JP2016205146A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】始動直後の内燃機関から排出されるＮＯｘを効率的に浄化できる内燃機関の排気浄化装置を提供すること。
【解決手段】エンジンの排気浄化装置は、ゼオライトからなる担体及び当該担体に担持されたＰｄを有するＮＯｘ触媒を排気管に設け、始動直後のエンジンから排出される排気中のＮＯｘをＮＯｘ触媒に吸着させるものであって、始動直後に吸着したＮＯｘがＮＯｘ触媒から脱離する時期を取得し（Ｓ３〜Ｓ４）、取得した脱離時期に合わせてＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をストイキ又はリッチにし、ＮＯｘ触媒から脱離するＮＯｘをＮＯｘ触媒において還元浄化するＮＯｘパージ制御を行う（Ｓ５）ＥＣＵを備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関で発生した動力によって走行する車両には、内燃機関の排気を浄化する排気浄化装置が搭載される。排気浄化装置は、排気管に設けた触媒を利用して排気を浄化するものが主流となっている。触媒は、その温度が適切な温度に達していない間は十分な排気浄化性能を発揮することができない。そこで近年では、内燃機関の始動直後における排気の浄化性能を向上する様々な技術が提案されている。

例えば特許文献１には、始動時における内燃機関の排気の浄化に適した特性を有するコールドスタート触媒が開示されている。このコールドスタート触媒は、ゼオライト触媒と、担持白金族金属触媒とを含むことを特徴としている。特許文献１には、このコールドスタート触媒を内燃機関の排気管に設けておくことにより、コールドスタート時における内燃機関から排出されるＮＯｘ及びＨＣを吸着できることが示されている。

また特許文献２には、低温用ＮＯｘトラップ触媒を用いた排気浄化装置における内燃機関の制御方法が示されている。この低温用ＮＯｘトラップ触媒は、主にゼオライトで構成され、低温でＮＯｘをトラップしておき、高温でこのＮＯｘを脱離する特性を有する触媒であり、例えば特許文献１に示すコールドスタート触媒が用いられる。

特許文献２の制御方法では、この低温用ＮＯｘトラップ触媒の下流側にさらに高温用ＮＯｘトラップ触媒を設け、これら２つの触媒を用いることによって始動時の内燃機関から排出されるＮＯｘを浄化する。より具体的には、始動時のＮＯｘを上流側の低温用ＮＯｘトラップ触媒でトラップしておき、その後、低温用ＮＯｘトラップ触媒からＮＯｘが脱離している間は排気の空燃比をリーン条件とすることによって低温用ＮＯｘトラップ触媒から脱離するＮＯｘを下流側の高温用ＮＯｘトラップ触媒でトラップし、その後排気の空燃比を一時的にリッチにすることによって高温用ＮＯｘトラップ触媒でトラップしたＮＯｘを浄化する。

特表２０１４−５１９９７５号公報 特許第３６３２６１４号公報

以上のように、特許文献１，２の技術を組み合わせることにより、始動時の内燃機関から排出されるＮＯｘを浄化することができる。しかしながら特許文献２の制御方法の下では、低温用ＮＯｘトラップ触媒が果たす機能は、始動時に排出されるＮＯｘをトラップしておき、一時的にその排出を防止することのみである。したがって特許文献２に示された制御方法の下では、低温用ＮＯｘトラップ触媒に加えて、さらに高温用ＮＯｘトラップ触媒が必要となってしまうため、少ない触媒で効率的に始動直後の内燃機関から排出されるＮＯｘを浄化できているとは言えない。

本発明は、始動直後の内燃機関から排出されるＮＯｘを効率的に浄化できる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

（１）本発明の内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の排気浄化装置（例えば、後述の排気浄化装置２）は、ゼオライトからなる担体及び当該担体に担持されたＰｄを有する排気浄化触媒（例えば、後述の下流触媒コンバータ３２のＮＯｘ触媒）を内燃機関の排気通路（例えば、後述の排気管１１）に設け、始動直後の前記内燃機関から排出される排気中のＮＯｘを前記排気浄化触媒に吸着させるものであって、前記始動直後に吸着したＮＯｘが前記排気浄化触媒から脱離する時期を取得する初期脱離時期取得手段（例えば、後述のＥＣＵ７、排気温度センサ３３、及び後述の図５のＳ３〜Ｓ４の処理の実行に係る手段）と、前記初期脱離時期取得手段によって取得した脱離時期に合わせて排気の空燃比をストイキ又はリッチにし、前記排気浄化触媒から脱離するＮＯｘを当該排気浄化触媒において還元浄化するＮＯｘパージ制御を行う始動時ＮＯｘ浄化手段（例えば、後述のＥＣＵ７、燃料噴射弁１７、及び図５の処理の実行に係る手段）と、を備える。本発明において排気の空燃比とは、排気中の炭化水素や一酸化炭素等の還元成分に対する酸素の比をいう。またこの排気の空燃比がストイキ又はリッチの状態は、具体的には、例えばアフター噴射等を行うことによって内燃機関における空燃比をストイキ又はリッチにしたり、ポスト噴射を行ったり排気通路に設けられた燃料インジェクタで排気中に燃料を噴射したりすることで排気通路へ未燃燃料を供給することによって実現される。

（２）この場合、前記排気浄化装置は、前記排気浄化触媒の触媒温度を測定又は推定する触媒温度取得手段（例えば、後述のＥＣＵ７、排気温度センサ３３、及び後述の図７のＳ４１の処理の実行に係る手段）と、前記排気浄化触媒への流入ＮＯｘ量を検出又は推定するＮＯｘ量取得手段（例えば、後述のＥＣＵ７、及び後述の図７のＳ４６の処理の実行に係る手段）と、前記触媒温度及び前記流入ＮＯｘ量を用いて前記排気浄化触媒におけるＮＯｘ吸着量の推定値を算出するＮＯｘ吸着量推定手段（例えば、後述のＥＣＵ７、及び図７のＳ４７の処理の実行に係る手段）と、前記ＮＯｘ吸着量の推定値が吸着量閾値を超えた場合には、前記排気浄化触媒を昇温するとともに空燃比をストイキ又はリッチにし、前記排気浄化触媒から脱離するＮＯｘを当該排気浄化触媒において還元浄化するＮＯｘパージ制御を行うＮＯｘパージ制御手段（例えば、後述のＥＣＵ７、燃料噴射弁１７、及び後述の図６の処理の実行に係る手段）と、を備えることが好ましい。

（３）この場合、前記吸着量閾値は、前記排気浄化触媒で吸着できるＮＯｘ量の最大値よりも小さいことが好ましい。

（４）この場合、前記始動時ＮＯｘ浄化手段は、前記内燃機関を始動してから所定時間が経過するまでの間に前記排気浄化触媒の温度が所定の脱離温度を超えなかった場合には、当該排気浄化触媒の温度が前記脱離温度を超えるまで前記排気浄化触媒を強制的に昇温するとともに前記ＮＯｘパージ制御を行うことが好ましい。

（５）この場合、前記排気浄化装置は、イグニッションスイッチが操作されたことに応じて前記内燃機関を停止する停止手段（例えば、後述のＥＣＵ７、及び後述の図９の処理の実行に係る手段）を備え、前記停止手段は、前記イグニッションスイッチが操作された時に前記始動時ＮＯｘ浄化手段又は前記ＮＯｘパージ制御手段によって前記ＮＯｘパージ制御が行われている場合には、前記内燃機関を停止せずに実行中のＮＯｘパージ制御を継続し、当該ＮＯｘパージ制御が終了してから前記内燃機関を停止することが好ましい。

（１）本発明では、ゼオライトからなる担体及びこの担体に担持されたＰｄを有する排気浄化触媒（以下、「ＮＯｘ触媒」ともいう）を内燃機関の排気通路に設ける。このようなＮＯｘ触媒は、低温時にＮＯｘを吸着し、吸着したＮＯｘを高温時に脱離する特性を有する。このため本発明によれば、始動直後の内燃機関から排出されるＮＯｘをＮＯｘ触媒に吸着させることができるので、このＮＯｘが排気浄化装置の外へ排出されるのを防止できる。また、本発明で用いるＮＯｘ触媒は、上述のようなＮＯｘ吸着特性に加えて、ＮＯｘが脱離する高温時には、ストイキ又はリッチの還元雰囲気の下において脱離したＮＯｘを還元浄化する特性を有する。本発明では、始動直後のＮＯｘをＮＯｘ触媒に吸着させた後、この始動直後に吸着したＮＯｘが脱離する時期を取得し、この脱離時期に合わせて排気の空燃比をストイキ又はリッチにし、ＮＯｘ触媒から脱離するＮＯｘをこのＮＯｘ触媒において還元浄化する。本発明では、ＮＯｘ触媒からのＮＯｘの脱離時期に合わせてこのようなＮＯｘパージ制御を行うことにより、始動直後に内燃機関から排出されるＮＯｘを、このＮＯｘ触媒のみで還元浄化することができる。

（２）本発明では、ＮＯｘ触媒の温度及びこれに流入するＮＯｘ量を用いることによってＮＯｘ吸着量の推定値を算出し、このＮＯｘ吸着量の推定値が吸着量閾値を超えたことに応じて、排気浄化触媒を昇温すると共に排気の空燃比をストイキ又はリッチにし、それまでに吸着していたＮＯｘを還元浄化する。上述のように、ＮＯｘ触媒は低温時に優れたＮＯｘ吸着特性を有するため、特に始動直後に排出されるＮＯｘを浄化するのに適している。このため、内燃機関の始動直後には、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸着特性をできるだけ生かせるように、吸着されているＮＯｘの量はできるだけ少ない方が好ましい。しかしながら車両の走行中であっても、ＮＯｘ触媒の温度が低下し、排気中のＮＯｘが吸着される場合がある。本発明では、ＮＯｘ吸着量が吸着量閾値を超えたことに応じてＮＯｘパージ制御を行い、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ吸着量を吸着量閾値以下に維持することができる。またこれにより、どのようなタイミングで内燃機関が停止された場合でも、内燃機関の始動直後におけるＮＯｘ触媒のＮＯｘの吸着量を少なくできるので、内燃機関を停止させるタイミングによって始動直後のＮＯｘの浄化性能が低下するのを防止できる。

（３）本発明では、上述の吸着量閾値をＮＯｘ触媒で吸着できるＮＯｘ量の最大値よりも小さくすることにより、ＮＯｘ触媒へのＮＯｘの吸着量が物理的に吸着できる量に到達する前にＮＯｘパージ制御を行うことができる。これにより、内燃機関の始動直後にＮＯｘ触媒で吸着できるＮＯｘの量に余裕を持たせることができるので、内燃機関を停止させるタイミングによって始動直後のＮＯｘの浄化性能が低下するのを防止できる。

（４）本発明では、内燃機関を始動してから所定時間を経過するまでの間に触媒温度が脱離温度を超えず、したがってＮＯｘが脱離しない場合には、ＮＯｘ触媒の温度を強制的に昇温するとともにＮＯｘパージ制御を行い、始動時にＮＯｘ触媒に吸着したＮＯｘを強制的に還元浄化する。これにより、ＮＯｘ触媒による排気の浄化性能を速やかに上昇させることができる。

（５）本発明では、イグニッションスイッチが操作された時に始動時ＮＯｘ浄化手段又はＮＯｘパージ制御手段によってＮＯｘパージ制御が行われている場合には、内燃機関を直ちに停止せずに実行中のＮＯｘパージ制御を継続し、ＮＯｘパージ制御が終了してから内燃機関を停止する。これにより、内燃機関の再始動時には、ＮＯｘ触媒にはほとんどＮＯｘが吸着されていない状態を実現できるので、始動直後のＮＯｘの浄化性能を向上することができる。

本発明の一実施形態に係るエンジン及びその排気浄化装置の構成を示す図である。 ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの吸着・脱離挙動を示す図である。 ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ吸着率と、ＮＯｘ触媒の温度やＮＯｘ吸着量等との関係を示す図である。 ＮＯｘ触媒の温度を所定の温度で固定したときにおけるＮＯｘ吸着率とＮＯｘ吸着量との関係を示す図である。 始動時ＮＯｘ浄化処理の具体的な手順を示すフローチャートである。 ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸着性能を維持する制御の手順を示すフローチャートである。 ＮＯｘの新規吸着量を算出する具体的な手順を示すフローチャートである。 補正係数を算出するマップの一例である。 エンジン停止処理の手順を示すフローチャートである。 図６〜図９の処理の具体的な作動例を示すタイムチャートである。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る内燃機関（以下、「エンジン」という）１及びその排気浄化装置２の構成を示す図である。排気浄化装置２は、エンジン１の排気ポートから延びる排気管１１に設けられた触媒浄化装置３と、これらエンジン１及び触媒浄化装置３を制御する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）７と、を備える。

エンジン１は、燃焼空燃比をストイキよりもリーンとする所謂リーン燃焼を基本としたもの、より具体的には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である。エンジン１には、各シリンダに燃料を噴射する燃料噴射弁１７が設けられている。この燃料噴射弁１７を駆動するアクチュエータは、ＥＣＵ７に電磁的に接続されている。ＥＣＵ７は、図示しない燃料噴射制御の下で燃料噴射弁１７からの燃料噴射量や燃料噴射時期を決定し、これが実現されるように燃料噴射弁１７を駆動する。

触媒浄化装置３は、それぞれ排気管１１に設けられた上流触媒コンバータ３１、下流触媒コンバータ３２及び排気温度センサ３３を含んで構成される。

上流触媒コンバータ３１は、フロースルー型のハニカム構造体を基材として、この基材に三元触媒を担持して構成される。三元触媒では、ストイキ空燃比の排気の下においては、三元浄化反応、すなわちＨＣ及びＣＯの酸化反応とＮＯｘの還元反応とが同時に進行する。また三元触媒では、リーン空燃比の排気の下においては、ＨＣ及びＣＯの酸化反応が進行する。

下流触媒コンバータ３２は、排気管１１のうち上流触媒コンバータ３１より下流側に設けられる。下流触媒コンバータ３２は、フロースルー型のハニカム構造体を基材として、この基材にＮＯｘ触媒を担持して構成される。ＮＯｘ触媒は、ゼオライトからなる担体と、この担体に担持されたＰｄと、を含んで構成される。このＮＯｘ触媒は、例えばエンジン１の始動直後の比較的低温の条件下（より具体的には、例えば上流触媒コンバータ３１の三元触媒が活性温度に達する前）において、三元触媒で浄化しきれなかったＮＯｘを吸着し、還元浄化する機能を有する。

上記ＮＯｘ触媒のゼオライトは、ストイキ又はリッチ空燃比の排気の下において、排気中に含まれるＨＣを低温条件下でその骨格中の細孔内に取り込んで吸着し、吸着したＨＣを高温条件下で脱離する特性を有する。ＨＣの脱離が開始されるＨＣ脱離温度は、後述するＰｄからＮＯｘが脱離し始めるＮＯｘ脱離温度とほぼ等しい。

ゼオライトとしては、ＺＳＭ−５、フェリエライト、モルデナイト、Ｙ型ゼオライト、ベータ型ゼオライト、ＣＨＡ型ゼオライトが挙げられる。本実施形態では、これらのうち何れかを単独で用いてもよいし、複数を併用してもよい。このようなゼオライトにＰｄを担持させることにより、優れたＮＯｘ吸着性能が発現する。

ここで、通常、ゼオライトは、ＮＯ_２として供給されたＮＯｘをその細孔内に吸着する特性を有する。そのため、主として排気中のＮＯｘを構成するＮＯをＮＯ_２に変換するためには、排気をリーンにし、高酸素濃度かつ高温雰囲気下にし、さらにＰｔ等の活性種が必要となる。これに対して、本実施形態のＮＯｘ触媒は、担体のゼオライトにＰｄを担持させることで、低温条件下で排気の空燃比がストイキ又はリッチのときにおいても優れたＮＯｘ吸着性能を発揮する。その理由は次の通りである。

すなわち、ＮＯｘ触媒では、Ｐｄは、ゼオライトを構成するＡｌ、Ｓｉ及びＯのうち、酸点であるＡｌの近傍に配置される。そのため、Ｐｄは、Ａｌとの相互作用によって電子状態が変化し、２価のＰｄ^２＋として存在する。この２価のＰｄ^２＋は、従来のゼオライトのＮＯｘ吸着とは異なり、ＮＯを酸化してＮＯ_２とするまでもなくＮＯをそのまま吸着する特性を有する。これにより、ＮＯｘ触媒は、低温条件下で排気の空燃比がストイキ又はリッチのときにおいても、優れたＮＯｘ吸着性能が得られるようになっている。

ＮＯｘ触媒全体に対するＰｄの含有量は、０．０１〜１０質量％であることが好ましい。Ｐｄの含有量がこの範囲内であれば、優れたＮＯｘ吸着性能が得られる。より好ましい含有量は、０．１〜３質量％である。

またＮＯｘ触媒としては、上述のようにゼオライトからなる担体にＰｄを担持したものに限らない。上記Ｐｄに加えて、Ｆｅ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｌａ、Ｇａ、Ｉｎ及びＭｎからなる群より選択される少なくとも１種の添加元素をゼオライトに共担持させてもよい。すなわち、Ｐｄの間に、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｌａ、Ｇａ、Ｉｎ及びＭｎからなる群より選択される少なくとも１種の添加元素が介在することで、２価のＰｄ^２＋が０価のＰｄ^０に還元されるのが抑制されるとともに、Ｐｄの移動及び凝集が抑制されるため、Ｐｄの分散性の悪化が抑制される。したがって、このようなＮＯｘ触媒によれば、優れたＮＯｘ吸着性能が維持され、低酸素濃度雰囲気における耐熱性が向上する。

図２は、上記ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの吸着・脱離挙動を示す図である。この図２は、ＮＯｘ触媒に対して、以下の吸着条件で排気を導入してＮＯｘを吸着させた後、以下の脱離条件で排気を導入してＮＯｘを脱離させた場合における、ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度とＮＯｘ触媒から流出する排気中のＮＯｘ濃度を示している。図２中、横軸は時間（秒）を表し、右縦軸は触媒前温度、即ちＮＯｘ触媒に流入する排気の温度を表している。また、左縦軸は、ＮＯｘ触媒から流出する排気中のＮＯｘ濃度（ｐｐｍ）を表している。

［吸着条件］
排気組成：ＮＯ＝１００ｐｐｍ、Ｏ_２＝１０％、Ｎ_２バランスガス
排気流量：２０Ｌ／分
排気温度：５０℃
［脱離条件］
排気組成：Ｏ_２＝１０％、Ｎ_２バランスガス
排気流量：２０Ｌ／分
排気温度：５０℃から５００℃まで２０℃／分で昇温

図２に示すように、先ず上記吸着条件に従って、排気温度が５０℃の低温で且つＮＯを１００ｐｐｍ含む排気をＮＯｘ触媒に導入し始めた直後においては、ＮＯｘ触媒から流出する排気中のＮＯｘ濃度はほぼ０ｐｐｍである。これは、ＮＯｘ触媒に流入する排気中に含まれるＮＯｘ（ＮＯ）のほぼ全てがＮＯｘ触媒に吸着されていることを意味する。この結果から、下流触媒コンバータのＮＯｘ触媒は、上流触媒コンバータの三元触媒が活性に達する前の５０℃の低温条件下においてＮＯｘ（ＮＯ）を効率良く吸着可能であることが分かる。

その後、ＮＯｘ触媒から流出する排気中のＮＯｘ濃度は徐々に上昇し、１００ｐｐｍに近付く（図２中の４００秒付近を参照）。これは、ＮＯｘ触媒が吸着し得るＮＯｘ量に近付くにつれて吸着するＮＯｘ量が減少し、ついには吸着可能な限界量を超えてこれ以上ＮＯｘを吸着できなくなることを意味する。図２中の領域Ｔ１の面積は、ＮＯｘ触媒が吸着したＮＯｘの総量を表している。

次いで、上記脱離条件に切り替えて、ＮＯｘを含まない排気を一定速度で昇温させながらＮＯｘ触媒に導入し始めると、その直後に、ＮＯｘ触媒から流出する排気中のＮＯｘ濃度が一旦上昇する（図２中の５００〜６００秒付近を参照）。これは、ＮＯｘ触媒に弱い吸着力で吸着されていたＮＯｘが脱離したことを意味する。

その後、導入する排気の温度が２００℃付近に達すると、ＮＯｘ触媒から流出する排気中のＮＯｘ濃度が再び上昇する（図２中の１０００秒以上を参照）。これは、ＮＯｘ触媒により強い吸着力で吸着されていたＮＯｘが脱離し始めたことを意味する。そして、図２に示すように、このＮＯｘの脱離は、排気温度が５００℃に達するところで終了し、吸着されていたＮＯｘが全て脱離する。図２中の領域Ｔ２の面積は、ＮＯｘ触媒から脱離したＮＯｘの総量を表し、これは、ＮＯｘ触媒が吸着したＮＯｘの総量に相当する。

以上の通り、ＮＯｘ触媒は、低温域で吸着したＮＯｘを、高温域で脱離する。このとき、上述したように、ゼオライトに吸着されたＨＣも脱離するため、脱離したＨＣによって、脱離したＮＯｘが還元浄化される。またこのとき、排気の空燃比をストイキ又はリッチに制御することで、排気中に含まれるＨＣ等の還元剤によって、脱離したＮＯｘが還元浄化される。このようにして、下流触媒コンバータ３２のＮＯｘ触媒は、上流触媒コンバータ３１の三元触媒で浄化しきれなかったＮＯｘを吸着し、還元浄化する。

図３は、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ吸着率と、ＮＯｘ触媒の温度やＮＯｘ吸着量との関係を示す図である。ＮＯｘ吸着率は、ＮＯｘ触媒に流入するＮＯｘの総量のうちＮＯｘ触媒に吸着されるＮＯｘの量の割合で定義される。またＮＯｘ吸着量は、ＮＯｘに吸着されているＮＯｘの量で定義される。図３に示すように、ＮＯｘ吸着率は、ＮＯｘ触媒の温度が高くなるほど低下する特性がある。

図４は、ＮＯｘ触媒の温度を所定の温度で固定したときにおけるＮＯｘ吸着率とＮＯｘ吸着量との関係を示す図である。図４に示すように、ＮＯｘ触媒に吸着されているＮＯｘの量が増加するほど新たなＮＯｘが吸着されにくくなるため、ＮＯｘ吸着率は、ＮＯｘ吸着量が増加するほど低くなる。このため、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ吸着率を高く維持するためには、ＮＯｘ吸着量はできるだけ少なく維持する方が好ましい。またＮＯｘ触媒において吸着できるＮＯｘの量には限界があり、ＮＯｘ吸着量がこの最大値を超えると新たなＮＯｘを吸着することができなくなる。

図１に戻り、排気温度センサ３３は、排気管１１のうち下流触媒コンバータ３２より下流側に設けられる。この排気温度センサ３３は、下流触媒コンバータ３２から流出する排気の温度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ７に送信する。上流触媒コンバータ３１の三元触媒の温度や、下流触媒コンバータ３２のＮＯｘ触媒の温度は、例えば、排気温度センサ３３の出力に基づいて、ＥＣＵ７における演算によって推定される。

ＥＣＵ７は、センサの検出信号をＡ／Ｄ変換するＩ／Ｏインターフェース、後述の図５〜図９に示すフローチャートに沿った処理を実行するＣＰＵ、この処理の下で決定した態様で各種デバイスを駆動する駆動回路、及び各種データを記憶するＲＡＭやＲＯＭ等で構成されるマイクロコンピュータである。

図５は、始動直後のエンジンから排出されるＮＯｘを浄化する始動時ＮＯｘ浄化処理の具体的な手順を示すフローチャートである。図５の始動時ＮＯｘ浄化処理は、始動直後のエンジンの排気中に含まれるＮＯｘを一旦ＮＯｘ触媒に吸着しておき、その後所定のタイミングでＮＯｘパージ制御を実行することにより、吸着しておいたＮＯｘをＮＯｘ触媒上で還元浄化する。図５の処理は、エンジンを始動させたり停止させたりするイグニッションスイッチ（図示せず）がオンにされたことに応じて、ＥＣＵにおいて所定の制御周期の下で繰り返し実行される。

Ｓ１では、ＥＣＵは、パージ制御完了フラグが１であるか否かを判定する。このパージ制御完了フラグは、エンジンを始動してから１回目のＮＯｘパージ制御が完了したことを示すフラグである。この完了フラグは、エンジンの始動直後には０にセットされ、後述のＳ８において、所定時間にわたってＮＯｘパージ制御が実行されたことに応じて１にセットされる。ＥＣＵは、Ｓ１の判定がＮＯである場合にはＳ２に移り、ＹＥＳである場合には図５の処理を直ちに終了する。

Ｓ２では、ＥＣＵは、所定の始動時タイマの値を更新し、Ｓ３に移る。より具体的には、始動時タイマの前回値から、図５の制御周期に相当する時間を減算することによって始動時タイマの値を更新する。この始動時タイマは、イグニッションスイッチがオンにされてから経過した時間を計測するものである。始動時タイマの値は、イグニッションスイッチがオンにされた直後には０より大きな所定の初期値に設定される。また始動時タイマの値の最小値は０とする。

Ｓ３では、ＥＣＵは、排気温度センサの出力に基づいて、ＮＯｘ触媒の温度（以下では単に「触媒温度」という）を算出し、Ｓ４に移る。Ｓ４では、ＥＣＵは、Ｓ３で取得した触媒温度がＮＯｘ触媒の脱離温度より高いか否か、すなわちエンジンの始動直後に吸着したＮＯｘがＮＯｘ触媒から脱離する時期であるか否かを判定する。

Ｓ４の判定がＹＥＳである場合、ＥＣＵは、Ｓ５に移り、始動時に吸着したＮＯｘが脱離する時期に合わせて、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をストイキ又はリッチに制御するＮＯｘパージ制御を実行し、Ｓ６に移る。ここでＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比は、例えばアフター噴射を行うことによってエンジンの燃焼室における空燃比をストイキ又はリッチにしたり、ポスト噴射を行い排気管内へ未燃燃料を供給したりすることによってストイキ又はリッチに制御される。これにより、ＮＯｘ触媒から脱離するＮＯｘは、このＮＯｘ触媒上で還元浄化される。

Ｓ６では、ＥＣＵは、Ｓ５のパージ制御を実行中であることを示すパージ中フラグの値を１にし、Ｓ７に移る。パージ中フラグの値は、エンジンの始動直後は０に設定される。またＳ４の判定がＮＯである場合、ＥＣＵは、Ｓ１０に移り、パージ中フラグの値を０にし、Ｓ１１に移る。

Ｓ７では、ＥＣＵは、上記Ｓ５のパージ制御を実行した時間を計測するパージタイマの値が０であるか否かを判定する。このパージタイマの値は、エンジンの始動直後は０より大きな所定の初期値に設定され、最小値を０として後述のＳ９の処理において制御周期ごとに経過時間分だけ減算される。したがって、パージタイマの値が０である状態とは、エンジンを始動してから、その初期値に相当する時間にわたってパージ制御が実行されたことを意味する。Ｓ７の判定がＹＥＳである場合、ＥＣＵは、Ｓ８に移り、パージ制御完了フラグの値を１にし、図５の処理を終了する。

Ｓ７の判定がＮＯである場合、ＥＣＵは、Ｓ９に移り、パージタイマの値を更新し、Ｓ１１に移る。より具体的には、パージタイマの前回値から、図５の制御周期に相当する時間を減算することによってパージタイマの値を更新する。

Ｓ１１では、始動時タイマの値が０であるか否かを判定する。ここで始動時タイマの値が０の状態とは、イグニッションスイッチをオンにしてから初期値に相当する時間が経過したことを意味する。Ｓ１１の判定がＹＥＳである場合には、ＥＣＵは、Ｓ１２に移り、ＮＯｘ触媒の温度をその脱離温度以上の温度まで強制的に上昇させる強制昇温制御を実行し、図５の処理を終了する。この強制昇温制御は、例えば、通常の運転状態における燃焼パラメータに対して、ポスト噴射、アフター噴射、及びメイン噴射等の噴射タイミングを遅角化し、排気の温度を上昇させることによって実現される。これにより、エンジンを始動してから始動時タイマの初期値に相当する時間が経過するまでの間に、ＮＯｘ触媒の温度が脱離温度を超えず、したがってＮＯｘ触媒から始動時に吸着したＮＯｘが還元浄化されなかった場合には、Ｓ１２の強制昇温制御が実行され、次回以降においてＳ５のＮＯｘパージ制御の実行が促される。またＳ１１の判定がＮＯである場合には、直ちに図５の処理を終了する。

図６は、図５の始動時ＮＯｘ浄化処理が完了した後において、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸着性能を維持する制御の手順を示すフローチャートである。図５の始動時ＮＯｘ浄化処理では、エンジンを始動した後、所定のタイミングでＮＯｘパージ制御が実行されるため、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸着量は、一旦は０になる。しかしながら、その後、車両の走行に伴ってＮＯｘ触媒の温度が脱離温度より低くなり、ＮＯｘ触媒に排気中のＮＯｘが新たに吸着される場合がある。またＮＯｘ吸着量が増加すると、図４を参照して説明したようにＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸着性能も低下する。図６の処理は、車両の走行中に所定のタイミングでＮＯｘパージ制御を実行することによってＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸着性能を高く維持する処理である。図６の処理は、イグニッションスイッチがオンにされたことに応じて、ＥＣＵにおいて所定の制御周期の下で繰り返し実行される。

Ｓ２１では、ＥＣＵは、パージ制御完了フラグが１であるか否かを判定する。この判定がＮＯである場合には、図６の処理を直ちに終了し、ＹＥＳである場合には、Ｓ２２以降の処理を実行する。Ｓ２２では、ＥＣＵは、パージタイマの値が０であるか否かを判定する。パージタイマの値は、ＮＯｘパージ制御の実行が要求された時に０より大きな初期値に設定され（後述のＳ２６参照）、その後制御周期ごとにパージ制御を継続した時間だけ減算される（後述のＳ３３参照）。従って、このパージタイマの値が０の状態とは、パージ制御の実行が要求されていない状態又は初期値に相当する時間にわたりパージ制御を行った直後の状態に相当する。

Ｓ２２の判定がＹＥＳである場合には、ＥＣＵは、Ｓ２３に移り、前回から今回までの間にかけてＮＯｘ触媒に新たに吸着又は脱離したＮＯｘの量に相当する新規吸着量ＮＯｘ＿ａｄを算出し、Ｓ２４に移る。この新規吸着量は、新たにＮＯｘが吸着した場合には正となり、新たにＮＯｘが脱離した場合には負となる。このＮＯｘの新規吸着量を算出する具体的な手順については、後に図７を参照して説明する。Ｓ２４では、ＥＣＵは、ＮＯｘ触媒に吸着されているＮＯｘの量の推定値に相当するＮＯｘ吸着量ΣＮＯｘを算出し、Ｓ２５に移る。このＮＯｘ吸着量は、０を最小値として、Ｓ２３で算出した新規吸着量を積算することによって算出される（ΣＮＯｘ←ΣＮＯｘ＋ＮＯｘ＿ａｄ）。

Ｓ２５では、ＥＣＵは、ＮＯｘ吸着量は所定の吸着量閾値より大きいか否かを判定する。ＥＣＵは、この判定がＹＥＳである場合には、ＮＯｘ触媒に吸着したＮＯｘを脱離させ、そのＮＯｘ浄化性能を回復させる必要があると判断し、Ｓ２６に移る。またＮＯである場合には、ＮＯｘ触媒からＮＯｘを脱離させる必要は無いと判断し、Ｓ３２に移る。このように吸着量閾値は、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化性能を回復させるタイミングを判断するための閾値として用いられる。従ってこの吸着量閾値は、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸着性能ができるだけ高く維持されるように、例えば上述の図４に示すように、ＮＯｘ吸着量の最大値よりも小さな値に設定される。

Ｓ２６では、ＥＣＵは、パージ制御を実行する時間を計測するため、パージタイマの値を所定の初期値に設定し、Ｓ２７に移る。なお、Ｓ２２の判定がＮＯである場合には、ＥＣＵは、これらＳ２３〜Ｓ２６の判定を省略してＳ３３に移り、パージタイマの値を更新し、Ｓ２７に移る。より具体的には、Ｓ３３では、パージタイマの値を、０を最小値として、上記初期値から０になるまで制御周期ごとに経過時間だけ減算する。

Ｓ２７では、ＥＣＵは、ＮＯｘ触媒の温度をその脱離温度以上の温度まで強制的に上昇させる強制昇温制御を実行し、Ｓ２８に移る。この強制昇温制御の内容は、図５のＳ１２の処理と同じである。これにより、ＮＯｘ触媒から吸着していたＮＯｘが脱離し始める。Ｓ２８では、ＮＯｘ触媒の昇温に合わせて、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をストイキ又はリッチに制御するＮＯｘパージ制御を実行し、Ｓ２９に移る。このＮＯｘパージ制御の内容は、図５のＳ５の処理と同じである。これにより、ＮＯｘ触媒から脱離するＮＯｘは、このＮＯｘ触媒上で還元浄化される。

Ｓ２９では、ＥＣＵは、Ｓ２８のパージ制御を実行中であることを示すパージ中フラグの値を１に設定し、Ｓ３０に移る。なおこのパージ中フラグの値は、Ｓ２８のＮＯｘパージ制御を実行中でない場合には、０に設定される（Ｓ３２参照）。

Ｓ３０では、ＥＣＵは、パージタイマの値が０であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳである場合には、パージタイマの初期値に相当する時間にわたってパージ制御を実行することにより、ＮＯｘ触媒に吸着されていたＮＯｘは全て脱離され、還元浄化されたと判断し、ＮＯｘ吸着量を０にリセットし（Ｓ３１参照）、図６の処理を終了する。またＳ３０の判定がＮＯである場合には、ＮＯｘ吸着量を０にリセットせずに図６の処理を終了する。

図７は、ＮＯｘの新規吸着量を算出する具体的な手順を示すフローチャートである。
Ｓ４１では、ＥＣＵは、図５のＳ３と同様の手順によって触媒温度を算出し、Ｓ４２に移る。Ｓ４２では、ＥＣＵは、取得した触媒温度が脱離温度より高いか否かを判定する。

Ｓ４２の判定がＹＥＳである場合には、ＥＣＵは、ＮＯｘ触媒からＮＯｘが脱離していると判断し、予め定められた脱離量ＮＯｘ＿ｄｅｓを負値としたものを新規吸着量ＮＯｘ＿ａｄとし（ＮＯｘ＿ａｄ←−ＮＯｘ＿ｄｅｓ）、図７の処理を終了する（Ｓ４３参照）。この脱離量ＮＯｘ＿ｄｅｓは、正の値であり、ＮＯｘ触媒の温度が脱離温度より高い場合に、この触媒から制御周期ごとに脱離するＮＯｘの量に相当する。

Ｓ４２の判定がＮＯである場合には、ＥＣＵは、Ｓ４４に移り、触媒温度に基づいてＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸着率ηＮＯｘを算出し、Ｓ４５に移る。より具体的には、ＮＯｘ吸着率は、触媒温度に基づいて例えば上述の図３に示すようなマップを検索することによって算出される。なお、図３に示すように、ＮＯｘ吸着率は、触媒温度だけでなくＮＯｘ吸着量に応じて変化する。ＮＯｘ吸着率のＮＯｘ吸着量によって変化する分は後述の補正係数によって補償されるものとし、Ｓ４４では、ＮＯｘ吸着量は０であるとの仮定の下でのＮＯｘ浄化率を触媒温度に基づいて算出する。

Ｓ４５では、ＥＣＵは、図６のＳ２４において更新されるＮＯｘ吸着量ΣＮＯｘに基づいてＮＯｘ吸着率の補正係数Ｋａｄを算出し、Ｓ４６に移る。この補正係数は、ＮＯｘ吸着率はＮＯｘ吸着量が多くなるほど低くなるというＮＯｘ触媒の特性を再現するための係数であり、例えば、ＮＯｘ吸着量に基づいて図８に示すようなマップを検索することによって０から１の間で算出される。図８のマップによれば、補正係数は、ＮＯｘ吸着量が０のときには１であり、ＮＯｘ吸着量が大きくなるほど小さくなる。

Ｓ４６では、ＥＣＵは、回転数及びトルク等のエンジンの運転状態を特定するパラメータを用いることによって、前回から今回までの間にＮＯｘ触媒に流入するＮＯｘの量に相当する流入ＮＯｘ量ＦＮＯｘを算出し、Ｓ４７に移る。この流入ＮＯｘ量は、例えばエンジンから排出されるＮＯｘの量から、三元触媒で浄化されるＮＯｘの量を減算することによって算出される。Ｓ４７では、ＥＣＵは、流入ＮＯｘ量にＮＯｘ吸着率及び補正係数を乗算することによって、新規吸着量を算出し（ＮＯｘ＿ａｄ＝ＦＮＯｘ×ηＮＯｘ×Ｋａｄ）、図７の処理を終了する。

次に、イグニッションスイッチがオンからオフへ操作されたことに応じてエンジンを停止する手順について図９を参照しながら説明する。
図９は、エンジンを始動した後、利用者によってイグニッションスイッチがオフにされたことに応じて発生する割り込み処理（エンジン停止処理）の手順を示すフローチャートである。

イグニッションスイッチがオフにされると、ＥＣＵは、パージ制御を実行している最中であるか否かを判定する（Ｓ５１参照）。この判定は、例えば、図５や図６の処理において更新されるパージ中フラグの値を参照することによって実現される。Ｓ５１の判定がＮＯである場合（パージ中フラグの値が０である場合）には、ＥＣＵは、直ちにエンジンを停止し（Ｓ５２参照）、図９の処理を終了する。またＳ５１の判定がＹＥＳである場合（パージ中フラグの値が１である場合）には、Ｓ５３に移り、実行中のパージ制御が適切に終了するまで（Ｓ４１の判定がＮＯになるまで）、エンジンの運転を継続する（Ｓ５３参照）。これにより、エンジンを再始動させたときにおけるＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸着量を０にできるので、再始動時におけるＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化性能を高くすることができる。

図１０は、図６〜図９の処理の具体的な作動例を示すタイムチャートである。図１０には、上段から順にＮＯｘ吸着量ΣＮＯｘ（Ｓ２４参照）、触媒温度（Ｓ４１参照）、パージタイマ（Ｓ２６、Ｓ３３参照）、イグニッションスイッチ（図９参照）、及びエンジンの運転状態（図９参照）を示す。また図１０には、時刻ｔ０において触媒温度は脱離温度より低くかつＮＯｘ吸着量ΣＮＯｘは０であった場合を示す。

時刻ｔ０〜ｔ１の間では、ＮＯｘ触媒の温度は脱離温度より低いため、排気中のＮＯｘはＮＯｘ触媒に吸着される。このため、ＮＯｘ吸着量ΣＮＯｘは増加する。時刻ｔ１において、ＮＯｘ吸着量ΣＮＯｘが吸着量閾値を超えると、パージタイマの値が初期値にセットされ（Ｓ２６参照）、強制昇温制御が開始され（Ｓ２７参照）、さらに排気の空燃比をストイキ又はリッチにするＮＯｘパージ制御が開始される（Ｓ２８参照）。これにより、ＮＯｘ触媒からはそれまでに吸着されていたＮＯｘが脱離するとともに、脱離したＮＯｘはＮＯｘ触媒上で還元浄化される。これら強制昇温制御及びＮＯｘパージ制御は、パージタイマの値が０になる時刻ｔ２まで実行される（Ｓ３０及びＳ３３参照）。時刻ｔ２では、パージタイマの値が０になったことに応じて、ＮＯｘ吸着量ΣＮＯｘも０にリセットされる。

その後、時刻ｔ２〜ｔ３の間では、触媒温度は脱離温度より高いので、ＮＯｘ触媒には新たにＮＯｘが吸着することはない（Ｓ４３参照）。また時刻ｔ３では、触媒温度が脱離温度より低くなる。したがってこれ以降、ＮＯｘ触媒には排気中のＮＯｘが吸着される。

時刻ｔ４では、ＮＯｘ吸着量ΣＮＯｘが再び吸着量閾値を超えたことに応じて、上述のように強制昇温制御及びＮＯｘパージ制御が開始する。なお、これら強制昇温制御及びＮＯｘパージ制御が実行されている間は、パージ中フラグの値は１に設定されるため（Ｓ２９参照）、例えば時刻ｔ５においてイグニッションスイッチがオフにされても直ちにエンジンの運転が停止されることはない（Ｓ５３参照）。エンジンの運転は、時刻ｔ６において、パージタイマの値が０となり、強制昇温制御及びＮＯｘパージ制御が終了したことに応じて停止される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限らない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜変更してもよい。

１…エンジン（内燃機関）
１１…排気管（排気通路）
１７…燃料噴射弁（始動時ＮＯｘ浄化手段、ＮＯｘパージ制御手段）
２…排気浄化装置
３２…下流触媒コンバータ（排気浄化触媒）
３３…排気温度センサ（初期脱離時期取得手段、触媒温度取得手段）
７…ＥＣＵ（初期脱離時期取得手段、始動時ＮＯｘ浄化手段、触媒温度取得手段、ＮＯｘ量取得手段、ＮＯｘ吸着量推定手段、ＮＯｘパージ制御手段、停止手段）

Claims (5)

1. ゼオライトからなる担体及び当該担体に担持されたＰｄを有する排気浄化触媒を内燃機関の排気通路に設け、始動直後の前記内燃機関から排出される排気中のＮＯｘを前記排気浄化触媒に吸着させる内燃機関の排気浄化装置であって、
   前記始動直後に吸着したＮＯｘが前記排気浄化触媒から脱離する時期を取得する初期脱離時期取得手段と、
   前記初期脱離時期取得手段によって取得した脱離時期に合わせて排気の空燃比をストイキ又はリッチにし、前記排気浄化触媒から脱離するＮＯｘを当該排気浄化触媒において還元浄化するＮＯｘパージ制御を行う始動時ＮＯｘ浄化手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記排気浄化触媒の触媒温度を測定又は推定する触媒温度取得手段と、
   前記排気浄化触媒への流入ＮＯｘ量を検出又は推定するＮＯｘ量取得手段と、
   前記触媒温度及び前記流入ＮＯｘ量を用いて前記排気浄化触媒におけるＮＯｘ吸着量の推定値を算出するＮＯｘ吸着量推定手段と、
   前記ＮＯｘ吸着量の推定値が吸着量閾値を超えたことに応じて、前記排気浄化触媒を昇温するとともに排気の空燃比をストイキ又はリッチにし、前記排気浄化触媒から脱離するＮＯｘを当該排気浄化触媒において還元浄化するＮＯｘパージ制御を行うＮＯｘパージ制御手段と、を備え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装置。
3. 前記吸着量閾値は、前記排気浄化触媒で吸着できるＮＯｘ量の最大値よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記始動時ＮＯｘ浄化手段は、前記内燃機関を始動してから所定時間が経過するまでの間に前記排気浄化触媒の温度が所定の脱離温度を超えなかった場合には、当該排気浄化触媒の温度が前記脱離温度を超えるまで前記排気浄化触媒を強制的に昇温するとともに前記ＮＯｘパージ制御を行うことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. イグニッションスイッチが操作されたことに応じて前記内燃機関を停止する停止手段を備え、
   前記停止手段は、前記イグニッションスイッチが操作された時に前記始動時ＮＯｘ浄化手段又は前記ＮＯｘパージ制御手段によって前記ＮＯｘパージ制御が行われている場合には、前記内燃機関を停止せずに実行中のＮＯｘパージ制御を継続し、当該ＮＯｘパージ制御が終了してから前記内燃機関を停止することを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。

Images