴射弁４が設けられている（１つのみ図示）。各燃料噴射弁４の開弁時間および開弁タイミングはＥＣＵ２によって制御され、それにより、燃料噴射量および燃料噴射タイミングが制御される。

エンジン３の吸気通路６には、上流側から順に、エアフローセンサ２１、ターボチャージャ７、過給圧センサ２２およびスロットル弁機構８が設けられている。エアフローセンサ２１は、熱線式エアフローメータで構成されており、吸気通路６内を流れ、気筒３ａに吸入される吸気（新気）の流量（以下「吸気量」という）ＱＡを検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。

また、ターボチャージャ７は、吸気通路６のエアフローセンサ２１よりも下流側に設けられたコンプレッサブレード７ａと、排気通路１１に設けられ、コンプレッサブレード７ａと一体に回転するタービンブレード７ｂと、複数の可変ベーン７ｃ（２つのみ図示）と、可変ベーン７ｃを駆動するベーンアクチュエータ７ｄなどを備えている。

このターボチャージャ７では、排気通路１１を流れる排ガスによってタービンブレード７ｂが回転駆動されると、これと一体のコンプレッサブレード７ａも同時に回転することによって、吸気を過給する過給動作が実行される。

また、可変ベーン７ｃは、過給圧を変化させるためのものであり、ハウジングのタービンブレード７ｂを収容するハウジング（図示せず）の壁部に回動自在に取り付けられている。可変ベーン７ｃは、ＥＣＵ２に接続されたベーンアクチュエータ７ｄに機械的に連結されている。ＥＣＵ２は、ベーンアクチュエータ７ｄを介して可変ベーン７ｃの開度を変化させ、タービンブレード７ｂに吹き付けられる排ガス量を変化させることによって、タービンブレード７ｂおよびコンプレッサブレード７ａの回転速度を変化させ、それにより、過給圧を制御する。

過給圧センサ２２は、コンプレッサブレード７ａのすぐ下流側に配置されており、過給圧ＰＳＣを検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。

スロットル弁機構８は、スロットル弁８ａおよびこれを駆動するＴＨアクチュエータ８ｂなどを備えている。スロットル弁８ａは、吸気通路６内に回動自在に設けられている。ＴＨアクチュエータ８ｂは、モータと減速ギヤ機構（いずれも図示せず）を組み合わせたものであり、ＥＣＵ２に電気的に接続されている。スロットル弁８ａの開度は、ＥＣＵ２により、ＴＨアクチュエータ８ｂを介して制御され、それにより、スロットル弁８ａを通過する吸気量が制御される。

また、エンジン３には、ＥＧＲ装置１０が設けられている。このＥＧＲ装置１０は、気筒３ａから排気通路１１に排出された排ガスの一部を吸気通路６側に還流させるものである。ＥＧＲ装置１０は、吸気通路６のスロットル弁８ａよりも下流側と排気通路１１のタービンブレード７ｂよりも上流側との間に接続されたＥＧＲ通路１０ａと、このＥＧＲ通路１０ａを開閉するＥＧＲ制御弁１０ｂなどで構成されている。

ＥＧＲ制御弁１０ｂは、そのリフトが最大値と最小値との間でリニアに変化するリニア電磁弁で構成され、ＥＣＵ２に電気的に接続されている。ＥＣＵ２は、ＥＧＲ制御弁１０ｂを介して、ＥＧＲ通路１０ａの開度を変化させることにより、排ガスの還流量すなわちＥＧＲ量を制御する。また、ＥＧＲ制御弁１０ｂには、ＥＧＲ弁開度センサ２３が設けられている。ＥＧＲ弁開度センサ２３は、ＥＧＲ制御弁１０ｂの開度（以下「ＥＧＲ弁開度」という）ＬＥＧＲを検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。

一方、排気通路１１のタービンブレード７ｂよりも下流側には、三元触媒１２およびＮＯｘ触媒１３が、上流側から順に設けられている。三元触媒１２は、排ガス中のＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘを酸化・還元によって浄化する。また、ＮＯｘ触媒１３は、酸化雰囲気下で、排ガス中のＮＯｘを捕捉するとともに、還元雰囲気下で、捕捉したＮＯｘを還元させ、放出するものである。

三元触媒１２およびＮＯｘ触媒１３には、三元触媒温度センサ２４およびＮＯｘ触媒温度センサ２５がそれぞれ設けられている。これらの温度センサ２４、２５は、三元触媒１２の温度（以下「三元触媒温度」という）ＴＴＷＣ、およびＮＯｘ触媒１３の温度（以下「ＮＯｘ触媒温度」という）ＴＬＮＣをそれぞれ検出し、それらの検出信号をＥＣＵ２に出力する。

また、排気通路１１の三元触媒１２よりも上流側には、ＬＡＦセンサ２６が設けられている。このＬＡＦセンサ２６は、理論空燃比よりもリッチなリッチ領域から極リーン領域までの広範囲な空燃比の領域において、排気通路１１内を流れる排ガス中の酸素濃度をリニアに検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。ＥＣＵ２は、このＬＡＦセンサ２６の検出信号に基づき、気筒３ａで燃焼された混合気の空燃比ＡＦを算出する。

さらに、ＥＣＵ２には、アクセル開度センサ２７から、車両のアクセルペダル（図示せず）の踏み込み量（以下「アクセル開度」という）ＡＰを表す検出信号が出力される。

ＥＣＵ２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭおよびＩ／Ｏインターフェース（いずれも図示せず）などから成るマイクロコンピュータで構成されている。ＥＣＵ２は、前述した各種のセンサ２０〜２７の検出信号などに応じて、エンジン３の運転状態を判別するとともに、判別した運転状態に応じて、以下に説明する処理を含む各種の制御処理を実行する。

ＥＣＵ２は、本実施形態において、ＮＯｘ捕捉量算出手段、運転モード設定手段、過渡運転状態判定手段、リーン運転時燃料消費量パラメータ算出手段、ストイキ運転時燃料消費量パラメータ算出手段、三元触媒活性状態判定手段、ＮＯｘ触媒活性状態判定手段、および目標過給圧設定手段に相当する。

図３は、ＥＣＵ２によって実行される過渡運転判定処理を示している。本処理は、後述する運転モードの設定処理に先立ち、エンジン３が過渡運転状態にあるか否かを判定するものであり、所定の周期（例えば１０ｍｓｅｃ）で実行される。

本処理では、まずステップ１（「Ｓ１」と図示。以下同じ）において、過渡運転フラグＦ＿ＴＲＮＳが「１」であるか否かを判別する。この過渡運転フラグＦ＿ＴＲＮＳは、イグニッションスイッチ（図示せず）がＯＮされたときに、「０」にリセットされるとともに、後述するように、エンジン３が過渡運転状態にあると判定されているときに「１」にセットされるものである。

このステップ１の答がＮＯで、過渡運転状態でないときには、今回の目標過給圧ＰＳＣ＿ＣＭＤとその前回値ＰＳＣ＿ＣＭＤＺとの比が、値１．０よりも大きな所定値ＲＴＲＮ１（例えば１．１）よりも大きいか否かを判別する（ステップ２）。なお、この目標過給圧ＰＳＣ＿ＣＭＤは、要求トルクＰＭＣＭＤおよびエンジン回転数ＮＥに応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって設定される。また、要求トルクＰＭＣＭＤは、アクセル開度ＡＰおよびエンジン回転数ＮＥに応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって算出される。

このステップ２の答がＮＯのときには、今回の目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤとその前回値ＱＡ＿ＣＭＤＺとの比が、値１．０よりも大きな所定値ＲＴＲＮ２（例えば１．１）よりも大きいか否かを判別する（ステップ３）。なお、この目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤは、要求トルクＰＭＣＭＤおよびエンジン回転数ＮＥに応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって設定される。

ステップ３の答がＮＯのとき、すなわち、ＰＳＣ＿ＣＭＤ／ＰＳＣ＿ＣＭＤＺ≦ＲＴＲＮ１かつＱＡ＿ＣＭＤ／ＱＡ＿ＣＭＤＺ≦ＲＴＲＮ２が成立し、目標過給圧ＰＳＣ＿ＣＭＤおよび目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤがいずれも、前回から大きく増大していないときには、エンジン３が過給運転状態にないと判定して、過渡運転フラグＦ＿ＴＲＮＳを「０」に維持し（ステップ４）、本処理を終了する。

一方、前記ステップ２または３の答がＹＥＳで、ＰＳＣ＿ＣＭＤ／ＰＳＣ＿ＣＭＤＺ＞ＲＴＲＮ１またはＱＡ＿ＣＭＤ／ＱＡ＿ＣＭＤＺ＞ＲＴＲＮ２が成立し、目標過給圧ＰＳＣ＿ＣＭＤまたは目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤが、前回から大きく増大しているときには、加速運転などのエンジン３の過給運転状態が開始したと判定し、そのことを表すために、過渡運転フラグＦ＿ＴＲＮＳを「１」にセットし（ステップ５）、本処理を終了する。

このステップ５の実行により、前記ステップ１の答がＹＥＳになるので、その場合には、ステップ６に進み、過給圧センサ２２で検出された過給圧ＰＳＣが、現在の目標過給圧ＰＳＣ＿ＣＭＤ以上であるか否かを判別する。この答がＮＯのときには、エアフローセンサ２１で検出された吸気量ＱＡが、現在の目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤ以上であるか否かを判別する（ステップ７）。

このステップ７の答がＮＯのとき、すなわち、ＰＳＣ＜ＰＳＣ＿ＣＭＤかつＱＡ＜ＱＡ＿ＣＭＤが成立し、過給圧ＰＳＣおよび吸気量ＱＡがいずれも、それらの目標値である目標過給圧ＰＳＣ＿ＣＭＤおよび目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤに達していないときには、エンジン３の過給運転状態が継続していると判定し、前記ステップ５に進んで過渡運転フラグＦ＿ＴＲＮＳを「１」に維持した後、本処理を終了する。

一方、前記ステップ６または７の答がＹＥＳで、ＰＳＣ≧ＰＳＣ＿ＣＭＤまたはＱＡ≧ＱＡ＿ＣＭＤが成立し、過給圧ＰＳＣが現在の目標過給圧ＰＳＣ＿ＣＭＤに達したか、または吸気量ＱＡが現在の目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤに達したときには、エンジン３の過給運転状態が終了したと判定し、前記ステップ４に進んで過渡運転フラグＦ＿ＴＲＮＳを「０」にセットした後、本処理を終了する。

以上のように、この過渡運転判定処理では、目標過給圧ＰＳＣ＿ＣＭＤがその前回値ＰＳＣ＿ＣＭＤＺに対して、所定値ＲＴＲＮ１を上回る比率で増大したとき、または、目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤがその前回値ＱＡ＿ＣＭＤＺに対して、所定値ＲＴＲＮ２を上回る比率で増大したときに、過渡運転状態が開始したと判定する。また、その後、過給圧ＰＳＣが現在の目標過給圧ＰＳＣ＿ＣＭＤに達したか、または吸気量ＱＡが現在の目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤに達したときに、過渡運転状態が終了したと判定され、上記の開始時から終了時までの間が過渡運転状態とされる。

図４は、運転モードの設定処理を示している。本処理は、上述した過渡運転判定処理による判定結果と、過渡運転状態でのエンジン３の各種の運転パラメータなどに応じて、エンジン３の運転モードを、気筒３ａ内で燃焼する混合気の空燃比を、理論空燃比よりもリーン側に制御するリーン運転、理論空燃比に制御するストイキ運転、または理論空燃比よりもリッチ側に制御するリッチ運転のいずれかに設定するものである。

本処理ではまず、過渡運転判定処理で設定された過渡運転フラグＦ＿ＴＲＮＳが「１」であるか否かを判別する（ステップ１１）。この答がＮＯで、エンジン３が過渡運転状態にないときには、エンジン３の運転モードをリーン運転に設定する（ステップ１２）。

このように運転モードがリーン運転に設定されると、目標空燃比ＡＦ＿ＣＭＤが理論空燃比よりもリーン側に設定されるとともに、ＬＡＦセンサ２６で検出された空燃比ＡＦが設定した目標空燃比ＡＦ＿ＣＭＤに収束するよう、フィードバック制御によって、燃料噴射量または吸気量が制御される。また、排ガスが酸化雰囲気に制御されることで、排ガス中のＮＯｘは、三元触媒１２ではあまり浄化されず、主としてＮＯｘ触媒１３に捕捉される。

一方、前記ステップ１１の答がＹＥＳで、エンジン３が過渡運転状態にあるときには、三元触媒１２が活性状態にあるか否かを判別する（ステップ１３）。この判別は、検出された三元触媒温度ＴＴＷＣが所定温度（例えば１８０℃）よりも高いか否かに基づいて行われる。この答がＮＯで、三元触媒１２が活性状態にないときには、ストイキ運転またはリッチ運転を実施しても、三元触媒１２によるＮＯｘの浄化を良好に行えないので、前記ステップ１２に進み、運転モードをリーン運転に設定する。

上記ステップ１３の答がＹＥＳのときには、ＮＯｘ触媒１３が活性状態にあるか否かを判別する（ステップ１４）。この判別は、検出されたＮＯｘ触媒温度ＴＬＮＣが所定温度（例えば２５０℃）よりも高いか否かに基づいて行われる。この答がＮＯで、ＮＯｘ触媒１３が活性状態にないときには、リッチ運転を実施しても、ＮＯｘ触媒１３に捕捉されたＮＯｘの還元を良好に行えないので、運転モードをストイキ運転に設定し（ステップ１５）、本処理を終了する。

上記ステップ１４の答がＹＥＳのときには、ＮＯｘ触媒１３に捕捉されているＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘが、所定値ＳＲＥＦ以上であるか否かを判別する（ステップ１６）。

このＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘは、図５に示す処理によって算出される。本処理ではまず、エンジン３がリーン運転中であるか否かを判別する（ステップ２１）。この答がＹＥＳで、リーン運転中のときには、要求トルクＰＭＣＭＤおよびエンジン回転数ＮＥに応じ、マップ（図示せず）を検索することにより、１燃焼サイクルごとのＮＯｘ排出量ＱＮＯｘを算出する（ステップ２２）。次に、このＮＯｘ排出量ＱＮＯｘをＮＯｘ捕捉量の前回値Ｓ＿ＱＮＯｘＺに加算することによって、今回のＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘを算出し（ステップ２３）、本処理を終了する。

一方、前記ステップ２１の答がＮＯで、リーン運転中でないときには、エンジン３がリッチ運転中であるか否かを判別する（ステップ２４）。この答がＹＥＳで、リッチ運転中のときには、ＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘを値０に設定し（ステップ２５）、本処理を終了する。これは、リッチ運転は、一旦開始されると、その還元動作により、ＮＯｘ触媒１３に捕捉されたＮＯｘがすべて放出されたと推定されるまで、継続されるためである。前記ステップ２４の答がＮＯで、ストイキ運転中のときには、本処理をそのまま終了する。

図４に戻り、ステップ１６の答がＹＥＳで、Ｓ＿ＱＮＯｘ≧ＳＲＥＦのときには、ＮＯｘ触媒１３がＮＯｘの飽和状態に達したとして、運転モードをリッチ運転に設定し（ステップ１７）、本処理を終了する。これにより、排ガスが還元雰囲気に制御され、ＮＯｘ触媒１３のＮＯｘが排ガス中のＣＯなどの還元成分で還元され、浄化された状態で放出されることによって、ＮＯｘ触媒１３の飽和状態が解消され、ＮＯｘ捕捉能力が回復する。

一方、前記ステップ１６の答がＮＯで、Ｓ＿ＱＮＯｘ＜ＳＲＥＦのときには、リーン運転時燃料消費量ＱＦＣＯＮ＿Ｌを算出する（ステップ１８）。このリーン運転時燃料消費量ＱＦＣＯＮ＿Ｌは、リーン運転を継続したときに消費される燃料量と、当該リーン運転の実行に伴って排出され、ＮＯｘ触媒１３に捕捉されたＮＯｘを還元するためにリッチ運転を実行したときに消費される燃料量との和に相当する。

リーン運転時燃料消費量ＱＦＣＯＮ＿Ｌの算出は、例えば、目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤと吸気量ＱＡとの偏差ΔＱＡと上記のように定義されるリーン運転時燃料消費量との関係を、あらかじめ実験によって求めてマップ化するとともに、過渡運転状態において得られた偏差ΔＱＡに応じ、このマップを検索することによって、行われる。

次に、ストイキ運転時燃料消費量ＱＦＣＯＮ＿Ｓを算出する（ステップ１９）。このストイキ運転時燃料消費量ＱＦＣＯＮ＿Ｓは、リーン運転に代えて、ストイキ運転を実行したときに消費される燃料量に相当する。ストイキ運転時燃料消費量ＱＦＣＯＮ＿Ｓの算出もまた、例えば、目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤと吸気量ＱＡとの偏差ΔＱＡと上記のように定義されるストイキ運転時燃料消費量との関係を、あらかじめ実験によって求めてマップ化するとともに、過渡運転状態において得られた偏差ΔＱＡに応じ、このマップを検索することによって、行われる。

次に、上述のようにして算出したリーン運転時燃料消費量ＱＦＣＯＮ＿Ｌがストイキ運転時燃料消費量ＱＦＣＯＮ＿Ｓよりも小さいか否かを判別する（ステップ２０）。この答がＹＥＳで、ＱＦＣＯＮ＿Ｌ＜ＱＦＣＯＮ＿Ｓのときには、リーン運転の方が燃料消費量が少ないと想定されるので、前記ステップ１２に進み、運転モードをリーン運転に設定する。

一方、上記ステップ１９の答がＮＯで、ＱＦＣＯＮ＿Ｌ≧ＱＦＣＯＮ＿Ｓのときには、ストイキ運転の方が燃料消費量が少ないと想定されるので、前記ステップ１５に進み、運転モードをストイキ運転に設定する。

以上のように、本実施形態によれば、エンジン３が過渡運転状態にあると判定されている場合（Ｆ＿ＴＲＮＳ＝１）において、ＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘが所定値ＳＲＥＦ以上のときに（ステップ１６：ＹＥＳ）、エンジン３の運転モードをリッチ運転に設定する（ステップ１７）。これにより、ＮＯｘ触媒１３に捕捉されたＮＯｘ量が多くなったときに、リッチ運転を遅れなく実行することによって、ＮＯｘ触媒１３のＮＯｘを還元し、放出させることで、ＮＯｘ触媒１３のＮＯｘ捕捉能力を確実に維持でき、それにより、排ガス特性を向上させることができる。

一方、ＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘが所定値ＳＲＥＦよりも小さく（ステップ１６：ＮＯ）、ＮＯｘ触媒１３に捕捉されているＮＯｘ量が少ないときには、リッチ運転を禁止し、より燃費の良いストイキ運転またはリーン運転を実行する（ステップ１５、１７）ので、燃費を向上させることができる。

また、ＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘが所定値ＳＲＥＦよりも小さい場合、前述したようにして算出されたリーン運転時燃料消費量ＱＦＣＯＮ＿Ｌがストイキ運転時燃料消費量ＱＦＣＯＮ＿Ｓよりも小さいときに（ステップ２０：ＹＥＳ）、運転モードをリーン運転に設定し、逆のときに（ステップ２０：ＮＯ）、運転モードをストイキ運転に設定する。これにより、消費燃料量のより少ない運転モードをきめ細かく適切に設定でき、燃費をさらに向上させることができる。

さらに、三元触媒１２が活性状態にないと判定されていて（ステップ１３：ＮＯ）、三元触媒１２によるＮＯｘの浄化を良好に行えないときに、運転モードをリーン運転に設定するとともに、ＮＯｘ触媒１３が活性状態にないと判定されていて（ステップ１４：ＮＯ）、ＮＯｘ触媒１３に捕捉されたＮＯｘの還元を良好に行えないときに、運転モードをストイキ運転に設定するので、無駄なリッチ運転の実行を回避でき、燃費をさらに向上させることができる。

また、目標過給圧ＰＳＣ＿ＣＭＤがその前回値ＰＳＣ＿ＣＭＤＺに対して、所定値ＲＴＲＮ１を上回る比率で増大したとき（ステップ２：ＹＥＳ）、または、目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤがその前回値ＱＡ＿ＣＭＤＺに対して、所定値ＲＴＲＮ２を上回る比率で増大したとき（ステップ３：ＹＥＳ）に、過渡運転状態が開始したと判定するとともに、その後、過給圧ＰＳＣが現在の目標過給圧ＰＳＣ＿ＣＭＤに達するか（ステップ６：ＹＥＳ）、または吸気量ＱＡが現在の目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤに達したとき（ステップ７：ＹＥＳ）に、過渡運転状態が終了したと判定する。

このような判定手法により、目標過給圧ＰＳＣ＿ＣＭＤおよび目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤの変化や、これらの目標値に対する過給圧ＰＳＣおよび吸気量ＱＡの関係に基づき、実際の吸気の遅れや過給遅れを反映させながら、リーン運転を実行した場合にＮＯｘ排出量が増大するような過渡運転状態にあるか否かを、適切に判定することができる。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態に示した過渡運転状態の判定手法は、あくまで一例であり、適当な任意の手法を採用できる。例えば、この判定のためのパラメータとして、過給圧および吸気量を用いているが、これらに代えて、またはこれらとともに、他の適当なパラメータ、例えば、要求トルクＰＭＣＭＤやアクセル開度ＡＰの変化状態、ギヤチェンジによるエンジン回転数ＮＥの変化状態などを用いてもよい。あるいは、過渡運転状態の開始時および終了時の定義も、実施形態に示したものに限らず、任意である。

また、実施形態では、リーン運転時燃料消費量パラメータおよびストイキ転時燃料消費量パラメータとして、リーン運転時燃料消費量ＱＦＣＯＮ＿Ｌおよびストイキ運転時燃料消費量ＱＦＣＯＮ＿Ｓを、目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤと吸気量ＱＡとの偏差ΔＱＡに応じて算出しているが、これに代えて、目標過給圧ＰＳＣ＿ＣＭＤと過給圧ＰＳＣとの偏差や、エンジン３の目標トルクと実際の出力トルクとの偏差などに応じて算出してもよい。あるいはこれらのパラメータは、リーン運転とストイキ運転の間での燃料消費量の大小関係を比較できるものであればよいので、実施形態の消費量に代えて、例えば消費度合として求めてもよい。

さらに、実施形態では、三元触媒１２およびＮＯｘ触媒１３の活性状態を、それぞれに設けた三元触媒温度センサ２４やＮＯｘ触媒温度センサ２５の検出値に基づいて判定しているが、エンジン３の始動時からの経過時間や排気温度などに基づいて判定してもよい。同様に、実施形態では、ＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘを、要求トルクＰＭＣＭＤおよびエンジン回転数ＮＥに応じて推定したＮＯｘ排出量を積算することによって算出しているが、ＮＯｘ触媒１３の上下流に設けたＮＯｘセンサで検出したＮＯｘ濃度に基づいて算出してもよい。

また、実施形態は、本発明をディーゼルエンジンに適用した例であるが、本発明は、これに限らず、各種の内燃機関、例えばガソリンエンジンに適用してもよい。これに加えて、本発明は、実施形態の車両に搭載されたディーゼルエンジンに限らず、船舶用などの各種の内燃機関にも適用可能である。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。

本願発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置、およびこれを適用した内燃機関の概略構成を模式的に示す図である。 排ガス浄化装置の概略構成を示すブロック図である。 過渡運転判定処理を示すフローチャートである。 運転モードの設定処理を示すフローチャートである。 ＮＯｘ捕捉量の算出処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 排ガス浄化装置
２ ＥＣＵ（ＮＯｘ捕捉量算出手段、運転モード設定手段、過渡運転状態判定手段、
リーン運転時燃料消費量パラメータ算出手段、ストイキ運転時燃料消費量パラメ
ータ算出手段、三元触媒活性状態判定手段、ＮＯｘ触媒活性状態判定手段、およ
び目標過給圧設定手段）
３ 内燃機関
３ａ 気筒
７ ターボチャージャ（過給機）
１１ 排気通路
１２ 三元触媒
１３ ＮＯｘ触媒
２２ 過給圧センサ（過給圧検出手段）
２４ 三元触媒温度センサ（三元触媒活性状態判定手段）
２５ ＮＯｘ触媒温度センサ（ＮＯｘ触媒活性手段）
Ｓ＿ＱＮＯｘ ＮＯｘ捕捉量
ＳＲＥＦ 所定値（所定量）
ＱＦＣＯＮ＿Ｌ リーン運転時燃料消費量（リーン運転時燃料消費量パラメータ）
ＱＦＣＯＮ＿Ｓ ストイキ運転時燃料消費量（ストイキ運転時燃料消費量パラメータ）
ＴＴＷＣ 三元触媒温度
ＴＬＮＣ ＮＯｘ触媒温度
ＰＳＣ 過給圧
ＰＳＣ＿ＣＭＤ 目標過給圧
ＲＴＲＮＳ１ 所定値

Claims (5)

1. 内燃機関の気筒から排出された排ガスを浄化する内燃機関の排ガス浄化装置であって、
   前記排気通路に設けられ、排ガスを浄化する三元触媒と、
   前記排気通路の前記三元触媒よりも下流側に設けられ、酸化雰囲気下で排ガス中のＮＯｘを捕捉するとともに、捕捉したＮＯｘを還元雰囲気下で放出するＮＯｘ触媒と、
   当該ＮＯｘ触媒に捕捉されたＮＯｘ捕捉量を算出するＮＯｘ捕捉量算出手段と、
   前記内燃機関の運転モードを、前記気筒内で燃焼する混合気の空燃比を、理論空燃比よりもリーン側に制御するリーン運転、理論空燃比に制御するストイキ運転、または理論空燃比よりもリッチ側に制御するリッチ運転のいずれかに設定する運転モード設定手段と、
   前記内燃機関が過渡運転状態にあるか否かを判定する過渡運転判定手段と、を備え、
   前記運転モード設定手段は、前記過渡運転判定手段により前記内燃機関が前記過渡運転状態にあると判定されている場合において、前記算出されたＮＯｘ捕捉量が所定量未満のときに、前記リッチ運転を禁止することを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
2. 前記内燃機関が前記過渡運転状態にあると判定され、かつ前記ＮＯｘ捕捉量が前記所定量未満の場合において、前記リーン運転を実行したときに消費される燃料量と、当該リーン運転の実行に伴って排出され、前記ＮＯｘ触媒に捕捉されたＮＯｘを還元するために前記リッチ運転を実行したときに消費される燃料量との和を表すリーン運転時燃料消費量パラメータを算出するリーン運転時燃料消費量パラメータ算出手段と、
   前記内燃機関が前記過渡運転状態にあると判定され、かつ前記ＮＯｘ捕捉量が前記所定量未満の場合において、前記ストイキ運転を実行したときに消費される燃料量を表すストイキ運転時燃料消費量パラメータを算出するストイキ運転時燃料消費量パラメータ算出手段と、をさらに備え、
   前記運転モード設定手段は、前記リーン運転時燃料消費量パラメータが前記ストイキ運転時燃料消費量パラメータ未満のときに、前記運転モードを前記リーン運転に設定し、前記リーン運転時燃料消費量パラメータが前記ストイキ運転時燃料消費量パラメータ以上のときに、前記運転モードを前記ストイキ運転に設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ガス浄化装置。
3. 前記三元触媒の活性状態を判定する三元触媒活性状態判定手段をさらに備え、
   前記運転モード設定手段は、前記三元触媒が活性状態にないと判定されているときに、前記運転モードを前記リーン運転に設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ガス浄化装置。
4. 前記ＮＯｘ触媒の活性状態を判定するＮＯｘ触媒活性状態判定手段をさらに備え、
   前記運転モード設定手段は、前記ＮＯｘ触媒が活性状態にないと判定されているときに、前記運転モードを前記ストイキ運転に設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ガス浄化装置。
5. 前記内燃機関には、前記気筒に吸入される吸気を過給する過給機が設けられており、
   当該過給機による過給圧を検出する過給圧検出手段と、
   前記過給圧の目標となる目標過給圧を設定する目標過給圧設定手段と、をさらに備え、
   前記過渡運転判定手段は、前記目標過給圧設定手段により前記目標過給圧がその前回値に対して所定値を上回る比率で変更された後、前記検出された過給圧が前記目標過給圧に達していない状態を、前記過渡運転状態と判定することを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の内燃機関の排ガス浄化装置。

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