JP2016084752A - 排気浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】フィルタ再生時の温度制御応答性を効果的に向上する。【解決手段】内燃機関１０の排気通路１３に上流側から順に酸化触媒３１、ＮＯｘ触媒３２、ＰＭを捕集するフィルタ３３が設けられた排気浄化システムであって、ＮＯｘ触媒３２の触媒温度を取得する温度センサ４４と、酸化触媒３１に燃料を供給する排気管噴射装置３４と、フィルタ３３のＰＭ堆積量が所定量に達すると、排気管噴射装置３４から酸化触媒３１に燃料を供給させて、フィルタ３３からＰＭを燃焼除去するフィルタ再生を実行するフィルタ強制再生制御部５１とを備え、フィルタ強制再生制御部５１は、フィルタ再生時に温度センサ４４から入力される触媒温度が所定の目標温度となるように排気管噴射装置３４の燃料供給量をフィードバック制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化システムに関する。

従来、排気浄化システムとして、内燃機関から排出される排気中の粒子状物質（以下、ＰＭという）を捕集するパティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタという）を備えたものが知られている。

フィルタは、ＰＭ捕集量に限度があるため、堆積したＰＭを定期的に燃焼除去するいわゆるフィルタ強制再生を行う必要がある。フィルタ強制再生は、排気管噴射やポスト噴射によって、排気上流側の酸化触媒に未燃燃料を供給し、酸化反応熱で排気温度をＰＭ燃焼温度まで上昇させることで行われる。

一般的に、フィルタ強制再生時の排気管噴射量やポスト噴射量は、酸化触媒とフィルタとの間に設けた排気温度センサのセンサ値に基づいてフィードバック制御されている（例えば、特許文献１，２参照）。

特開２００５−３１５１９８号公報 特開２０１０−２６５８４４号公報

排気浄化システムには、酸化触媒とフィルタとの間に排気中の窒素化合物（以下、ＮＯｘという）を浄化するＮＯｘ触媒を設け、これらＮＯｘ触媒とフィルタとの間にフィルタ入口温度センサを配置したものが知られている。

フィルタ強制再生時の燃料噴射量をフィルタ入口温度センサのセンサ値に基づいてフィードバック制御すると、フィルタ入口温度センサが上流側に配置したＮＯｘ触媒の熱容量の影響を受けるため、温度制御応答性が悪化し、フィルタ温度を目標温度に効果的に収束できない課題がある（例えば、図１２（Ｂ）参照）。

開示のシステムは、フィルタ再生時の温度制御応答性を効果的に向上することを目的とする。

開示のシステムは、内燃機関の排気通路に上流側から順に酸化触媒、ＮＯｘ触媒、粒子状物質を捕集するフィルタが設けられた排気浄化システムであって、前記ＮＯｘ触媒の触媒温度を推定する温度推定手段と、前記酸化触媒に燃料を供給する燃料供給手段と、前記フィルタの粒子状物質堆積量が所定量に達すると、前記燃料供給手段から前記酸化触媒に燃料を供給させて、前記フィルタから粒子状物質を燃焼除去するフィルタ再生を実行する再生制御手段と、を備え、前記再生制御手段は、フィルタ再生時に前記温度推定手段から入力される触媒温度が所定の目標温度となるように、前記燃料供給手段の燃料供給量をフィードバック制御する。

開示のシステムによれば、フィルタ再生時の温度制御応答性を効果的に向上することができる。

本実施形態に係る排気浄化システムを示す全体構成図である。 本実施形態に係るＳＯｘパージ制御を説明するタイミングチャート図である。 本実施形態に係るＳＯｘパージリーン制御時のＭＡＦ目標値の設定処理を示すブロック図である。 本実施形態に係るＳＯｘパージリッチ制御時の目標噴射量の設定処理を示すブロック図である。 本実施形態に係るＳＯｘパージ制御の触媒温度調整制御を説明するタイミングチャート図である。 本実施形態に係るＮＯｘパージ制御を説明するタイミングチャート図である。 本実施形態に係るＮＯｘパージリーン制御時のＭＡＦ目標値の設定処理を示すブロック図である。 本実施形態に係るＮＯｘパージリッチ制御時の目標噴射量の設定処理を示すブロック図である。 本実施形態に係るインジェクタの噴射量学習補正の処理を示すブロック図である。 本実施形態に係る学習補正係数の演算処理を説明するフロー図である。 本実施形態に係るＭＡＦ補正係数の設定処理を示すブロック図である。 （Ａ）はＮＯｘ吸蔵還元型触媒の推定温度に基づいてフィルタ強制再生制御を実施した場合の燃料噴射量及び温度変化、（Ｂ）はフィルタ入口温度に基づいてフィルタ強制再生制御を実施した場合の燃料噴射量及び温度変化を説明する図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る排気浄化システムを説明する。

図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０の各気筒には、図示しないコモンレールに畜圧された高圧燃料を各気筒内に直接噴射するインジェクタ１１がそれぞれ設けられている。これら各インジェクタ１１の燃料噴射量や燃料噴射タイミングは、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）５０から入力される指示信号に応じてコントロールされる。

エンジン１０の吸気マニホールド１０Ａには新気を導入する吸気通路１２が接続され、排気マニホールド１０Ｂには排気を外部に導出する排気通路１３が接続されている。吸気通路１２には、吸気上流側から順にエアクリーナ１４、吸入空気量センサ（以下、ＭＡＦセンサという）４０、可変容量型過給機２０のコンプレッサ２０Ａ、インタークーラ１５、吸気スロットルバルブ１６等が設けられている。排気通路１３には、排気上流側から順に可変容量型過給機２０のタービン２０Ｂ、排気後処理装置３０等が設けられている。なお、図１中において、符号４１はエンジン回転数センサ、符号４２はアクセル開度センサ、符号４６はブースト圧センサをそれぞれ示している。

ＥＧＲ装置２１は、排気マニホールド１０Ｂと吸気マニホールド１０Ａとを接続するＥＧＲ通路２２と、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ２３と、ＥＧＲ量を調整するＥＧＲバルブ２４とを備えている。

排気後処理装置３０は、ケース３０Ａ内に排気上流側から順に酸化触媒３１、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２、パティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタという）３３を配置して構成されている。また、酸化触媒３１よりも上流側の排気通路１３には、ＥＣＵ５０から入力される指示信号に応じて、排気通路１３内に未燃燃料（主にＨＣ）を噴射する排気管噴射装置３４が設けられている。

酸化触媒３１は、例えば、ハニカム構造体等のセラミック製担体表面に酸化触媒成分を担持して形成されている。酸化触媒３１は、排気管噴射装置３４又はインジェクタ１１のポスト噴射によって未燃燃料が供給されると、これを酸化して排気温度を上昇させる。

ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２は、例えば、ハニカム構造体等のセラミック製担体表面にアルカリ金属等を担持して形成されている。このＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２は、排気空燃比がリーン状態のときに排気中のＮＯｘを吸蔵すると共に、排気空燃比がリッチ状態のときに排気中に含まれる還元剤（ＨＣ等）で吸蔵したＮＯｘを還元浄化する。

フィルタ３３は、例えば、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを排気の流れ方向に沿って配置し、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。フィルタ３３は、排気中のＰＭを隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、ＰＭ堆積推定量が所定量に達すると、これを燃焼除去するいわゆるフィルタ強制再生が実行される。フィルタ強制再生は、排気管噴射又はポスト噴射によって上流側の酸化触媒３１に未燃燃料を供給し、フィルタ３３に流入する排気温度をＰＭ燃焼温度まで昇温することで行われる。

第１排気温度センサ４３は、酸化触媒３１よりも上流側に設けられており、酸化触媒３１に流入する排気温度を検出する。第２排気温度センサ４４は、酸化触媒３１とＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２との間に設けられており、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２に流入する排気温度を検出する。第３排気温度センサ４７は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２とフィルタ３３との間に設けられており、フィルタ３３に流入する排気温度を検出する。ＮＯｘ／ラムダセンサ４５は、フィルタ３３よりも下流側に設けられており、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２を通過した排気のＮＯｘ値及びラムダ値（以下、空気過剰率ともいう）を検出する。

ＥＣＵ５０は、エンジン１０等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備えて構成されている。これら各種制御を行うため、ＥＣＵ５０にはセンサ類４０〜４５のセンサ値が入力される。また、ＥＣＵ５０は、フィルタ強制再生制御部５１と、ＳＯｘ離脱処理部６０と、ＮＯｘ離脱処理部７０と、ＭＡＦ追従制御部８０、噴射量学習補正部９０と、ＭＡＦ補正係数演算部９５とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、一体のハードウェアであるＥＣＵ５０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

［フィルタ強制再生制御］
フィルタ強制再生制御部５１は、本発明の再生制御手段であって、車両の走行距離、あるいは図示しない差圧センサで検出されるフィルタ前後差圧からフィルタ３３のＰＭ堆積量を推定すると共に、このＰＭ堆積推定量が所定の上限閾値を超えると強制再生フラグＦ_DPFをオンにする（図２の時刻ｔ₁参照）。強制再生フラグＦ_DPFがオンにされると、排気管噴射装置３４に排気管噴射を実行させる指示信号が送信されるか、あるいは、各インジェクタ１１にポスト噴射を実行させる指示信号が送信されて、排気温度を所定の目標温度（例えば、約５５０℃）まで昇温させる。この強制再生フラグＦ_DPFは、ＰＭ堆積推定量が所定の下限閾値まで低下するとオフにされる（図２の時刻ｔ₂参照）。

本実施形態において、フィルタ強制再生時の排気管噴射量又はポスト噴射量は、酸化触媒３１とＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２との間に設けられた第２排気温度センサ４４のセンサ値に基づいてフィードバック制御される。より詳しくは、第２排気温度センサ４４で検出されるＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２の入口温度、若しくは、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２の内部における発熱反応等に基づいてＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２の触媒温度を推定すると共に、推定触媒温度がフィルタ強制再生時の目標温度と一致するように、排気管噴射又はポスト噴射の燃料噴射量をフィードバック制御するようになっている。ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２の触媒温度は、第１排気温度センサ４３で検出される酸化触媒３１の入口温度、酸化触媒３１及びＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２の内部での発熱反応等に基づいて推定してもよい。

これにより、フィルタ入口温度を検出する第３排気温度センサ４７を用いる場合（図１２（Ｂ）参照）に比べ、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２の熱容量による影響を効果的に排除することが可能となり、フィルタ強制再生の温度制御応答性を効果的に向上することができる（図１２（Ａ）参照）。

［ＳＯｘパージ制御］
ＳＯｘ離脱処理部６０は、排気をリッチ状態にして排気温度を硫黄離脱温度（例えば、約６００℃）まで上昇させて、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２をＳＯｘ被毒から回復させる制御（以下、この制御をＳＯｘパージ制御という）を実行する。

図２は、本実施形態のＳＯｘパージ制御のタイミングチャートを示している。図２に示すように、ＳＯｘパージ制御を開始するＳＯｘパージフラグＦ_SPは、強制再生フラグＦ_DPFのオフと同時にオンにされる（図２の時刻ｔ₂参照）。これにより、フィルタ３３の強制再生によって排気温度を上昇させた状態からＳＯｘパージ制御に効率よく移行することが可能となり、燃料消費量を効果的に低減することができる。

本実施形態において、ＳＯｘパージ制御によるリッチ化は、空気系制御によって空気過剰率を定常運転時（例えば、約１．５）から理論空燃比相当値（約１．０）よりもリーン側の第１目標空気過剰率（例えば、約１．３）まで低下させるＳＯｘパージリーン制御と、噴射系制御によって空気過剰率を第１目標空気過剰率からリッチ側の第２目標空気過剰率（例えば、約０．９）まで低下させるＳＯｘパージリッチ制御とを併用することで実現される。以下、ＳＯｘパージリーン制御及び、ＳＯｘパージリッチ制御の詳細について説明する。

［ＳＯｘパージリーン制御の空気系制御］
図３は、ＳＯｘパージリーン制御時のＭＡＦ目標値ＭＡＦ_{SPL_Trgt}の設定処理を示すブロック図である。第１目標空気過剰率設定マップ６１は、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑ（エンジン１０の燃料噴射量）に基づいて参照されるマップであって、これらエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ｑとに対応したＳＯｘパージリーン制御時の空気過剰率目標値λ_{SPL_Trgt}（第１目標空気過剰率）が予め実験等に基づいて設定されている。

まず、第１目標空気過剰率設定マップ６１から、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑを入力信号としてＳＯｘパージリーン制御時の空気過剰率目標値λ_{SPL_Trgt}が読み取られて、ＭＡＦ目標値演算部６２に入力される。さらに、ＭＡＦ目標値演算部６２では、以下の数式（１）に基づいてＳＯｘパージリーン制御時のＭＡＦ目標値ＭＡＦ_{SPL_Trgt}が演算される。
ＭＡＦ_{SPL_Trgt}＝λ_{SPL_Trgt}×Ｑ_{fnl_corrd}×Ｒｏ_Fuel×ＡＦＲ_sto／Ｍａｆ_{_corr}・・・（１）

数式（１）において、Ｑ_{fnl_corrd}は後述する学習補正された燃料噴射量（ポスト噴射を除く）、Ｒｏ_Fuelは燃料比重、ＡＦＲ_stoは理論空燃比、Ｍａｆ_{_corr}は後述するＭＡＦ補正係数をそれぞれ示している。

ＭＡＦ目標値演算部６２によって演算されたＭＡＦ目標値ＭＡＦ_{SPL_Trgt}は、ＳＯｘパージフラグＦ_SPがオン（図２の時刻ｔ₂参照）になるとランプ処理部６３に入力される。ランプ処理部６３は、各ランプ係数マップ６３Ａ，Ｂからエンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑを入力信号としてランプ係数を読み取ると共に、このランプ係数を付加したＭＡＦ目標ランプ値ＭＡＦ_{SPL_Trgt_Ramp}をバルブ制御部６４に入力する。

バルブ制御部６４は、ＭＡＦセンサ４０から入力される実ＭＡＦ値ＭＡＦ_ActがＭＡＦ目標ランプ値ＭＡＦ_{SPL_Trgt_Ramp}となるように、吸気スロットルバルブ１６を閉側に絞ると共に、ＥＧＲバルブ２４を開側に開くフィードバック制御を実行する。

このように、本実施形態では、第１目標空気過剰率設定マップ６１から読み取られる空気過剰率目標値λ_{SPL_Trgt}と、各インジェクタ１１の燃料噴射量とに基づいてＭＡＦ目標値ＭＡＦ_{SPL_Trgt}を設定し、このＭＡＦ目標値ＭＡＦ_{SPL_Trgt}に基づいて空気系動作をフィードバック制御するようになっている。これにより、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２の上流側にラムダセンサを設けることなく、或いは、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２の上流側にラムダセンサを設けた場合も当該ラムダセンサのセンサ値を用いることなく、排気をＳＯｘパージリーン制御に必要な所望の空気過剰率まで効果的に低下させることが可能になる。

また、各インジェクタ１１の燃料噴射量として学習補正後の燃料噴射量Ｑ_{fnl_corrd}を用いることで、ＭＡＦ目標値ＭＡＦ_{SPL_Trgt}をフィードフォワード制御で設定することが可能となり、各インジェクタ１１の経年劣化や特性変化、個体差等の影響を効果的に排除することができる。

また、ＭＡＦ目標値ＭＡＦ_{SPL_Trgt}にエンジン１０の運転状態に応じて設定されるランプ係数を付加することで、吸入空気量の急激な変化によるエンジン１０の失火やトルク変動によるドライバビリティーの悪化等を効果的に防止することができる。

［ＳＯｘパージリッチ制御の燃料噴射量設定］
図４は、ＳＯｘパージリッチ制御における排気管噴射又はポスト噴射の目標噴射量Ｑ_{SPR_Trgt}（単位時間当たりの噴射量）の設定処理を示すブロック図である。第２目標空気過剰率設定マップ６５は、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑに基づいて参照されるマップであって、これらエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ｑとに対応したＳＯｘパージリッチ制御時の空気過剰率目標値λ_{SPR_Trgt}（第２目標空気過剰率）が予め実験等に基づいて設定されている。

まず、第２目標空気過剰率設定マップ６５から、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑを入力信号としてＳＯｘパージリッチ制御時の空気過剰率目標値λ_{SPR_Trgt}が読み取られて、噴射量目標値演算部６６に入力される。さらに、噴射量目標値演算部６６では、以下の数式（２）に基づいてＳＯｘパージリッチ制御時の目標噴射量Ｑ_{SPR_Trgt}が演算される。
Ｑ_{SPR_Trgt}＝ＭＡＦ_{SPL_Trgt}×Ｍａｆ_{_corr}／（λ_{SPR_Target}×Ｒｏ_Fuel×ＡＦＲ_sto）−Ｑ_{fnl_corrd}・・・（２）

数式（２）において、ＭＡＦ_{SPL_Trgt}はＳＯｘパージリーン時のＭＡＦ目標値であって、前述のＭＡＦ目標値演算部６２から入力される。また、Ｑ_{fnlRaw_corrd}は後述する学習補正されたＭＡＦ追従制御適用前の燃料噴射量（ポスト噴射を除く）、Ｒｏ_Fuelは燃料比重、ＡＦＲ_stoは理論空燃比、Ｍａｆ_{_corr}は後述するＭＡＦ補正係数をそれぞれ示している。

噴射量目標値演算部６６によって演算された目標噴射量Ｑ_{SPR_Trgt}は、後述するＳＯｘパージリッチフラグＦ_SPRがオンになると、排気管噴射装置３４又は、各インジェクタ１１に噴射指示信号として送信される。

このように、本実施形態では、第２目標空気過剰率設定マップ６５から読み取られる空気過剰率目標値λ_{SPR_Trgt}と、各インジェクタ１１の燃料噴射量とに基づいて目標噴射量Ｑ_{SPR_Trgt}を設定するようになっている。これにより、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２の上流側にラムダセンサを設けることなく、或いは、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２の上流側にラムダセンサを設けた場合も当該ラムダセンサのセンサ値を用いることなく、排気をＳＯｘパージリッチ制御に必要な所望の空気過剰率まで効果的に低下させることが可能になる。

また、各インジェクタ１１の燃料噴射量として学習補正後の燃料噴射量Ｑ_{fnl_corrd}を用いることで、目標噴射量Ｑ_{SPR_Trgt}をフィードフォワード制御で設定することが可能となり、各インジェクタ１１の経年劣化や特性変化等の影響を効果的に排除することができる。

［ＳＯｘパージ制御の触媒温度調整制御］
ＳＯｘパージ制御中にＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２に流入する排気温度（以下、触媒温度ともいう）は、図２の時刻ｔ₂〜ｔ₄に示すように、排気管噴射又はポスト噴射を実行するＳＯｘパージリッチフラグＦ_SPRのオン・オフ（リッチ・リーン）を交互に切り替えることで制御される。ＳＯｘパージリッチフラグＦ_SPRがオン（Ｆ_SPR＝１）にされると、排気管噴射又はポスト噴射によって触媒温度は上昇する（以下、この期間を噴射期間Ｔ_{F_INJ}という）。一方、ＳＯｘパージリッチフラグＦ_SPRがオフにされると、排気管噴射又はポスト噴射の停止によって触媒温度は低下する（以下、この期間をインターバルＴ_{F_INT}という）。

本実施形態において、噴射期間Ｔ_{F_INJ}は、予め実験等により作成した噴射期間設定マップ（不図示）からエンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑに対応する値を読み取ることで設定される。この噴射時間設定マップには、予め実験等によって求めた排気の空気過剰率を第２目標空気過剰率まで確実に低下させるのに必要となる噴射期間が、エンジン１０の運転状態に応じて設定されている。

インターバルＴ_{F_INT}は、触媒温度が最も高くなるＳＯｘパージリッチフラグＦ_SPRがオンからオフに切り替えられた際に、フィードバック制御によって設定される。具体的には、ＳＯｘパージリッチフラグＦ_SPRがオフされた際の目標触媒温度と推定触媒温度との偏差ΔＴに比例して入力信号を変化させる比例制御と、偏差ΔＴの時間積分値に比例して入力信号を変化させる積分制御と、偏差ΔＴの時間微分値に比例して入力信号を変化させる微分制御とで構成されるＰＩＤ制御によって処理される。目標触媒温度は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２からＳＯｘを離脱可能な温度で設定され、推定触媒温度は、例えば、第１排気温度センサ４３で検出される酸化触媒３１の入口温度と、酸化触媒３１及びＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２の内部での発熱反応等に基づいて推定すればよい。

図５の時刻ｔ₁に示すように、フィルタ強制再生の終了（Ｆ_DPF＝０）によってＳＯｘパージフラグＦ_SPがオンされると、ＳＯｘパージリッチフラグＦ_SPRもオンにされ、さらに前回のＳＯｘパージ制御時にフィードバック計算されたインターバルＴ_{F_INT}も一旦リセットされる。すなわち、フィルタ強制再生直後の初回は、噴射期間設定マップで設定した噴射期間Ｔ_{F_INJ_1}に応じて排気管噴射又はポスト噴射が実行される（図５の時刻ｔ₁〜ｔ₂参照）。このように、ＳＯｘパージリーン制御を行うことなくＳＯｘパージリッチ制御からＳＯｘパージ制御を開始するので、フィルタ強制再生で上昇した排気温度を低下させることなく、速やかにＳＯｘパージ制御に移行され、燃料消費量を低減することができる。

次いで、噴射期間Ｔ_{F_INJ_1}の経過によってＳＯｘパージリッチフラグＦ_SPRがオフになると、ＰＩＤ制御によって設定されたインターバルＴ_{F_INT_1}が経過するまで、ＳＯｘパージリッチフラグＦ_SPRはオフとされる（図５の時刻ｔ₂〜ｔ₃参照）。さらに、インターバルＴ_{F_INT_1}の経過によってＳＯｘパージリッチフラグＦ_SPRがオンにされると、再び噴射期間Ｔ_{F_INJ_2}に応じた排気管噴射又はポスト噴射が実行される（図５の時刻ｔ₃〜ｔ₄参照）。その後、これらＳＯｘパージリッチフラグＦ_SPRのオン・オフの切り替えは、後述するＳＯｘパージ制御の終了判定によってＳＯｘパージフラグＦ_SPがオフ（図５の時刻ｔ_n参照）にされるまで繰り返し実行される。

このように、本実施形態では、触媒温度を上昇させると共に空気過剰率を第２目標空気過剰率まで低下させる噴射期間Ｔ_{F_INJ}をエンジン１０の運転状態に基づいて参照されるマップから設定すると共に、触媒温度を降下させるインターバルＴ_{F_INT}をＰＩＤ制御によって処理するようになっている。これにより、ＳＯｘパージ制御中の触媒温度をパージに必要な所望の温度範囲に効果的に維持しつつ、空気過剰率を目標過剰率まで確実に低下させることが可能になる。

［ＳＯｘパージ制御の終了判定］
ＳＯｘパージ制御は、（１）ＳＯｘパージフラグＦ_SPのオンから排気管噴射又はポスト噴射の噴射量を累積し、この累積噴射量が所定の上限閾値量に達した場合、（２）ＳＯｘパージ制御の開始から計時した経過時間が所定の上限閾値時間に達した場合、（３）エンジン１０の運転状態やＮＯｘ／ラムダセンサ４５のセンサ値等を入力信号として含む所定のモデル式に基づいて演算されるＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２のＳＯｘ吸着量がＳＯｘ除去成功を示す所定の閾値まで低下した場合の何れかの条件が成立すると、ＳＯｘパージフラグＦ_SPをオフにして終了される（図２の時刻ｔ₄、図５の時刻ｔ_n参照）。

このように、本実施形態では、ＳＯｘパージ制御の終了条件に累積噴射量及び、経過時間の上限を設けたことで、ＳＯｘパージが排気温度の低下等によって進捗しなかった場合に、燃料消費量が過剰になることを効果的に防止することができる。

［ＮＯｘパージ制御］
ＮＯｘ離脱処理部７０は、排気をリッチ雰囲気にしてＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２に吸蔵されているＮＯｘを還元浄化により無害化して放出することで、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２のＮＯｘ吸蔵能力を回復させる制御（以下、この制御をＮＯｘパージ制御という）を実行する。

ＮＯｘパージ制御を開始するＮＯｘパージフラグＦ_NPは、エンジン１０の運転状態から単位時間当たりのＮＯｘ排出量を推定し、これを累積計算した推定累積値ΣＮＯｘが所定の閾値を超えるとオンにされる（図６の時刻ｔ₁参照）。あるいは、エンジン１０の運転状態から推定される触媒上流側のＮＯｘ排出量と、ＮＯｘ／ラムダセンサ４５で検出される触媒下流側のＮＯｘ量とからＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２によるＮＯｘ浄化率を演算し、このＮＯｘ浄化率が所定の判定閾値よりも低くなった場合に、ＮＯｘパージフラグＦ_NPはオンにされる。

本実施形態において、ＮＯｘパージ制御によるリッチ化は、空気系制御によって空気過剰率を定常運転時（例えば、約１．５）から理論空燃比相当値（約１．０）よりもリーン側の第３目標空気過剰率（例えば、約１．３）まで低下させるＮＯｘパージリーン制御と、噴射系制御によって空気過剰率を第４目標空気過剰率からリッチ側の第２目標空気過剰率（例えば、約０．９）まで低下させるＮＯｘパージリッチ制御とを併用することで実現される。以下、ＮＯｘパージリーン制御及び、ＮＯｘパージリッチ制御の詳細について説明する。

［ＮＯｘパージリーン制御のＭＡＦ目標値設定］
図７は、ＮＯｘパージリーン制御時のＭＡＦ目標値ＭＡＦ_{NPL_Trgt}の設定処理を示すブロック図である。第３目標空気過剰率設定マップ７１は、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑに基づいて参照されるマップであって、これらエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ｑとに対応したＮＯｘパージリーン制御時の空気過剰率目標値λ_{NPL_Trgt}（第３目標空気過剰率）が予め実験等に基づいて設定されている。

まず、第３目標空気過剰率設定マップ７１から、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑを入力信号としてＮＯｘパージリーン制御時の空気過剰率目標値λ_{NPL_Trgt}が読み取られて、ＭＡＦ目標値演算部７２に入力される。さらに、ＭＡＦ目標値演算部７２では、以下の数式（３）に基づいてＮＯｘパージリーン制御時のＭＡＦ目標値ＭＡＦ_{NPL_Trgt}が演算される。
ＭＡＦ_{NPL_Trgt}＝λ_{NPL_Trgt}×Ｑ_{fnl_corrd}×Ｒｏ_Fuel×ＡＦＲ_sto／Ｍａｆ_{_corr}・・・（３）

数式（３）において、Ｑ_{fnl_corrd}は後述する学習補正された燃料噴射量（ポスト噴射を除く）、Ｒｏ_Fuelは燃料比重、ＡＦＲ_stoは理論空燃比、Ｍａｆ_{_corr}は後述するＭＡＦ補正係数をそれぞれ示している。

ＭＡＦ目標値演算部７２によって演算されたＭＡＦ目標値ＭＡＦ_{NPL_Trgt}は、ＮＯｘパージフラグＦ_SPがオン（図６の時刻ｔ₁参照）になるとランプ処理部７３に入力される。ランプ処理部７３は、各ランプ係数マップ７３Ａ，Ｂからエンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑを入力信号としてランプ係数を読み取ると共に、このランプ係数を付加したＭＡＦ目標ランプ値ＭＡＦ_{NPL_Trgt_Ramp}をバルブ制御部７４に入力する。

バルブ制御部７４は、ＭＡＦセンサ４０から入力される実ＭＡＦ値ＭＡＦ_ActがＭＡＦ目標ランプ値ＭＡＦ_{NPL_Trgt_Ramp}となるように、吸気スロットルバルブ１６を閉側に絞ると共に、ＥＧＲバルブ２４を開側に開くフィードバック制御を実行する。

このように、本実施形態では、第３目標空気過剰率設定マップ７１から読み取られる空気過剰率目標値λ_{NPL_Trgt}と、各インジェクタ１１の燃料噴射量とに基づいてＭＡＦ目標値ＭＡＦ_{NPL_Trgt}を設定し、このＭＡＦ目標値ＭＡＦ_{NPL_Trgt}に基づいて空気系動作をフィードバック制御するようになっている。これにより、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２の上流側にラムダセンサを設けることなく、或いは、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２の上流側にラムダセンサを設けた場合も当該ラムダセンサのセンサ値を用いることなく、排気をＮＯｘパージリーン制御に必要な所望の空気過剰率まで効果的に低下させることが可能になる。

また、各インジェクタ１１の燃料噴射量として学習補正後の燃料噴射量Ｑ_{fnl_corrd}を用いることで、ＭＡＦ目標値ＭＡＦ_{NPL_Trgt}をフィードフォワード制御で設定することが可能となり、各インジェクタ１１の経年劣化や特性変化等の影響を効果的に排除することができる。

また、ＭＡＦ目標値ＭＡＦ_{NPL_Trgt}にエンジン１０の運転状態に応じて設定されるランプ係数を付加することで、吸入空気量の急激な変化によるエンジン１０の失火やトルク変動によるドライバビリティーの悪化等を効果的に防止することができる。

［ＮＯｘパージリッチ制御の燃料噴射量設定］
図８は、ＮＯｘパージリッチ制御における排気管噴射又はポスト噴射の目標噴射量Ｑ_{NPR_Trgt}（単位時間当たりの噴射量）の設定処理を示すブロック図である。第４目標空気過剰率設定マップ７５は、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑに基づいて参照されるマップであって、これらエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ｑとに対応したＮＯｘパージリッチ制御時の空気過剰率目標値λＮ_{PR_Trgt}（第４目標空気過剰率）が予め実験等に基づいて設定されている。

まず、第４目標空気過剰率設定マップ７５から、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑを入力信号としてＮＯｘパージリッチ制御時の空気過剰率目標値λ_{NPR_Trgt}が読み取られて噴射量目標値演算部７６に入力される。さらに、噴射量目標値演算部７６では、以下の数式（４）に基づいてＮＯｘパージリッチ制御時の目標噴射量Ｑ_{NPR_Trgt}が演算される。
Ｑ_{NPR_Trgt}＝ＭＡＦ_{NPL_Trgt}×Ｍａｆ_{_corr}／（λ_{NPR_Target}×Ｒｏ_Fuel×ＡＦＲ_sto）−Ｑ_{fnl_corrd}・・・（４）

数式（４）において、ＭＡＦ_{NPL_Trgt}はＮＯｘパージリーンＭＡＦ目標値であって、前述のＭＡＦ目標値演算部７２から入力される。また、Ｑ_{fnlRaw_corrd}は後述する学習補正されたＭＡＦ追従制御適用前の燃料噴射量（ポスト噴射を除く）、Ｒｏ_Fuelは燃料比重、ＡＦＲ_stoは理論空燃比、Ｍａｆ_{_corr}は後述するＭＡＦ補正係数をそれぞれ示している。

噴射量目標値演算部７６によって演算される目標噴射量Ｑ_{NPR_Trgt}は、ＮＯｘパージフラグＦ_SPがオンになると、排気管噴射装置３４又は各インジェクタ１１に噴射指示信号として送信される（図６の時刻ｔ₁）。この噴射指示信号の送信は、後述するＮＯｘパージ制御の終了判定によってＮＯｘパージフラグＦ_NPがオフ（図６の時刻ｔ₂）にされるまで継続される。

このように、本実施形態では、第４目標空気過剰率設定マップ７５から読み取られる空気過剰率目標値λ_{NPR_Trgt}と、各インジェクタ１１の燃料噴射量とに基づいて目標噴射量Ｑ_{NPR_Trgt}を設定するようになっている。これにより、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２の上流側にラムダセンサを設けることなく、或いは、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２の上流側にラムダセンサを設けた場合も当該ラムダセンサのセンサ値を用いることなく、排気をＮＯｘパージリッチ制御に必要な所望の空気過剰率まで効果的に低下させることが可能になる。

また、各インジェクタ１１の燃料噴射量として学習補正後の燃料噴射量Ｑ_{fnl_corrd}を用いることで、目標噴射量Ｑ_{NPR_Trgt}をフィードフォワード制御で設定することが可能となり、各インジェクタ１１の経年劣化や特性変化等の影響を効果的に排除することができる。

［ＮＯｘパージ制御の空気系制御禁止］
ＥＣＵ５０は、エンジン１０の運転状態が低負荷側の領域では、ＭＡＦセンサ４０のセンサ値に基づいて吸気スロットルバルブ１６やＥＧＲバルブ２４の開度をフィードバック制御している。一方、エンジン１０の運転状態が高負荷側の領域では、ＥＣＵ５０はブースト圧センサ４６のセンサ値に基づいて可変容量型過給機２０による過給圧をフィードバック制御している（以下、この領域をブース圧ＦＢ制御領域という）。

このようなブース圧ＦＢ制御領域では、吸気スロットルバルブ１６やＥＧＲバルブ２４の制御が可変容量型過給機２０の制御と干渉してしまう現象が生じる。このため、上述の数式（３）で設定されるＭＡＦ目標値ＭＡＦ_{NPL_Trgt}に基づいて空気系をフィードバック制御するＮＯｘパージリーン制御を実行しても、吸入空気量をＭＡＦ目標値_{NPL_Trgt}に維持できない課題がある。その結果、ポスト噴射や排気管噴射を実行するＮＯｘパージリッチ制御を開始しても、空気過剰率をＮＯｘパージに必要な第４目標空気過剰率（空気過剰率目標値λ_{NPR_Trgt}）まで低下させられない可能性がある。

このような現象を回避すべく、本実施形態のＮＯｘ離脱処理部７０は、ブース圧ＦＢ制御領域では、吸気スロットルバルブ１６やＥＧＲバルブ２４の開度を調整するＮＯｘパージリーン制御を禁止し、排気管噴射又はポスト噴射のみで空気過剰率を第４目標空気過剰率（空気過剰率目標値λ_{NPR_Trgt}）まで低下させる。これにより、ブース圧ＦＢ制御領域においても、ＮＯｘパージを確実に行うことが可能になる。なお、この場合、上述の数式（４）のＭＡＦ目標値ＭＡＦ_{NPL_Trgt}には、エンジン１０の運転状態に基づいて設定されるＭＡＦ目標値を適用すればよい。

［ＮＯｘパージ制御の終了判定］
ＮＯｘパージ制御は、（１）ＮＯｘパージフラグＦ_NPのオンから排気管噴射又はポスト噴射の噴射量を累積し、この累積噴射量が所定の上限閾値量に達した場合、（２）ＮＯｘパージ制御の開始から計時した経過時間が所定の上限閾値時間に達した場合、（３）エンジン１０の運転状態やＮＯｘ／ラムダセンサ４５のセンサ値等を入力信号として含む所定のモデル式に基づいて演算されるＮＯｘ吸蔵還元型触媒３２のＮＯｘ吸蔵量がＮＯｘ除去成功を示す所定の閾値まで低下した場合の何れかの条件が成立すると、ＮＯｘパージフラグＦ_NPをオフにして終了される（図６の時刻ｔ₂参照）。

このように、本実施形態では、ＮＯｘパージ制御の終了条件に累積噴射量及び、経過時間の上限を設けたことで、ＮＯｘパージが排気温度の低下等によって成功しなかった場合に燃料消費量が過剰になることを確実に防止することができる。

［ＭＡＦ追従制御］
ＭＡＦ追従制御部８０は、（１）通常運転のリーン状態からＳＯｘパージ制御又はＮＯｘパージ制御によるリッチ状態への切り替え期間及び、（２）ＳＯｘパージ制御又はＮＯｘパージ制御によるリッチ状態から通常運転のリーン状態への切り替え期間に、各インジェクタ１１の燃料噴射タイミング及び燃料噴射量をＭＡＦ変化に応じて補正する制御（以下、この制御をＭＡＦ追従制御という）を実行する。

［噴射量学習補正］
図９に示すように、噴射量学習補正部９０は、学習補正係数演算部９１と、噴射量補正部９２とを有する。

学習補正係数演算部９１は、エンジン１０のリーン運転時にＮＯｘ／ラムダセンサ４５で検出される実ラムダ値λ_Actと、推定ラムダ値λ_Estとの誤差Δλに基づいて燃料噴射量の学習補正係数Ｆ_Corrを演算する。排気がリーン状態のときは、排気中のＨＣ濃度が非常に低いので、酸化触媒３１でＨＣの酸化反応による排気ラムダ値の変化は無視できるほど小さい。このため、酸化触媒３１を通過して下流側のＮＯｘ／ラムダセンサ４５で検出される排気中の実ラムダ値λ_Actと、エンジン１０から排出された排気中の推定ラムダ値λ_Estとは一致すると考えられる。すなわち、これら実ラムダ値λ_Actと推定ラムダ値λ_Estとに誤差Δλが生じた場合は、各インジェクタ１１に対する指示噴射量と実噴射量との差によるものと仮定することができる。以下、この誤差Δλを用いた学習補正係数演算部９１による学習補正係数の演算処理を図１０のフローに基づいて説明する。

ステップＳ３００では、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑに基づいて、エンジン１０がリーン運転状態にあるか否かが判定される。リーン運転状態にあれば、学習補正係数の演算を開始すべく、ステップＳ３１０に進む。

ステップＳ３１０では、推定ラムダ値λ_EstからＮＯｘ／ラムダセンサ４５で検出される実ラムダ値λ_Actを減算した誤差Δλに、学習値ゲインＫ₁及び補正感度係数Ｋ₂を乗じることで、学習値Ｆ_CorrAdptが演算される（Ｆ_CorrAdpt＝（λ_Est−λ_Act）×Ｋ₁×Ｋ₂）。推定ラムダ値λ_Estは、エンジン回転数Ｎｅやアクセル開度Ｑに応じたエンジン１０の運転状態から推定演算される。また、補正感度係数Ｋ₂は、図９に示す補正感度係数マップ９１ＡからＮＯｘ／ラムダセンサ４５で検出される実ラムダ値λ_Actを入力信号として読み取られる。

ステップＳ３２０では、学習値Ｆ_CorrAdptの絶対値｜Ｆ_CorrAdpt｜が所定の補正限界値Ａの範囲内にあるか否かが判定される。絶対値｜Ｆ_CorrAdpt｜が補正限界値Ａを超えている場合、本制御はリターンされて今回の学習を中止する。

ステップＳ３３０では、学習禁止フラグＦ_Proがオフか否かが判定される。学習禁止フラグＦ_Proとしては、例えば、エンジン１０の過渡運転時、ＳＯｘパージ制御時（Ｆ_SP＝１）、ＮＯｘパージ制御時（Ｆ_NP＝１）等が該当する。これらの条件が成立する状態では、実ラムダ値λ_Actの変化によって誤差Δλが大きくなり、正確な学習を行えないためである。エンジン１０が過渡運転状態にあるか否かは、例えば、ＮＯｘ／ラムダセンサ４５で検出される実ラムダ値λ_Actの時間変化量に基づいて、当該時間変化量が所定の閾値よりも大きい場合に過渡運転状態と判定すればよい。

ステップＳ３４０では、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑに基づいて参照される学習値マップ９１Ｂ（図９参照）が、ステップＳ３１０で演算された学習値Ｆ_CorrAdptに更新される。より詳しくは、この学習値マップ９１Ｂ上には、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑに応じて区画された複数の学習領域が設定されている。これら学習領域は、好ましくは、使用頻度が多い領域ほどその範囲が狭く設定され、使用頻度が少ない領域ほどその範囲が広く設定されている。これにより、使用頻度が多い領域では学習精度が向上され、使用頻度が少ない領域では未学習を効果的に防止することが可能になる。

ステップＳ３５０では、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑを入力信号として学習値マップ９１Ｂから読み取った学習値に「１」を加算することで、学習補正係数Ｆ_Corrが演算される（Ｆ_Corr＝１＋Ｆ_CorrAdpt）。この学習補正係数Ｆ_Corrは、図９に示す噴射量補正部９２に入力される。

噴射量補正部９２は、パイロット噴射Ｑ_Pilot、プレ噴射Ｑ_Pre、メイン噴射Ｑ_Main、アフタ噴射Ｑ_After、ポスト噴射Ｑ_Postの各基本噴射量に学習補正係数Ｆ_Corrを乗算することで、これら燃料噴射量の補正を実行する。

このように、推定ラムダ値λ_Estと実ラムダ値λ_Actとの誤差Δλに応じた学習値で各インジェクタ１１に燃料噴射量を補正することで、各インジェクタ１１の経年劣化や特性変化、個体差等のバラツキを効果的に排除することが可能になる。

［ＭＡＦ補正係数］
ＭＡＦ補正係数演算部９５は、ＳＯｘパージ制御時のＭＡＦ目標値ＭＡＦ_{SPL_Trgt}や目標噴射量Ｑ_{SPR_Trgt}の設定及び、ＮＯｘパージ制御時のＭＡＦ目標値ＭＡＦ_{NPL_Trgt}や目標噴射量Ｑ_{NPR_Trgt}の設定に用いられるＭＡＦ補正係数Ｍａｆ_{_corr}を演算する。

本実施形態において、各インジェクタ１１の燃料噴射量は、ＮＯｘ／ラムダセンサ４５で検出される実ラムダ値λ_Actと推定ラムダ値λ_Estとの誤差Δλに基づいて補正される。しかしながら、ラムダは空気と燃料の比であるため、誤差Δλの要因が必ずしも各インジェクタ１１に対する指示噴射量と実噴射量との差の影響のみとは限らない。すなわち、ラムダの誤差Δλには、各インジェクタ１１のみならずＭＡＦセンサ４０の誤差も影響している可能性がある。

図１１は、ＭＡＦ補正係数演算部９５によるＭＡＦ補正係数Ｍａｆ_{_corr}の設定処理を示すブロック図である。補正係数設定マップ９６は、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑに基づいて参照されるマップであって、これらエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ｑとに対応したＭＡＦセンサ４０のセンサ特性を示すＭＡＦ補正係数Ｍａｆ_{_corr}が予め実験等に基づいて設定されている。

ＭＡＦ補正係数演算部９５は、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度Ｑを入力信号として補正係数設定マップ９６からＭＡＦ補正係数Ｍａｆ_{_corr}を読み取ると共に、このＭＡＦ補正係数Ｍａｆ_{_corr}をＭＡＦ目標値演算部６２，７２及び噴射量目標値演算部６６，７６に送信する。これにより、ＳＯｘパージ制御時のＭＡＦ目標値ＭＡＦ_{SPL_Trgt}や目標噴射量Ｑ_{SPR_Trgt}、ＮＯｘパージ制御時のＭＡＦ目標値ＭＡＦ_{NPL_Trgt}や目標噴射量Ｑ_{NPR_Trgt}の設定に、ＭＡＦセンサ４０のセンサ特性を効果的に反映することが可能になる。

［その他］
なお、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、適宜変形して実施することが可能である。

１０ エンジン
１１ インジェクタ（燃料供給手段）
１２ 吸気通路
１３ 排気通路
１６ 吸気スロットルバルブ
２４ ＥＧＲバルブ
３１ 酸化触媒
３２ ＮＯｘ吸蔵還元型触媒
３３ フィルタ
３４ 排気管噴射装置（燃料供給手段）
４０ ＭＡＦセンサ
４３ 第１排気温度センサ（温度推定手段）
４４ 第２排気温度センサ（温度推定手段）
４５ ＮＯｘ／ラムダセンサ
５０ ＥＣＵ（再生制御手段）

Claims (2)

1. 内燃機関の排気通路に上流側から順に酸化触媒、ＮＯｘ触媒、粒子状物質を捕集するフィルタが設けられた排気浄化システムであって、
   前記ＮＯｘ触媒の触媒温度を推定する温度推定手段と、
   前記酸化触媒に燃料を供給する燃料供給手段と、
   前記フィルタの粒子状物質堆積量が所定量に達すると、前記燃料供給手段から前記酸化触媒に燃料を供給させて、前記フィルタから粒子状物質を燃焼除去するフィルタ再生を実行する再生制御手段と、を備え、
   前記再生制御手段は、フィルタ再生時に前記温度推定手段から入力される触媒温度が所定の目標温度となるように、前記燃料供給手段の燃料供給量をフィードバック制御する
   排気浄化システム。
2. 前記温度推定手段は、前記酸化触媒と前記ＮＯｘ触媒との間に設けられた排気温度センサの検出値に基づいて、前記ＮＯｘ触媒の触媒温度を推定する
   請求項１に記載の排気浄化システム。

Images