以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの排気浄化装置について説明する。
<システム構成>
まず、図1を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの排気浄化装置が適用されたエンジンシステムについて説明する。図1は、本発明の実施形態によるエンジンの排気浄化装置が適用されたエンジンシステムの概略構成図である。
図1に示すように、エンジンシステム200は、主に、ディーゼルエンジンとしてのエンジンEと、エンジンEに吸気を供給する吸気系INと、エンジンEに燃料を供給するための燃料供給系FSと、エンジンEの排気ガスを排出する排気系EXと、エンジンシステム200に関する各種の状態を検出するセンサ100〜119と、エンジンシステム200の制御を行うPCM(Power-train Control Module)60と、SCR触媒47に関する制御を行うDCU(Dosing Control Unit)70とを有する。
まず、吸気系INは、吸気が通過する吸気通路1を有しており、この吸気通路1上には、上流側から順に、外部から導入された空気を浄化するエアクリーナ3と、通過する吸気を圧縮して吸気圧を上昇させる、ターボ過給機5のコンプレッサと、外気や冷却水により吸気を冷却するインタークーラ8と、通過する吸気流量を調整する吸気シャッター弁7(スロットルバルブに相当する)と、エンジンEに供給する吸気を一時的に蓄えるサージタンク12と、が設けられている。
また、吸気系INにおいて、エアクリーナ3の直下流側の吸気通路1上には吸入空気量を検出するエアフローセンサ101及び吸気温度を検出する温度センサ102が設けられ、ターボ過給機5には吸気の圧力を検出する圧力センサ103が設けられ、インタークーラ8の直下流側の吸気通路1上には吸気温度を検出する温度センサ106が設けられ、吸気シャッター弁7には当該吸気シャッター弁7の開度を検出するポジションセンサ105が設けられ、サージタンク12には吸気マニホールドにおける吸気の圧力を検出する圧力センサ108が設けられている。これらの吸気系INに設けられた各種センサ101〜108は、それぞれ、検出したパラメータに対応する検出信号S101〜S108をPCM60に出力する。
次に、エンジンEは、吸気通路1(詳しくは吸気マニホールド)から供給された吸気を燃焼室17内に導入する吸気バルブ15と、燃焼室17に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁20と、通電により発熱する発熱部を燃焼室17内に備えたグロープラグ21と、燃焼室17内での混合気の燃焼により往復運動するピストン23と、ピストン23の往復運動により回転されるクランクシャフト25と、燃焼室17内での混合気の燃焼により発生した排気ガスを排気通路41へ排出する排気バルブ27と、を有する。また、エンジンEには、クランクシャフト25における上死点などを基準とした回転角としてのクランク角を検出するクランク角センサ100が設けられており、このクランク角センサ100は、検出したクランク角に対応する検出信号S100をPCM60に出力し、PCM60は、この検出信号S100に基づきエンジン回転数を取得する。
燃料供給系FSは、燃料を貯蔵する燃料タンク30と、燃料タンク30から燃料噴射弁20に燃料を供給するための燃料供給通路38とを有する。燃料供給通路38には、上流側から順に、低圧燃料ポンプ31と、高圧燃料ポンプ33と、コモンレール35とが設けられている。
次に、排気系EXは、排気ガスが通過する排気通路41を有しており、この排気通路41上には、通過する排気ガスによって回転され、この回転によって上記したようにコンプレッサを駆動するターボ過給機5のタービンが設けられている。更に、このタービンの下流側の排気通路41上には、上流側から順に、排気ガス中のNOxを浄化するNOx触媒45と、排気ガス中の粒子状物質(PM:Particulate Matter)を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF:Diesel particulate filter)46と、DPF46の下流側の排気通路41中に尿素を噴射する尿素インジェクタ51と、尿素インジェクタ51から噴射された尿素を加水分解してアンモニアを生成し、このアンモニアを排気ガス中のNOxと反応(還元)させてNOxを浄化するSCR(Selective Catalytic Reduction)触媒47と、SCR触媒47から排出された未反応のアンモニアを酸化させて浄化するスリップ触媒48と、が設けられている。なお、尿素インジェクタ51は、DCU70から供給される制御信号S51によって、排気通路41中に尿素を噴射するための制御が行われる。
ここで、NOx触媒45についてより具体的に説明する。NOx触媒45は、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりも大きいリーンな状態(λ>1)において排気ガス中のNOxを吸蔵し、この吸蔵したNOxを、排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍である状態(λ≒1)あるいは理論空燃比よりも小さいリッチな状態(λ<1)において還元する、NOx吸蔵還元型触媒(NSC:NOx Storage Catalyst)である。また、NOx触媒45は、このNSCとしての機能だけでなく、排出ガス中の酸素を用いて炭化水素(HC)や一酸化炭素(CO)などを酸化して水と二酸化炭素に変化させるディーゼル酸化触媒(DOC:Diesel Oxidation Catalyst)としての機能も有するように構成されている。具体的には、NOx触媒45は、DOCの触媒材層の表面をNSCの触媒材によりコーティングすることで作られている。
また、排気系EXにおいては、ターボ過給機5のタービンの上流側の排気通路41上には排気ガスの圧力を検出する圧力センサ109及び排気ガスの温度を検出する温度センサ110が設けられ、ターボ過給機5のタービンの直下流側の排気通路41上には酸素濃度を検出するO2センサ111が設けられている。更に、排気系EXには、NOx触媒45の直上流側の排気ガスの温度を検出する温度センサ112と、NOx触媒45とDPF46との間の排気ガスの温度を検出する温度センサ113と、DPF46の直上流側と直下流側との排気ガスの圧力差を検出する差圧センサ114と、DPF46の直下流側の排気ガスの温度を検出する温度センサ115と、DPF46の直下流側の排気ガス中のNOxの濃度を検出するNOxセンサ116と、SCR触媒47の直上流側の排気ガスの温度を検出する温度センサ117と、SCR触媒47の直下流側の排気ガス中のNOxの濃度を検出するNOxセンサ118と、スリップ触媒48の直上流側の排気ガス中のPMを検出するPMセンサ119と、が設けられている。これらの排気系EXに設けられた各種センサセンサ109〜119は、それぞれ、検出したパラメータに対応する検出信号S109〜S119をPCM60に出力する。
更に、本実施形態では、ターボ過給機5は、排気エネルギーが低い低回転域から高回転域まで全域で効率よく高過給を得られる2段過給システムとして構成されている。即ち、ターボ過給機5は、高回転域において多量の空気を過給するための大型ターボチャージャー5aと、低い排気エネルギーでも効率よく過給を行える小型ターボチャージャー5bと、小型ターボチャージャー5bのコンプレッサへの吸気の流れを制御するコンプレッサバイパスバルブ5cと、小型ターボチャージャー5bのタービンへの排気の流れを制御するレギュレートバルブ5dと、大型ターボチャージャー5aのタービンへの排気の流れを制御するウェイストゲートバルブ5eとを備えており、エンジンEの運転状態(エンジン回転数及び負荷)に応じて各バルブを駆動することにより、大型ターボチャージャー5aと小型ターボチャージャー5bによる過給を切り替える。
本実施形態によるエンジンシステム200は、EGR装置43を更に有する。このEGR装置43は、ターボ過給機5のタービンの上流側の排気通路41とターボ過給機5のコンプレッサの下流側(詳しくはインタークーラ8の下流側)の吸気通路1とを接続するEGR通路43aと、EGR通路43aを通過する排気ガスを冷却するEGRクーラ43bと、EGR通路43aを通過させる排気ガスの流量を調整する第1EGRバルブ43cと、EGRクーラ43bをバイパスさせて排気ガスを流すためのEGRクーラバイパス通路43dと、EGRクーラバイパス通路43dを通過させる排気ガスの流量を調整する第2EGRバルブ43eと、を有する。なお、EGR通路43aは「第1EGR通路」に相当し、EGRクーラバイパス通路43dは「第2EGR通路」に相当する。
次に、図2を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの排気浄化装置の電気的構成について説明する。図2は、本発明の実施形態によるエンジンの排気浄化装置の電気的構成を示すブロック図である。
本発明の実施形態によるPCM60は、上述した各種センサ100〜119の検出信号S100〜S119に加えて、アクセルペダルの開度(アクセル開度)を検出するアクセル開度センサ150、及び車速を検出する車速センサ151のそれぞれが出力した検出信号S150、S151に基づいて、主に、燃料噴射弁20に対する制御を行うべく制御信号S20を出力し、吸気シャッター弁7に対する制御を行うべく制御信号S7を出力し、グロープラグ21に対する制御を行うべく制御信号S21を出力し、第1及び第2EGRバルブ43c、43eのそれぞれに対する制御を行うべく制御信号S431、S432を出力する。
特に、本実施形態では、PCM60は、排気ガスの空燃比を目標空燃比(具体的には理論空燃比近傍あるいは理論空燃比よりも小さい所定の空燃比)に設定するように燃料噴射弁20からポスト噴射させて、NOx触媒45に吸蔵されたNOxを還元させるための制御(NOx還元制御)を行う。つまり、PCM60は、ドライバのアクセル操作に応じたエンジントルクを出力させるために気筒内に燃料を噴射するメイン噴射に加えて(基本的にはメイン噴射においては排気ガスの空燃比がリーンになるように燃料噴射量等が設定される)、このメイン噴射の後に、エンジントルクの出力に寄与しないタイミング(具体的には膨張行程)で燃料を噴射するポスト噴射を行って、排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍である状態(λ≒1)あるいは理論空燃比よりも小さいリッチな状態(λ<1)に設定されるようにして、NOx触媒45に吸蔵されたNOxを還元させる。以下では、このようなNOx触媒45に吸蔵されたNOxを還元させるための制御を「DeNOx制御」と呼ぶ。なお、「DeNOx」の文言中の「De」は分離や除去を意味する接頭語である。
また、詳細は後述するが、PCM60は、「NOx還元制御手段」、「実行頻度算出手段」、「EGR制御手段」及び「グロー制御手段」等として機能する。
なお、PCM60は、CPU、当該CPU上で解釈実行される各種のプログラム(OSなどの基本制御プログラムや、OS上で起動され特定機能を実現するアプリケーションプログラムを含む)、及びプログラムや各種のデータを記憶するためのROMやRAMの如き内部メモリを備えるコンピュータにより構成される。
<燃料噴射制御>
次に、図3を参照して、本発明の実施形態による燃料噴射制御について説明する。図3は、本発明の実施形態による燃料噴射制御を示すフローチャート(燃料噴射制御フロー)である。この燃料噴射制御フローは、車両のイグニッションがオンにされてPCM60に電源が投入された場合に開始され、所定の周期で繰り返し実行される。
まず、ステップS101では、PCM60は、車両の運転状態を取得する。具体的には、PCM60は、少なくとも、アクセル開度センサ150が検出したアクセル開度、車速センサ151が検出した車速、クランク角センサ100が検出したクランク角、及び車両の変速機に現在設定されているギヤ段を取得する。
次いで、ステップS102では、PCM60は、ステップS101で取得されたアクセルペダルの操作等を含む車両の運転状態に基づき、目標加速度を設定する。具体的には、PCM60は、種々の車速及び種々のギヤ段について規定された加速度特性マップ(予め作成されてメモリなどに記憶されている)の中から、現在の車速及びギヤ段に対応する加速度特性マップを選択し、選択した加速度特性マップを参照して現在のアクセル開度に対応する目標加速度を決定する。
次いで、ステップS103では、PCM60は、ステップS102で決定された目標加速度を実現するためのエンジンEの目標トルクを決定する。この場合、PCM60は、現在の車速、ギヤ段、路面勾配、路面μなどに基づき、エンジンEが出力可能なトルクの範囲内で、目標トルクを決定する。
次いで、ステップS104では、PCM60は、ステップS103で決定された目標トルクをエンジンEから出力させるべく、当該目標トルク及びエンジン回転数に基づいて、燃料噴射弁20から噴射させるべき燃料噴射量を算出する。この燃料噴射量は、メイン噴射において適用する燃料噴射量(メイン噴射量)である。
他方で、上記したステップS102〜S104の処理と並行して、ステップS105において、PCM60は、エンジンEの運転状態に応じた燃料の噴射パターンを設定する。具体的には、PCM60は、上記したDeNOx制御を行う場合には、メイン噴射に加えてポスト噴射を少なくとも行う燃料噴射パターンを設定する。この場合、PCM60は、ポスト噴射において適用する燃料噴射量(ポスト噴射量)や、ポスト噴射を行うタイミング(ポスト噴射タイミングなど)も決定する。これらについては、詳細は後述する。
ステップS104及びS105の後、ステップS106に進み、PCM60は、ステップS104で算出されたメイン噴射量及びステップS105で設定された燃料噴射パターンに基づき(ポスト噴射を行う場合にはポスト噴射量やポスト噴射タイミングも含む)、燃料噴射弁20を制御する。つまり、PCM60は、所望の燃料噴射パターンにおいて所望の量の燃料が噴射されるように燃料噴射弁20を制御する。
次に、図4を参照して、本発明の実施形態においてDeNOx制御時に適用するポスト噴射量(以下では「DeNOx用ポスト噴射量」と呼ぶ。)の算出方法について説明する。図4は、本発明の実施形態によるDeNOx用ポスト噴射量算出処理を示すフローチャート(DeNOx用ポスト噴射量算出フロー)である。このDeNOx用ポスト噴射量算出フローは、PCM60によって所定の周期で繰り返し実行されると共に、図3に示した燃料噴射制御フローと並行して実行される。つまり、燃料噴射制御が行われている最中に、DeNOx用ポスト噴射量が随時算出される。
まず、ステップS201では、PCM60は、エンジンEの運転状態を取得する。具体的には、PCM60は、少なくとも、エアフローセンサ101によって検出された吸入空気量(新気量)、O2センサ111によって検出された排気ガスの酸素濃度、図3のステップS104で算出されたメイン噴射量を取得する。加えて、PCM60は、所定のモデルなどにより求められた、EGR装置43によって吸気系INに還流される排気ガス量(EGRガス量)も取得する。
次いで、ステップS202では、PCM60は、ステップS201で取得された新気量及びEGRガス量に基づき、エンジンEに導入される空気量(つまり充填量)を算出する。そして、ステップS203では、PCM60は、ステップS202で算出された充填量から、エンジンEに導入される空気の酸素濃度を算出する。
次いで、ステップS204では、PCM60は、メイン噴射に加えてポスト噴射することで、NOx触媒45に吸蔵されたNOxを還元させるために排気ガスの空燃比を理論空燃比近傍あるいは理論空燃比以下の目標空燃比に設定するのに必要なポスト噴射量(DeNOx用ポスト噴射量)を算出する。つまり、PCM60は、排気ガスの空燃比を目標空燃比にするためにメイン噴射量に加えてどれだけのポスト噴射量を適用すればよいかを決定する。この場合、PCM60は、ステップS201で取得された酸素濃度(O2センサ111によって検出された酸素濃度)と、ステップS203で算出された酸素濃度との差を考慮して、DeNOx用ポスト噴射量を算出する。具体的には、PCM60は、メイン噴射した燃料を燃焼させたときに発生する排気ガスの空燃比から、検出された酸素濃度と算出された酸素濃度との差に応じてフィードバック処理を適宜行って、排気ガスの空燃比を目標空燃比にするためのDeNOx用ポスト噴射量を算出する。このようにDeNOx用ポスト噴射量を算出することで、DeNOx制御におけるポスト噴射によって、排気ガスの空燃比を精度良く目標空燃比に設定して、NOx触媒45に吸蔵されたNOxを確実に還元させるようにしている。
<DeNOx制御>
以下では、本発明の実施形態によるDeNOx制御について具体的に説明する。
(基本概念)
最初に、本発明の実施形態によるDeNOx制御の基本概念について説明する。
本実施形態では、PCM60は、NOx触媒45のNOx吸蔵量が所定量以上である場合、典型的にはNOx吸蔵量が限界付近にある場合に、NOx触媒45に吸蔵されたNOxをほぼ0にまで低下させるべく、排気ガスの空燃比を理論空燃比近傍あるいは理論空燃比以下の目標空燃比に継続的に設定するように燃料噴射弁20からポスト噴射させるDeNOx制御(本発明における「第1NOx還元制御」に相当し、以下では適宜「アクティブDeNOx制御」と呼ぶ。)を実行する。こうすることで、NOx触媒45に多量に吸蔵されたNOxを強制的に還元して、NOx触媒45のNOx浄化性能を確実に確保するようにする。
また、本実施形態では、PCM60は、NOx触媒45のNOx吸蔵量が所定量未満であっても、車両の加速により排気ガスの空燃比がリッチ側に変化するときに、NOx触媒45に吸蔵されたNOxを還元させるべく、排気ガスの空燃比を目標空燃比に一時的に設定するように燃料噴射弁20からポスト噴射させるDeNOx制御(本発明における「第2NOx還元制御」に相当し、以下では適宜「パッシブDeNOx制御」と呼ぶ。)を実行する。このパッシブDeNOx制御は、加速時のようなメイン噴射量が増加して排気ガスの空燃比が低下するような状況に乗じて、空燃比を理論空燃比近傍あるいは理論空燃比以下の目標空燃比に設定するようにポスト噴射を行うので、排気ガスの空燃比が低下しない状況(つまり非加速時)においてDeNOx制御を行う場合よりも、空燃比を目標空燃比に設定するためのポスト噴射量が少なくなる。また、パッシブDeNOx制御は、車両の加速に乗じて行われるので、比較的高頻度で行われることとなる。
本実施形態では、このようなパッシブDeNOx制御を適用することで、DeNOxによる燃費悪化などを抑制しつつ、DeNOxを高頻度で行うようにする。パッシブDeNOx制御は比較的短い期間しか行われないが、高頻度で行われるので、NOx触媒45のNOx吸蔵量を効率的に低下させることができる。その結果、NOx触媒45のNOx吸蔵量が所定量以上になりにくくなるので、パッシブDeNOx制御よりも多量のポスト噴射量を要するアクティブDeNOx制御の実行頻度を低下させることができ、DeNOxによる燃費悪化を効果的に改善することが可能となる。
更に、本実施形態では、上記のアクティブDeNOx制御を実行する場合、ポスト噴射させた燃料をエンジンEの筒内において燃焼させることで、排気ガスの空燃比を目標空燃比に設定するようにする。この場合、PCM60は、ポスト噴射された燃料が筒内において燃焼されるタイミングにおいてポスト噴射を行う。具体的には、PCM60は、エンジンEの膨張行程前半における所定のタイミングを、アクティブDeNOx制御でのポスト噴射タイミングとして設定する。このようなポスト噴射タイミングをアクティブDeNOx制御において適用することで、ポスト噴射された燃料がそのまま未燃燃料(つまりHC)として排出されることや、ポスト噴射された燃料によるオイル希釈を抑制するようにしている。
他方で、本実施形態では、PCM60は、上記のパッシブDeNOx制御を実行する場合には、ポスト噴射させた燃料をエンジンEの筒内において燃焼させずに未燃燃料として排気通路41に排出させることで、排気ガスの空燃比を目標空燃比に設定するようにする。この場合、PCM60は、ポスト噴射された燃料が筒内において燃焼されずに未燃燃料として排気通路41に排出されるタイミングにおいてポスト噴射を行う。具体的には、PCM60は、エンジンEの膨張行程後半における所定のタイミングを、パッシブDeNOx制御でのポスト噴射タイミングとして設定する。原則、このパッシブDeNOx制御でのポスト噴射タイミングは、上記したアクティブDeNOx制御でのポスト噴射タイミングよりも遅角側に設定される。このようなポスト噴射タイミングをパッシブDeNOx制御において適用することで、ポスト噴射された燃料が筒内において燃焼してスモーク(煤)が発生することを抑制するようにしている。
ここで、図5を参照して、本発明の実施形態においてパッシブDeNOx制御及びアクティブDeNOx制御のそれぞれを実行するエンジンEの運転領域について説明する。図5は、横軸にエンジン回転数を示し、縦軸にエンジン負荷を示している。また、図5において、曲線L1は、エンジンEの最大トルク線を示している。
図5に示すように、本実施形態では、PCM60は、エンジン負荷が第1所定負荷Lo1以上で第2所定負荷Lo2(>第1所定負荷Lo1)未満である中負荷域にあり、且つ、エンジン回転数が第1所定回転数N1以上で第2所定回転数N2(>第1所定回転数N1)未満である中回転域にある場合に、つまりエンジン負荷及びエンジン回転数が符号R12に示す運転領域(以下では「アクティブDeNOx実行領域R12」と呼ぶ。)に含まれる場合に、アクティブDeNOx制御を実行する。このようなアクティブDeNOx実行領域R12を採用する理由は以下の通りである。
上述したように、アクティブDeNOx制御を実行する場合、ポスト噴射された燃料がそのまま排出されることによるHCの発生やポスト噴射された燃料によるオイル希釈などを抑制する観点から、ポスト噴射された燃料が筒内において燃焼されるタイミングにおいてポスト噴射を行う。この場合、本実施形態では、ポスト噴射された燃料を燃焼させたときに、スモークの発生を抑制すると共に、HCの発生(つまり不完全燃焼による未燃燃料の排出)を抑制するようにする。具体的には、ポスト噴射された燃料が燃焼するまでの時間をできるだけかせぐようにし、つまり空気と燃料が適切に混合された状態で着火が生じるようにして、スモーク及びHCの発生を抑制している。このために、アクティブDeNOx制御時には適量のEGRガスを導入することで、ポスト噴射された燃料の着火を効果的に遅延させるようにしている。
なお、アクティブDeNOx制御時にHCの発生を抑制する理由は、上記のようにEGRガスを導入する場合に、HCもEGRガスとして吸気系INに還流されて、このHCがバインダとなって煤と結合してガスの通路が閉塞してしまうのを防止するためである。加えて、NOx触媒45の温度が低く、HCの浄化性能(NOx触媒45中のDOCによるHCの浄化性能)が確保されないような領域においてアクティブDeNOx制御を実行したときに、HCが浄化されずに排出されてしまうのを防止するためである。因みに、アクティブDeNOx実行領域R12には、そのようなHCの浄化性能が確保されないようなNOx触媒45の温度が比較的低い領域も含めている。
また、アクティブDeNOx制御時にスモークの発生を抑制する理由は、スモークに対応するPMはDPF46に捕集されるが、このDPF46に捕集されたPMを燃焼除去するためのDPF再生(DeNOx制御と同様にポスト噴射させる制御)が高頻度で行われて、燃費などが悪化してしまうのを抑制するためである。
ところで、エンジン負荷が高くなると、目標空燃比を実現するためにエンジンEに導入する空気を絞ることで、ポスト噴射された燃料を適切に燃焼させるのに必要な酸素が足りなくなってスモークやHCが発生する傾向にある。特に、エンジン負荷が高くなると、筒内温度が高くなり、ポスト噴射された燃料が着火するまでの時間を適切に確保することができずに途中で着火が生じ、つまり空気と燃料が適切に混合されていない状態で燃焼が生じ、スモークやHCが発生してしまう。他方で、エンジン負荷がかなり低い領域では、NOx触媒45の温度が低く、NOx触媒45のNOx還元機能が十分に発揮されなくなる。加えて、この領域では、ポスト噴射された燃料が適切に燃焼しなくなる、つまり失火が発生してしまう。
なお、上記ではエンジン負荷に関する現象を述べたが、エンジン回転数についても同様の現象が生じる。
以上のことから、本実施形態では、中負荷域且つ中回転域に対応するエンジンEの運転領域を、アクティブDeNOx制御を実行するアクティブDeNOx実行領域R12として採用している。換言すると、本実施形態では、アクティブDeNOx実行領域R12でのみ、アクティブDeNOx制御を実行することとし、アクティブDeNOx実行領域R12以外の運転領域では、アクティブDeNOx制御の実行を禁止する。このようにアクティブDeNOx制御の実行を禁止することとしたエンジンEの運転領域では、特にアクティブDeNOx実行領域R12よりも高負荷側又は高回転側の領域では(符号R13を付した領域)では、SCR触媒47のNOx浄化性能が十分に確保されているので、SCR触媒47がNOxを浄化することとなり、DeNOx制御を実行しなくても車両からのNOxの排出を防止することができる。
また、本実施形態では、SCR触媒47でNOxを浄化させる領域R13よりも更に高負荷側の領域(符号R11を付した領域であり、以下では「パッシブDeNOx実行領域R11」と呼ぶ。)では、排気ガス量が大きくなり、SCR触媒47でNOxを浄化しきれなくなるので、パッシブDeNOx制御を実行する。このパッシブDeNOx制御では、上記したように、ポスト噴射された燃料が筒内において燃焼されずに未燃燃料として排気通路41に排出されるタイミングにおいてポスト噴射を行う。パッシブDeNOx実行領域R11では、NOx触媒45の温度が十分に高く、HCの浄化性能(NOx触媒45中のDOCによるHCの浄化性能)が確保されているので、このように排出された未燃燃料をNOx触媒45で適切に浄化することができる。
なお、パッシブDeNOx制御において、アクティブDeNOx制御のようにポスト噴射された燃料を筒内において燃焼させると、スモークが発生してしまう。その理由は、上述したように、エンジン負荷が高くなるとアクティブDeNOx制御の実行を禁止することとした理由と同様である。そのため、パッシブDeNOx制御では、ポスト噴射された燃料を筒内において燃焼させずに未燃燃料として排気通路41に排出している。
ここで、図5中の矢印A11に示すようにエンジンの運転状態が変化したときのアクティブDeNOx制御の具体例について説明する。まず、エンジンの運転状態がアクティブDeNOx実行領域R12に入ると(符号A12参照)、PCM60は、アクティブDeNOx制御を実行する。そして、エンジンの運転状態がアクティブDeNOx実行領域R12を外れると(符号A13参照)、PCM60は、アクティブDeNOx制御を一旦中止する。このときには、SCR触媒47がNOxを浄化することとなる。そして、エンジンの運転状態がアクティブDeNOx実行領域R12に再度入ると(符号A14参照)、PCM60は、アクティブDeNOx制御を再開する。こうすることで、NOx触媒45に吸蔵されたNOxがほぼ0に低下するまで、アクティブDeNOx制御を終了させないようにする。
次に、図6を参照して、本発明の実施形態においてパッシブDeNOx制御及びアクティブDeNOx制御を行う温度範囲について説明する。図6は、触媒温度(横軸)と排気浄化率(縦軸)との関係を示している。
具体的には、グラフG11は、NOx触媒45の温度(以下では「NOx触媒温度」と呼ぶ。)と、NOx触媒45によるNOx浄化率との関係を示し、グラフG12は、SCR触媒47の温度(以下では「SCR温度」と呼ぶ。)と、SCR触媒47によるNOx浄化率との関係を示している。また、符号R21で示す範囲は、グラフG11に示すようなNOx触媒45のNOx浄化特性に応じた、NOx触媒45により所定以上のNOx浄化率が得られる温度範囲を示し、符号R22で示す範囲は、グラフG12に示すようなSCR触媒47のNOx浄化特性に応じた、SCR触媒47により所定以上のNOx浄化率が得られる温度範囲を示している。後者の温度範囲R22は、SCR触媒47の温度T11によって規定される。この温度T11は、SCR触媒47の活性温度域に少なくとも含まれる温度であり、例えばSCR触媒47により所定以上のNOx浄化率が得られる温度範囲R12の下側の境界値に相当する。以下では、温度T11を適宜「SCR判定温度」と呼ぶ。
図6に示すように、NOx触媒45は比較的低温域においてNOx浄化性能を発揮し、SCR触媒47は比較的高温域においてNOx浄化性能を発揮する。したがって、排気ガスが比較的低温域にある場合にはNOx触媒45によって排気ガス中のNOxを浄化させるようにし、排気ガスが比較的高温域にある場合にはSCR触媒47によって排気ガス中のNOxを浄化させるようにするのがよい。
本実施形態では、PCM60は、SCR温度がSCR判定温度T11未満である場合にのみ、パッシブDeNOx制御及びアクティブDeNOx制御を実行し、SCR温度がSCR判定温度T11以上である場合には、パッシブDeNOx制御及びアクティブDeNOx制御の実行を禁止する。こうするのは、SCR温度がSCR判定温度T11以上である場合には、排気ガス中のNOxをSCR触媒47によって適切に浄化させることができるので、NOx触媒45によるNOxの浄化性能を確保すべくDeNOx制御を敢えて行う必要がないからである。そのため、本実施形態では、SCR温度がSCR判定温度T11以上である場合には、DeNOx制御の実行を禁止して、DeNOx制御の実行に起因する燃費悪化を抑制するようにしている。
以下では、上記した本発明の実施形態によるパッシブDeNOx制御及びアクティブDeNOx制御について具体的に説明する。
(パッシブDeNOx制御)
最初に、本発明の実施形態によるパッシブDeNOx制御について具体的に説明する。
まず、図7を参照して、本発明の実施形態によるパッシブDeNOx制御の実行要否を判定するために用いるパッシブDeNOx制御実行フラグの設定処理について説明する。図7は、本発明の実施形態によるパッシブDeNOx制御実行フラグの設定処理を示すフローチャート(パッシブDeNOx制御実行フラグ設定フロー)である。このパッシブDeNOx制御実行フラグ設定フローは、PCM60によって所定の周期で繰り返し実行されると共に、図3に示した燃料噴射制御フロー及び図4に示したDeNOx用ポスト噴射量算出フローと並行して実行される。
まず、ステップS301では、PCM60は、車両における各種情報を取得する。具体的には、PCM60は、少なくとも、NOx触媒温度と、SCR温度と、図3に示した燃料噴射制御フローで決定された目標トルクと、図4に示したDeNOx用ポスト噴射量算出フローで算出されたDeNOx用ポスト噴射量と、NOx触媒45のNOx吸蔵量と、アクティブDeNOx制御の実行要否を判定するために用いるアクティブDeNOx制御実行フラグの値と、を取得する。この場合、NOx触媒温度は、例えば、NOx触媒45の直上流側に設けられた温度センサ112によって検出された温度に基づいて推定される(NOx触媒45とDPF46との間に設けられた温度センサ113によって検出された温度も用いてもよい)。また、SCR温度は、例えば、SCR触媒47の直上流側に設けられた温度センサ117によって検出された温度に基づいて推定される。また、NOx吸蔵量は、例えば、エンジンEの運転状態や排気ガスの流量や排気ガスの温度などに基づいて、排気ガス中のNOx量を推定し、このNOx量を積算していくことで求められる。また、アクティブDeNOx制御実行フラグは、後述するアクティブDeNOx制御実行フラグ設定フロー(図10参照)で設定される。
加えて、ステップS301では、PCM60は、所定期間内におけるパッシブDeNOx制御の実行頻度も取得する。具体的には、PCM60は、所定期間(例えば数秒間又は数分間)の間にパッシブDeNOx制御を実行した回数を、パッシブDeNOx制御の実行頻度として取得する。
次いで、ステップS302では、PCM60は、ステップS301で取得されたSCR温度がSCR判定温度T11未満であるか否かを判定する。この判定の結果、SCR温度がSCR判定温度T11未満である場合には(ステップS302:Yes)、処理はステップS303に進む。これに対して、SCR温度がSCR判定温度T11以上である場合には(ステップS302:No)、処理はステップS309に進む。この場合には、排気ガス中のNOxをSCR触媒47によって適切に浄化させることができるので、PCM60は、パッシブDeNOx制御の実行を禁止すべく、パッシブDeNOx制御実行フラグを「0」に設定する(ステップS309)。そして、処理は終了する。
なお、ステップS302において、SCR温度がSCR判定温度T11未満であるか否かを判定すると共に、排気ガス流量が所定量以上であるか否かを判定してもよい。この場合、SCR温度がSCR判定温度T11以上であっても、排気ガス流量が所定量以上であると判定された場合には、パッシブDeNOx制御実行フラグを「0」に設定しないようにするのがよい。こうするのは、排気ガス量が多くなるとSCR触媒47のNOx浄化率が低下することを考慮して、パッシブDeNOx制御を行ってNOx触媒45のNOx浄化性能を確保するためである。
次いで、ステップS303では、PCM60は、ステップS301で取得された目標トルクが所定トルク以上であるか否かを判定する。この判定は、目標トルクに対応する燃料を噴射させたときの排気ガスの空燃比がリッチ側の所定値以下まで低下するか否かを判定していることに相当する。換言すると、燃費悪化などを抑制しつつパッシブDeNOx制御を実行することができる運転状態(所定の加速状態)であるか否かを判定していることに相当する。ステップS303の判定の結果、目標トルクが所定トルク以上である場合(ステップS303:Yes)、処理はステップS304に進む。これに対して、目標トルクが所定トルク未満である場合(ステップS303:No)、処理はステップS309に進む。この場合には、PCM60は、パッシブDeNOx制御の実行を禁止して、パッシブDeNOx制御の実行に起因する燃費悪化などを抑制すべく、パッシブDeNOx制御実行フラグを「0」に設定する(ステップS309)。そして、処理は終了する。
次いで、ステップS304では、PCM60は、ステップS301で取得されたパッシブDeNOx制御の実行頻度が所定の頻度判定値未満であるか否かを判定する。ステップS304の判定の結果、パッシブDeNOx制御の実行頻度が頻度判定値未満である場合(ステップS304:Yes)、処理はステップS305に進む。これに対して、パッシブDeNOx制御の実行頻度が頻度判定値以上である場合(ステップS304:No)、処理はステップS309に進む。この場合には、PCM60は、パッシブDeNOx制御の実行を禁止すべく、パッシブDeNOx制御実行フラグを「0」に設定する(ステップS309)。
パッシブDeNOx制御がこれまでに比較的高頻度で行われた場合には、これからパッシブDeNOx制御を実行すると、ポスト噴射に起因するオイル希釈が発生する可能性が高くなる。そのため、本実施形態では、パッシブDeNOx制御の実行頻度が頻度判定値以上である場合には(ステップS304:No)、パッシブDeNOx制御の実行を禁止して、パッシブDeNOx制御におけるポスト噴射に起因するオイル希釈を抑制するようにしている。他方で、パッシブDeNOx制御がこれまでにほとんど行われていない場合(つまりパッシブDeNOx制御の実行頻度が比較的低い場合)には、これからパッシブDeNOx制御を実行しても、ポスト噴射に起因するオイル希釈が発生する可能性は低い。そのため、本実施形態では、パッシブDeNOx制御の実行頻度が頻度判定値未満である場合には(ステップS304:Yes)、パッシブDeNOx制御の実行を禁止しない。
次いで、ステップS305では、ステップS301で取得されたNOx吸蔵量が第1吸蔵量判定値以上であるか否かを判定する。例えば、第1吸蔵量判定値は、NOx吸蔵量の限界値のほぼ半分の値に設定される。この判定の結果、NOx吸蔵量が第1吸蔵量判定値以上である場合(ステップS305:Yes)、処理はステップS306に進む。これに対して、NOx吸蔵量が第1吸蔵量判定値未満である場合(ステップS305:No)、処理はステップS309に進む。この場合には、PCM60は、無駄なパッシブDeNOx制御の実行を禁止して、パッシブDeNOx制御の実行に起因する燃費悪化を抑制すべく、パッシブDeNOx制御実行フラグを「0」に設定する(ステップS309)。そして、処理は終了する。
次いで、ステップS306では、PCM60は、ステップS301で取得されたアクティブDeNOx制御実行フラグが「0」であるか否かを判定する。つまり、PCM60は、アクティブDeNOx制御を実行すべき状況でないか否かを判定する。この判定の結果、アクティブDeNOx制御実行フラグが「0」である場合(ステップS306:Yes)、処理はステップS307に進む。これに対して、アクティブDeNOx制御実行フラグが「0」でない場合、つまり「1」である場合(ステップS306:No)、処理はステップS309に進む。この場合には、PCM60は、パッシブDeNOx制御の実行を禁止して、アクティブDeNOx制御を優先的に実行すべく、パッシブDeNOx制御実行フラグを「0」に設定する(ステップS309)。つまり、たとえパッシブDeNOx制御の実行条件が成立したとしても、アクティブDeNOx制御の実行条件が成立した場合には、アクティブDeNOx制御を優先的に実行するようにする。そして、処理は終了する。
次いで、ステップS307では、PCM60は、ステップS301で取得されたDeNOx用ポスト噴射量が第1ポスト噴射量判定値未満であるか否かを判定する。この判定の結果、DeNOx用ポスト噴射量が第1ポスト噴射量判定値未満である場合(ステップS307:Yes)、処理はステップS308に進む。ステップS307におけるDeNOx用ポスト噴射量が第1ポスト噴射量判定値未満であるという条件は、基本的には、車両が加速しているときに成立することとなる(詳しくは車両が加速していることが当該条件の成立する前提となる)。この場合には、上記したステップS302〜S307の条件が全て成立するので、PCM60は、パッシブDeNOx制御の実行を許可すべく、パッシブDeNOx制御実行フラグを「1」に設定する(ステップS308)。そして、処理は終了する。これに対して、DeNOx用ポスト噴射量が第1ポスト噴射量判定値以上である場合(ステップS307:No)、処理はステップS309に進む。この場合には、比較的多量の燃料をポスト噴射することとなり、オイル希釈が生じる可能性が高くなるので、PCM60は、パッシブDeNOx制御の実行を禁止してオイル希釈を抑制すべく、パッシブDeNOx制御実行フラグを「0」に設定する(ステップS309)。そして、処理は終了する。
なお、ステップS307の判定で用いる第1ポスト噴射量判定値は、1つの例では、オイル希釈が発生する可能性が高いポスト噴射量に基づき設定するのがよい。他の例では、オイル希釈抑制の観点に加えて、パッシブDeNOx制御の実行に起因する燃費悪化などを抑制する観点から、第1ポスト噴射量判定値を設定してもよい。そうした場合、ステップS307においてDeNOx用ポスト噴射量が第1ポスト噴射量判定値未満であるか否かを判定することは、目標トルクに対応する燃料を噴射させたときの排気ガスの空燃比が所定値以下まで低下するか否かを判定することに相当する。換言すると、ステップS303での目標トルクが所定トルク以上であるか否かを判定することとほぼ同義である。そのため、ステップS303の判定とステップS307の判定とが重複するものとなるので、例えばステップS303の判定を行わずにステップS307の判定のみを行って、パッシブDeNOx制御実行フラグを設定してもよい。
また、第1ポスト噴射量判定値を固定値とすることに限定はされず、筒内温度に応じて第1ポスト噴射量判定値を変更してもよい。具体的には、筒内温度が高くなるほど、第1ポスト噴射量判定値を大きな値に変更すればよい。筒内温度が高くなると、ポスト噴射された燃料の気化が進んでオイル希釈が生じにくくなるので、パッシブDeNOx制御を行うに当たってのDeNOx用ポスト噴射量についての制限を緩和すればよい、つまりDeNOx用ポスト噴射量の上限を大きくすればよい。
次に、図8を参照して、上記したように設定されたパッシブDeNOx制御実行フラグに基づき実行される、本発明の実施形態によるパッシブDeNOx制御について説明する。図8は、本発明の実施形態によるパッシブDeNOx制御を示すフローチャート(パッシブDeNOx制御フロー)である。このパッシブDeNOx制御フローは、PCM60によって所定の周期で繰り返し実行されると共に、図3に示した燃料噴射制御フロー、図4に示したDeNOx用ポスト噴射量算出フロー及び図7に示したパッシブDeNOx制御実行フラグ設定フローと並行して実行される。
まず、ステップS401では、PCM60は、車両における各種情報を取得する。具体的には、PCM60は、少なくとも、図4に示したDeNOx用ポスト噴射量算出フローで算出されたDeNOx用ポスト噴射量と、図7に示したパッシブDeNOx制御実行フラグ設定フローで設定されたパッシブDeNOx制御実行フラグの値と、を取得する。
次いで、ステップS402では、PCM60は、ステップS401で取得されたパッシブDeNOx制御実行フラグが「1」であるか否かを判定する。つまり、PCM60は、パッシブDeNOx制御を実行すべき状況であるか否かを判定する。この判定の結果、パッシブDeNOx制御実行フラグが「1」である場合(ステップS402:Yes)、処理はステップS403に進む。これに対して、パッシブDeNOx制御実行フラグが「0」である場合(ステップS402:No)、パッシブDeNOx制御を実行せずに、処理は終了する。
次いで、ステップS403では、PCM60は、パッシブDeNOx制御において適用するポスト噴射タイミングを設定する。このポスト噴射タイミングを設定方法について、具体的に説明する。
上述したように、本実施形態では、パッシブDeNOx制御を実行する場合には、ポスト噴射させた燃料の燃焼によるスモークを抑制する観点から、ポスト噴射させた燃料を筒内で燃焼させずに未燃燃料として排気通路41に排出させることで、排気ガスの空燃比を目標空燃比に設定するようにしている。そのようにポスト噴射させた燃料を筒内で燃焼させずに未燃燃料として排出させるためには、膨張行程において比較的遅角させたタイミングでポスト噴射を行えばよい。しかしながら、ポスト噴射タイミングを遅角させ過ぎると、ポスト噴射によるオイル希釈が発生してしまう。したがって、本実施形態では、基本的には、スモーク及びオイル希釈を抑制する観点から、膨張行程後半における適当なタイミングを、パッシブDeNOx制御におけるポスト噴射タイミングとして採用している。そして、本実施形態では、そのような少なくとも膨張行程後半にあるポスト噴射タイミングを、筒内温度が高くなるほど、より遅角側に設定する。こうしているのは、筒内温度が高くなると、ポスト噴射タイミングをより遅角させても、ポスト噴射された燃料の気化が進んでオイル希釈が生じにくくなるからである。
なお、上述したように、筒内温度をセンサで検出したり、筒内温度を精度良く推定したりすることが困難であるので、PCM60は、筒内温度を反映する種々の指標を用いて、ポスト噴射タイミングを設定すればよい。例えば、PCM60は、エンジン水温及び/又は吸気温度に基づき、ポスト噴射タイミングを設定する。この例では、PCM60は、エンジン水温が高くなるほどポスト噴射タイミングを遅角させたり、吸気温度が高くなるほどポスト噴射タイミングを遅角させたりする。
また、上記では筒内温度に応じてポスト噴射タイミングを変化させていたが、他の例では、筒内温度等に応じてポスト噴射タイミングを変化させずに、ポスト噴射タイミングとして固定値(つまり膨張行程後半における固定のタイミング)を適用してもよい。
次いで、ステップS404では、PCM60は、ステップS401で取得されたDeNOx用ポスト噴射量を、ステップS403で設定されたポスト噴射タイミングにおいて噴射するように燃料噴射弁20を制御して、排気ガスの空燃比を目標空燃比に設定して、NOx触媒45に吸蔵されたNOxを還元させるようにする。具体的には、PCM60は、種々のセンサの検出ばらつきや、燃料噴射弁20の燃料噴射量のばらつきなどに対処すべく、排気通路41上に設けられたO2センサ111の検出値に対応する空燃比(実空燃比)と目標空燃比とに基づき、実空燃比を目標空燃比に一致させるように、燃料噴射弁20から噴射させるポスト噴射量をF/B制御する。以下では、このパッシブDeNOx制御時に行うポスト噴射量のF/B制御を適宜「第1ポスト噴射F/B制御」と呼ぶ。なお、この第1ポスト噴射F/B制御時にはF/B制御だけでなくF/F制御も行われるが、主としてF/B制御が行われるため、説明の便宜上、「F/B制御」の文言を用いている。
詳しくは、PCM60は、まず、比較的小さな空燃比(リッチ度合いが比較的大きい空燃比)を目標値に設定して、燃料噴射弁20から噴射させるポスト噴射量をF/F制御し、この後、実空燃比と目標空燃比とに基づき、比較的大きなF/Bゲインを用いて、燃料噴射弁20から噴射させるポスト噴射量をF/B制御する。こうすることで、比較的短い時間行われるパッシブDeNOx制御時に、実空燃比を目標空燃比に速やかに一致させるようにしている。
なお、実際には、PCM60は、上記のステップS404の処理を、図3に示した燃料噴射制御フローのステップS106において実行する。
次いで、ステップS405では、PCM60は、パッシブDeNOx制御実行フラグが「0」になったか否かを判定する。つまり、PCM60は、パッシブDeNOx制御を終了するか否かを判定する。この判定の結果、パッシブDeNOx制御実行フラグが「0」になった場合(ステップS405:Yes)、処理は終了する。この場合、PCM60は、パッシブDeNOx制御を終了する。これに対して、パッシブDeNOx制御実行フラグが「0」になっていない場合(ステップS405:No)、即ちパッシブDeNOx制御実行フラグが「1」に維持されている場合、処理はステップS403に戻り、ステップS403以降の処理を再度行う。この場合には、PCM60は、パッシブDeNOx制御を継続する。つまり、PCM60は、パッシブDeNOx制御実行フラグが「1」から「0」に切り替わるまで、パッシブDeNOx制御を継続する。
次に、図9を参照して、本発明の実施形態によるパッシブDeNOx制御時に行われる第1ポスト噴射F/B制御の具体例について説明する。図9は、本発明の実施形態による第1ポスト噴射F/B制御の具体例を示すタイムチャートである。図9は、上から順に、パッシブDeNOx制御実行フラグ、ポスト噴射量、実空燃比(λ)を示している。
図9に示すように、パッシブDeNOx制御実行フラグが「0」から「1」に切り替わると、PCM60は、NOx触媒45に吸蔵されたNOxを還元させるべく、実空燃比を目標空燃比に設定するように燃料噴射弁20からポスト噴射させるパッシブDeNOx制御を開始する。具体的には、PCM60は、実空燃比と目標空燃比とに基づき、実空燃比を目標空燃比に速やかに一致させるように第1ポスト噴射F/B制御を実行する。詳しくは、PCM60は、まず、比較的小さな空燃比(リッチ度合いが比較的大きい空燃比)を目標値に設定して、燃料噴射弁20から噴射させるポスト噴射量をF/F制御する(矢印A21参照)。これにより、ポスト噴射量が大きく増加し、実空燃比がリッチ側に速やかに変化する。この後、PCM60は、実空燃比と目標空燃比とに基づき、比較的大きなF/Bゲインを用いて、燃料噴射弁20から噴射させるポスト噴射量をF/B制御する(矢印A22参照)。これにより、ポスト噴射量が大きく変化することで、実空燃比が目標空燃比よりも一旦リッチ側になった後、つまり実空燃比が目標空燃比を一時的にアンダーシュートした後(矢印A23参照)、実空燃比が目標空燃比に一致するようになる。
このように、本実施形態では、パッシブDeNOx制御時に第1ポスト噴射F/B制御を実行することで、ポスト噴射量を大きく変化させて、実空燃比を目標空燃比に速やかに一致させるようにしている。こうすることで、パッシブDeNOx制御が行われる短い期間において、実空燃比を即座に目標空燃比に設定して、NOx触媒45に吸蔵されたNOxの還元を確実に実行させるようにしている。
なお、上記のように実空燃比が目標空燃比をアンダーシュートすると、エンジンEから排気通路41へと排出される未燃燃料量が多くなるが、パッシブDeNOx制御時にはNOx触媒45のHCの浄化性能(NOx触媒45中のDOCによるHCの浄化性能)が十分に確保されているので、また、パッシブDeNOx制御の実行期間が比較的短いので、このように排出された未燃燃料をNOx触媒45で適切に浄化させることができ、特に問題とならない。
(アクティブDeNOx制御)
次に、本発明の実施形態によるアクティブDeNOx制御について具体的に説明する。
まず、図10を参照して、本発明の実施形態によるアクティブDeNOx制御の実行要否を判定するために用いるアクティブDeNOx制御実行フラグの設定処理について説明する。図10は、アクティブDeNOx制御実行フラグの設定処理を示すフローチャート(アクティブDeNOx制御実行フラグ設定フロー)である。このアクティブDeNOx制御実行フラグ設定フローは、PCM60によって所定の周期で繰り返し実行されると共に、図3に示した燃料噴射制御フロー、図4に示したDeNOx用ポスト噴射量算出フロー及び図7に示したパッシブDeNOx制御実行フラグ設定フローなどと並行して実行される。
まず、ステップS501では、PCM60は、車両における各種情報を取得する。具体的には、PCM60は、少なくとも、NOx触媒温度と、SCR温度と、NOx触媒45のNOx吸蔵量と、を取得する。なお、NOx触媒温度、SCR温度及びNOx吸蔵量の求め方は、上記の「パッシブDeNOx制御」のセクションにおいてステップS301の説明で述べた通りである。
次いで、ステップS502では、PCM60は、ステップS501で取得されたSCR温度がSCR判定温度T11未満であるか否かを判定する。この判定の結果、SCR温度がSCR判定温度T11未満である場合(ステップS502:Yes)、処理はステップS503に進む。これに対して、SCR温度がSCR判定温度T11以上である場合(ステップS502:No)、処理はステップS509に進む。この場合には、排気ガス中のNOxをSCR触媒47によって適切に浄化させることができるので、PCM60は、アクティブDeNOx制御の実行を禁止すべく、アクティブDeNOx制御実行フラグを「0」に設定する(ステップS509)。そして、処理は終了する。
次いで、ステップS503では、PCM60は、ステップS501で取得されたNOx触媒温度が所定温度以上であるか否かを判定する。NOx触媒温度が低い場合には、排気ガスの空燃比を目標空燃比に設定しても、NOx触媒45は吸蔵しているNOxをほとんど還元しない。したがってステップS503では、NOx触媒45が吸蔵しているNOxを還元可能な状態であるか否かを判定している。そのために、ステップS503の判定で用いる所定温度は、NOx触媒45が吸蔵しているNOxを還元可能なNOx触媒温度に基づき設定される。ステップS503の判定の結果、NOx触媒温度が所定温度以上である場合(ステップS503:Yes)、処理はステップS504に進む。これに対して、NOx触媒温度が所定温度未満である場合(ステップS503:No)、処理はステップS509に進む。この場合には、PCM60は、アクティブDeNOx制御の実行を禁止すべく、アクティブDeNOx制御実行フラグを「0」に設定する(ステップS509)。
次いで、ステップS504では、PCM60は、エンジン始動後にアクティブDeNOx制御を一度も実行していないか否かを判定する。このステップS504の判定は、エンジン始動後にアクティブDeNOx制御を一度も実行していない場合には、エンジン始動後にアクティブDeNOx制御を実行したことがある場合よりも、アクティブDeNOx制御の実行条件を緩和して、アクティブDeNOx制御を優先的に実行する目的から行っている。具体的には、エンジン始動後にアクティブDeNOx制御を実行したことがある場合には、比較的条件が厳しいステップS507の実行条件及びステップS508の実行条件を用いるのに対して、エンジン始動後にアクティブDeNOx制御を一度も実行していない場合には、比較的条件の緩いステップS505の実行条件のみを用いる(これらの詳細は後述する)。このようなステップS504の判定の結果、エンジン始動後にアクティブDeNOx制御を実行していない場合(ステップS504:Yes)、処理はステップS505に進む。
次いで、ステップS505では、PCM60は、ステップS501で取得されたNOx吸蔵量が第2吸蔵量判定値以上であるか否かを判定する。例えば、第2吸蔵量判定値は、NOx吸蔵量の限界値よりもある程度低い値に設定される。この判定の結果、NOx吸蔵量が第2吸蔵量判定値以上である場合(ステップS505:Yes)、処理はステップS506に進む。この場合には、PCM60は、アクティブDeNOx制御の実行を許可すべく、アクティブDeNOx制御実行フラグを「1」に設定する(ステップS506)。こうすることで、エンジン始動後にアクティブDeNOx制御を実行してNOx触媒45にある程度吸蔵されたNOxを強制的に還元することで、NOx触媒45のNOx浄化性能を確実に確保するようにする。これに対して、NOx吸蔵量が第2吸蔵量判定値未満である場合(ステップS505:No)、処理はステップS509に進む。この場合には、PCM60は、無駄なアクティブDeNOx制御の実行を禁止すべく、アクティブDeNOx制御実行フラグを「0」に設定する(ステップS509)。そして、処理は終了する。
他方で、ステップS504の判定の結果、エンジン始動後にアクティブDeNOx制御を実行したことがある場合(ステップS504:No)、処理はステップS507に進む。ステップS507では、PCM60は、ステップS501で取得されたNOx吸蔵量が第3吸蔵量判定値(第2吸蔵量判定値よりも大きな値)以上であるか否かを判定する。例えば、第3吸蔵量判定値は、NOx吸蔵量の限界値付近の値に設定される。この判定の結果、NOx吸蔵量が第3吸蔵量判定値以上である場合(ステップS507:Yes)、処理はステップS508に進む。これに対して、NOx吸蔵量が第3吸蔵量判定値未満である場合(ステップS507:No)、処理はステップS509に進む。この場合には、PCM60は、無駄なアクティブDeNOx制御の実行を禁止すべく、アクティブDeNOx制御実行フラグを「0」に設定する(ステップS509)。そして、処理は終了する。
次いで、ステップS508では、PCM60は、アクティブDeNOx制御の前回実行時点からの走行距離が所定の判定距離以上であるか否かを判定する。ステップS508の判定の結果、アクティブDeNOx制御の前回実行時点からの走行距離が判定距離以上である場合(ステップS508:Yes)、処理はステップS506に進む。この場合には、PCM60は、アクティブDeNOx制御の実行を許可すべく、アクティブDeNOx制御実行フラグを「1」に設定する(ステップS506)。こうすることで、アクティブDeNOx制御を実行してNOx触媒45に多量に吸蔵されたNOxを強制的に還元することで、NOx触媒45のNOx浄化性能を確実に確保するようにする。これに対して、アクティブDeNOx制御の前回実行時点からの走行距離が判定距離未満である場合(ステップS508:No)、処理はステップS509に進む。この場合には、PCM60は、アクティブDeNOx制御の実行を禁止すべく、アクティブDeNOx制御実行フラグを「0」に設定する(ステップS509)。そして、処理は終了する。
アクティブDeNOx制御の前回実行時点からの走行距離が短い状況においてアクティブDeNOx制御を実行すると(つまりアクティブDeNOx制御の実行インターバルが短い場合)、ポスト噴射に起因するオイル希釈が発生する可能性が高くなる。そのため、本実施形態では、アクティブDeNOx制御の前回実行時点からの走行距離が判定距離未満である場合には(ステップS508:No)、アクティブDeNOx制御の実行を禁止して、アクティブDeNOx制御におけるポスト噴射に起因するオイル希釈を抑制するようにしている。他方で、アクティブDeNOx制御の前回実行時点からの走行距離が長い場合(つまりアクティブDeNOx制御の実行インターバルが長い場合)には、これからアクティブDeNOx制御を実行しても、ポスト噴射に起因するオイル希釈が発生する可能性は低い。そのため、本実施形態では、アクティブDeNOx制御の前回実行時点からの走行距離が判定距離以上である場合には(ステップS508:Yes)、アクティブDeNOx制御の実行を禁止しない。
次に、図11を参照して、上記したように設定されたアクティブDeNOx制御実行フラグに基づき実行される、本発明の実施形態によるアクティブDeNOx制御について説明する。図11は、本発明の実施形態によるアクティブDeNOx制御を示すフローチャート(アクティブDeNOx制御フロー)である。このアクティブDeNOx制御フローは、PCM60によって所定の周期で繰り返し実行されると共に、図3に示した燃料噴射制御フロー、図4に示したDeNOx用ポスト噴射量算出フロー及び図10に示したアクティブDeNOx制御実行フラグ設定フローなどと並行して実行される。
ここで、本実施形態によるアクティブDeNOx制御フローにおいては、アクティブDeNOx制御における燃料噴射制御(排気ガスの空燃比を目標空燃比に設定するためにポスト噴射を行う燃料噴射制御)と並行して、グロープラグ21に対する制御(グロー制御)と、EGRガスの制御(EGR制御)とが行われる。グロー制御は、アクティブDeNOx制御中にグロープラグ21に通電する制御を行って、このグロープラグ21の熱により、アクティブDeNOx制御においてポスト噴射した燃料の着火性を向上させるために行っている。また、EGR制御は、アクティブDeNOx制御中に適量のEGRガスを還流させる制御を行って、ポスト噴射した燃料の着火を遅延させることで、このポスト噴射した燃料の燃焼安定性を確保してスモークの発生を抑制するために行っている。そして、本実施形態では、このようなグロー制御及びEGR制御によるグロープラグ21の状態及びEGRガスの状態のそれぞれが安定してから、アクティブDeNOx制御における燃料噴射制御を開始する。
図11のアクティブDeNOx制御フローについて具体的に説明すると、まず、ステップS601では、PCM60は、車両における各種情報を取得する。具体的には、PCM60は、少なくとも、エンジン負荷と、エンジン回転数と、NOx触媒温度と、図4に示したDeNOx用ポスト噴射量算出フローで算出されたDeNOx用ポスト噴射量と、図10に示したアクティブDeNOx制御実行フラグ設定フローで設定されたアクティブDeNOx制御実行フラグの値と、を取得する。また、PCM60は、推定により得られた筒内酸素濃度を取得する。
次いで、ステップS602では、PCM60は、ステップS601で取得されたアクティブDeNOx制御実行フラグが「1」であるか否かを判定する。つまり、PCM60は、アクティブDeNOx制御を実行すべき状況であるか否かを判定する。この判定の結果、アクティブDeNOx制御実行フラグが「1」である場合(ステップS602:Yes)、処理はステップS603に進む。これに対して、アクティブDeNOx制御実行フラグが「0」である場合(ステップS602:No)、アクティブDeNOx制御を実行せずに、処理は終了する。
次いで、ステップS603では、PCM60は、エンジンの運転状態(エンジン負荷及びエンジン回転数)がアクティブDeNOx実行領域R12(図5参照)に含まれているか否かを判定する。この場合、PCM60は、NOx触媒温度が所定温度以上である場合、及び/又は、NOx吸蔵量が所定量以上である場合には、アクティブDeNOx実行領域R12を高負荷側及び高回転側に拡大するとよい。ステップS603の判定の結果、エンジンの運転状態がアクティブDeNOx実行領域R12に含まれている場合(ステップS603:Yes)、処理はステップS605に進む。これに対して、エンジンの運転状態がアクティブDeNOx実行領域R12に含まれていない場合(ステップS603:No)、処理はステップS604に進む。
ステップS604では、PCM60は、アクティブDeNOx制御を実行せずに、つまり排気ガスの空燃比を目標空燃比に設定するためのポスト噴射を含む燃料噴射制御を行わずに、当該ポスト噴射を含まない通常の燃料噴射制御を行う(ステップS604)。基本的には、PCM60は、目標トルクに応じた燃料噴射量をメイン噴射させる制御のみを行う。実際には、PCM60は、このステップS604の処理を、図3に示した燃料噴射制御フローのステップS106において実行する。そして、処理はステップS603に戻って、上記したステップS603の判定を再度行う。つまり、PCM60は、アクティブDeNOx制御実行フラグが「1」である場合には、エンジンの運転状態がアクティブDeNOx実行領域R12に含まれていない間は、通常の燃料噴射制御を行うようにし、エンジンの運転状態がアクティブDeNOx実行領域R12に含まれるようになると、通常の燃料噴射制御からアクティブDeNOx制御における燃料噴射制御に切り替えるようにする。例えば、PCM60は、アクティブDeNOx制御における燃料噴射制御中にエンジンの運転状態がアクティブDeNOx実行領域R12から外れると、当該燃料噴射制御を中断して通常の燃料噴射制御を行い、この後に、エンジンの運転状態がアクティブDeNOx実行領域R12に入ると、アクティブDeNOx制御における燃料噴射制御を再開する。
次いで、ステップS605では、PCM60は、上記したグロー制御によりグロープラグ21に通電してから所定時間が経過したか否かを判定する、つまりグロープラグ21の通電時間が所定時間に達したか否かを判定する。このステップS605では、通電されたグロープラグ21が安定状態になったか否かを判定している。また、ステップS605で用いる所定時間は、例えば、グロープラグ21が所望の温度に達するのに要する通電時間に基づき設定される。このようなステップS605の判定の結果、グロープラグ21の通電時間が所定時間に達している場合(ステップS605:Yes)、処理はステップS606に進む。これに対して、グロープラグ21の通電時間が所定時間に達していない場合(ステップS605:No)、処理はステップS603に戻る。この場合には、グロープラグ21の通電時間が所定時間に達するまで待機する。
次いで、ステップS606では、PCM60は、上記したEGR制御によって、推定により得られた筒内酸素濃度が、アクティブDeNOx制御における燃料噴射制御(ポスト噴射を含む)において設定されるべき目標筒内酸素濃度にほぼ到達したか否かを判定している。例えば、PCM60は、筒内酸素濃度と目標筒内酸素濃度との差(絶対値)が所定値以下になったか否かを判定する。このステップS606では、EGR制御により導入されたEGRガス量が安定状態になったか否か、換言すると所望の流量のEGRガスが導入されたか否かを判定している。ステップS606の判定の結果、EGR制御により筒内酸素濃度がほぼ目標筒内酸素濃度に到達している場合(ステップS606:Yes)、処理はステップS607に進む。これに対して、筒内酸素濃度がほぼ目標筒内酸素濃度に到達していない場合(ステップS606:No)、処理はステップS603に戻る。この場合には、EGR制御により筒内酸素濃度がほぼ目標筒内酸素濃度に到達するまで待機する。
次いで、ステップS607では、PCM60は、アクティブDeNOx制御において適用するポスト噴射タイミングを設定する。このポスト噴射タイミングを設定方法について、具体的に説明する。
上述したように、本実施形態では、アクティブDeNOx制御を実行する場合、ポスト噴射させた燃料を筒内において燃焼させることで、排気ガスの空燃比を目標空燃比に設定するようにする。そのようにポスト噴射させた燃料を筒内で燃焼させるためには、膨張行程における比較的進角側のタイミングでポスト噴射を行えばよい。しかしながら、ポスト噴射タイミングを進角させ過ぎると、空気と燃料が適切に混合されていない状態で着火が生じて、スモークが発生してしまう。したがって、本実施形態では、ポスト噴射タイミングを適度に進角側に設定し、具体的には膨張行程前半における適当なタイミングをアクティブDeNOx制御におけるポスト噴射タイミングとして採用し、また、アクティブDeNOx制御時に適量のEGRガスを導入することで、ポスト噴射された燃料の着火を遅延させてスモークなどの発生を抑制している。そして、本実施形態では、そのような少なくとも膨張行程前半にあるポスト噴射タイミングを、エンジン負荷が高くなるほど、より遅角側に設定する。これは、エンジン負荷が高くなると燃料噴射量が多くなり、スモークが発生しやすくなるため、ポスト噴射タイミングをできるだけ遅角させるようにしたものである。この場合、ポスト噴射タイミングを遅角させ過ぎると、ポスト噴射させた燃料が燃焼しなくなり(失火)、HCが発生してしまうので、本実施形態では、ポスト噴射タイミングを適度に遅角させるようにしている。
また、本実施形態では、エンジン回転数が高くなるほど、ポスト噴射タイミングを進角側に設定する、つまりポスト噴射タイミングの遅角度合いを小さくする。エンジン回転数が高い場合にエンジン回転数が低い場合と同一のクランク角度で燃料を噴射すると、燃料が着火するまでの時間が短いために失火が発生してしまうことがあるので、本実施形態では、燃焼安定性を確保するために、エンジン回転数が高くなるほど、ポスト噴射タイミングを進角側に設定している。
次いで、ステップS608では、PCM60は、ステップS601で取得されたDeNOx用ポスト噴射量が第2ポスト噴射量判定値未満であるか否かを判定する。この第2ポスト噴射量判定値は、上記のパッシブDeNOx制御で用いた第1ポスト噴射量判定値(図7のステップS307参照)よりも大きな値に設定される。こうすることで、アクティブDeNOx制御においてパッシブDeNOx制御よりも多量のポスト噴射量を噴射できるようにし、エンジンEの運転状態によらずに(例えば加速時のような空燃比が低下するような状況でなくても)、排気ガスの空燃比を確実に目標空燃比に設定可能にする。
ステップS608の判定の結果、DeNOx用ポスト噴射量が第2ポスト噴射量判定値未満である場合(ステップS608:Yes)、処理はステップS609に進む。ステップS609では、PCM60は、ステップS601で取得されたDeNOx用ポスト噴射量を、ステップS607で設定されたポスト噴射タイミングにおいて噴射するように燃料噴射弁20を制御して、排気ガスの空燃比を目標空燃比に設定して、NOx触媒45に吸蔵されたNOxを還元させるようにする。具体的には、PCM60は、種々のセンサの検出ばらつきや、燃料噴射弁20の燃料噴射量のばらつきなどに対処すべく、排気通路41上に設けられたO2センサ111の検出値に対応する空燃比(実空燃比)と目標空燃比とに基づき、実空燃比を目標空燃比に一致させるように、燃料噴射弁20から噴射させるポスト噴射量をF/B制御する。以下では、このアクティブDeNOx制御時に行うポスト噴射量のF/B制御を適宜「第2ポスト噴射F/B制御」と呼ぶ。なお、この第2ポスト噴射F/B制御時にはF/B制御だけでなくF/F制御も行われるが、主としてF/B制御が行われるため、説明の便宜上、「F/B制御」の文言を用いている。
詳しくは、PCM60は、まず、比較的大きな空燃比(リッチ度合いが比較的小さい空燃比)を目標値に設定して、燃料噴射弁20から噴射させるポスト噴射量をF/F制御し、この後、実空燃比と目標空燃比とに基づき、比較的小さなF/Bゲインを用いて、燃料噴射弁20から噴射させるポスト噴射量をF/B制御する。こうすることで、アクティブDeNOx制御時に実空燃比を目標空燃比に向けて緩やかに変化させて、実空燃比が目標空燃比よりもリッチ側になることを抑制している、つまり実空燃比が目標空燃比をアンダーシュートすることを抑制している。
なお、実際には、PCM60は、上記のステップS609の処理を、図3に示した燃料噴射制御フローのステップS106において実行する。
他方で、DeNOx用ポスト噴射量が第2ポスト噴射量判定値以上である場合(ステップS608:No)、処理はステップS610に進む。ステップS610では、PCM60は、第2ポスト噴射量判定値を超えないポスト噴射量(具体的には第2ポスト噴射量判定値そのものをDeNOx用ポスト噴射量として適用する)によって排気ガスの空燃比を目標空燃比に設定すべく、エンジンEに導入される空気の酸素濃度を低下させる制御を行う。この場合、PCM60は、吸気シャッター弁7を閉弁方向に駆動する制御、EGRガス量を増加させる制御、及び、ターボ過給機5による過給圧を低下させる制御のうちの少なくともいずれかを実行して、エンジンEに導入される空気の酸素濃度を低下させる、つまり充填量を低下させる。例えば、PCM60は、第2ポスト噴射量判定値を適用したDeNOx用ポスト噴射量によって排気ガスの空燃比を目標空燃比にするのに必要な過給圧を求め、この過給圧を実現するように、実際の過給圧(圧力センサ108によって検出された圧力)とEGRガス量に基づき、吸気シャッター弁7を閉側の所望の開度に制御する。そして、処理はステップS611に進む。
なお、吸気シャッター弁7は、通常のエンジンEの運転状態においては全開に設定される。他方で、DeNOx時、DPF再生時及びアイドル運転時などにおいては、基本的には、吸気シャッター弁7は予め定められたベース開度に設定される。また、EGRガスを導入しない運転状態においては、吸気シャッター弁7は過給圧に基づきフィードバック制御される。
次いで、ステップS611では、PCM60は、第2ポスト噴射量判定値をDeNOx用ポスト噴射量に適用して、つまりDeNOx用ポスト噴射量を第2ポスト噴射量判定値に設定して、このDeNOx用ポスト噴射量を、ステップS607で設定されたポスト噴射タイミングにおいて噴射するように燃料噴射弁20を制御して、排気ガスの空燃比を目標空燃比に設定して、NOx触媒45に吸蔵されたNOxを還元させるようにする。具体的には、PCM60は、ステップS609と同様にして、第2ポスト噴射F/B制御を行う。つまり、PCM60は、まず、比較的大きな空燃比(リッチ度合いが比較的小さい空燃比)を目標値に設定して、燃料噴射弁20から噴射させるポスト噴射量をF/F制御し、この後、実空燃比と目標空燃比とに基づき、比較的小さなF/Bゲインを用いて、燃料噴射弁20から噴射させるポスト噴射量をF/B制御する。なお、実際には、PCM60は、上記のステップS611の処理を、図3に示した燃料噴射制御フローのステップS106において実行する。
上記のステップS609又はステップS611の後、処理はステップS612に進む。ステップS612では、PCM60は、NOx触媒45のNOx吸蔵量がほぼ0になったか否かを判定する。具体的には、PCM60は、エンジンEの運転状態や排気ガスの流量や排気ガスの温度などに基づいて推定したNOx吸蔵量がほぼ0になり、且つ、DPF46の直下流側に設けられたNOxセンサ116の検出値が変化した場合に、NOx触媒45のNOx吸蔵量がほぼ0になったと判断する。NOx触媒45のNOx吸蔵量がほぼ0になった場合(ステップS612:Yes)、処理は終了する。この場合、PCM60は、アクティブDeNOx制御を終了する。また、PCM60は、当該アクティブDeNOx制御フロー及び図10のアクティブDeNOx制御実行フラグ設定フローにおいて用いるNOx吸蔵量を0にリセットする。
他方で、NOx触媒45のNOx吸蔵量がほぼ0になっていない場合(ステップS612:No)、処理はステップS603に戻る。この場合には、PCM60は、アクティブDeNOx制御を継続する。つまり、PCM60は、NOx触媒45のNOx吸蔵量がほぼ0になるまで、アクティブDeNOx制御を継続する。特に、PCM60は、アクティブDeNOx制御中にアクティブDeNOx制御の実行条件(例えばステップS603の条件など)が成立しなくなり、アクティブDeNOx制御を中断したとしても、その後にアクティブDeNOx制御の実行条件が成立したときにアクティブDeNOx制御を速やかに再開して、NOx触媒45のNOx吸蔵量がほぼ0になるようにする。
ここで、NOxセンサ116の検出値に基づき、NOx触媒45のNOx吸蔵量がほぼ0になったことを判断できる理由は、以下の通りである。NOxセンサ116は、酸素濃度センサとしての機能も有することから、NOxセンサ116の検出値は、NOxセンサ116に供給される排気ガスの空燃比に対応するものとなる。NOx触媒45の還元が行われている間は、つまりNOx触媒45のNOx吸蔵量がほぼ0になっていないときには、NOxが還元されることで生成された酸素がNOxセンサ116に供給される。一方で、NOx触媒45のNOx吸蔵量がほぼ0になると、そのような還元によって生成された酸素がNOxセンサ116に供給されなくなる。したがって、NOx触媒45のNOx吸蔵量がほぼ0になったタイミングにおいて、NOxセンサ116に供給される排気ガスの空燃比が低下することで、NOxセンサ116の検出値が変化するのである。
なお、上記したアクティブDeNOx制御フローで用いた第2ポスト噴射量判定値を固定値とすることに限定はされず、筒内温度に応じて第2ポスト噴射量判定値を変更してもよい。具体的には、上述した第1ポスト噴射量判定値と同様に、筒内温度が高くなるとポスト噴射された燃料の気化が進んでオイル希釈が生じにくくなることを考慮して、筒内温度が高くなるほど、第2ポスト噴射量判定値を大きな値に変更すればよい。
次に、図12を参照して、本発明の実施形態によるアクティブDeNOx制御時に行われる第2ポスト噴射F/B制御の具体例について説明する。図12は、本発明の実施形態による第2ポスト噴射F/B制御の具体例を示すタイムチャートである。図12は、上から順に、アクティブDeNOx制御実行フラグ、ポスト噴射量、実空燃比(λ)を示している。
図12に示すように、アクティブDeNOx制御実行フラグが「0」から「1」に切り替わると、PCM60は、NOx触媒45に吸蔵されたNOxを還元させるべく、実空燃比を目標空燃比に設定するように燃料噴射弁20からポスト噴射させるアクティブDeNOx制御を開始する。具体的には、PCM60は、実空燃比と目標空燃比とに基づき、実空燃比を緩やかに変化させて実空燃比を目標空燃比に一致させるように第2ポスト噴射F/B制御を実行する。詳しくは、PCM60は、まず、上記した第1ポスト噴射F/B制御(図9参照)よりも小さな空燃比(リッチ度合いが大きい空燃比)を目標値に設定して、燃料噴射弁20から噴射させるポスト噴射量をF/F制御する(矢印A31参照)。これにより、ポスト噴射量が緩やかに増加し、実空燃比がリッチ側に緩やかに変化する(矢印A33参照)。この後、PCM60は、実空燃比と目標空燃比とに基づき、上記した第1ポスト噴射F/B制御(図9参照)よりも小さなF/Bゲインを用いて、燃料噴射弁20から噴射させるポスト噴射量をF/B制御する(矢印A32参照)。これにより、ポスト噴射量が更に緩やかに増加して、実空燃比が目標空燃比に向けて緩やかに変化することで、実空燃比が目標空燃比をアンダーシュートすることなく(矢印A34参照)、実空燃比が目標空燃比に一致するようになる。
このように、本実施形態では、アクティブDeNOx制御時に第2ポスト噴射F/B制御を実行することで、ポスト噴射量の変化速度に対して制限を課す、つまりポスト噴射量の変化速度が所定速度以上にならないようにする。特に、この第2ポスト噴射F/B制御では、実空燃比が目標空燃比をアンダーシュートしないように、ポスト噴射量の変化速度に対して制限を課す。原則、アクティブDeNOx制御時に行う第2ポスト噴射F/B制御では、上記したパッシブDeNOx制御時に行う第2ポスト噴射F/B制御よりも、ポスト噴射量の変化速度が小さくなるようにする(換言すると、パッシブDeNOx制御時に行う第2ポスト噴射F/B制御では、アクティブDeNOx制御時に行う第2ポスト噴射F/B制御よりも、ポスト噴射量の変化速度が大きくなるようにする)。本実施形態では、このような第2ポスト噴射F/B制御を実行することで、アクティブDeNOx制御時に実空燃比が目標空燃比をアンダーシュートして多量のスモーク及びHCが発生してしまうことを確実に抑制するようにしている。
<作用効果>
次に、本発明の実施形態によるエンジンの排気浄化装置の作用効果について説明する。
本実施形態によれば、アクティブDeNOx制御時に第2ポスト噴射F/B制御を実行して、ポスト噴射量の変化速度に対して制限を課すので、ポスト噴射量の制御中に実空燃比が目標空燃比よりもリッチ側になること、つまり実空燃比が目標空燃比をアンダーシュートすることを適切に抑制することができる。その結果、アクティブDeNOx制御時に実空燃比が目標空燃比をアンダーシュートしてスモークやHCが発生してしまうことを適切に抑制することができる。
また、本実施形態によれば、アクティブDeNOx制御を実行する場合、ポスト噴射された燃料が筒内で燃焼されるタイミングにおいてポスト噴射を行う。実空燃比が目標空燃比をアンダーシュートした状態で、ポスト噴射された燃料を燃焼させるとスモークが発生する傾向にあるが、本実施形態では、上記のようにポスト噴射量の変化速度に対して制限を課してアンダーシュートを抑制するので、そのようなスモークの発生を適切に抑制することができる。
また、本実施形態によれば、パッシブDeNOx制御時には第1ポスト噴射F/B制御を実行して、アクティブDeNOx制御時よりも、ポスト噴射量の変化速度を大きくするので、実空燃比を目標空燃比に速やかに一致させることができる。これにより、パッシブDeNOx制御が行われる比較的短い期間(加速機関)において、実空燃比を即座に目標空燃比に設定して、NOx触媒45に吸蔵されたNOxの還元を確実に実行させることができる。
また、本実施形態によれば、パッシブDeNOx制御を実行する場合、ポスト噴射された燃料が筒内で燃焼されずに未燃燃料として排出されるタイミングにおいてポスト噴射を行うので、上記のようにポスト噴射量の変化速度を大きくした結果、実空燃比が目標空燃比をアンダーシュートしても、スモークが発生することはない。また、実空燃比が目標空燃比をアンダーシュートすると、排出される未燃燃料が多くなるが、パッシブDeNOx制御時にはNOx触媒45の浄化性能が十分に確保されているので、また、パッシブDeNOx制御の実行期間が比較的短いので、このように排出された未燃燃料をNOx触媒45で適切に浄化させることができ、特に問題とならない。
また、本実施形態では、アクティブDeNOx制御時には空燃比に基づき第2ポスト噴射F/B制御によりポスト噴射量を変化させ、パッシブDeNOx制御時には空燃比に基づき第1ポスト噴射F/B制御によりポスト噴射量を変化させる。そして、本実施形態では、アクティブDeNOx制御時に行う第2ポスト噴射F/B制御のF/Bゲインを、パッシブDeNOx制御時に行う第1ポスト噴射F/B制御のF/Bゲインよりも小さくする。これにより、アクティブDeNOx制御時には実空燃比が目標空燃比をアンダーシュートすることを適切に抑制することができると共に、パッシブDeNOx制御時には実空燃比を目標空燃比に速やかに到達させることができる。
また、本実施形態では、アクティブDeNOx制御を中負荷・中回転域としてのアクティブDeNOx実行領域R12でのみ実行するので、アクティブDeNOx実行領域R12外でアクティブDeNOx制御を実行して、このDeNOx制御によりポスト噴射された燃料を燃焼させようとすることで発生するスモークやHCの発生を適切に抑制することができる。一方で、本実施形態では、アクティブDeNOx実行領域R12ではアクティブDeNOx制御を実行することとし、アクティブDeNOx実行領域R12以外ではパッシブDeNOx制御を実行するので、DeNOx制御による燃費の悪化を抑制しつつ、エンジンEの運転領域全体でのエミッションを適切に改善することができる。特に、本実施形態では、NOx触媒45に加えてSCR触媒47を排気通路41上に設けているので、パッシブDeNOx制御及びアクティブDeNOx制御を実行しない領域において、排気ガス中のNOxをSCR触媒47によって適切に浄化させることができる。
<変形例>
上記した実施形態では、パッシブDeNOx制御の実行頻度が頻度判定値以上である場合にパッシブDeNOx制御の実行を完全に禁止していたが、こうすることに限定はされない。要は、パッシブDeNOx制御の実行頻度が頻度判定値以上である場合には、パッシブDeNOx制御の実行頻度が頻度判定値未満である場合と比べて、パッシブDeNOx制御の実行を適宜制限すればよい。例えば、パッシブDeNOx制御の実行頻度が頻度判定値以上である場合に、パッシブDeNOx制御の実行頻度が頻度判定値未満である場合よりも、ポスト噴射を行う回数を減らしてもよい。
同様に、アクティブDeNOx制御を前回実行してからの走行距離が判定距離未満である場合、又はアクティブDeNOx制御を前回実行してからの経過時間が判定時間未満である場合に、アクティブDeNOx制御の実行を完全に禁止することに限定はされず、アクティブDeNOx制御の実行を適宜制限してもよい。
また、上記した実施形態では、パッシブDeNOx制御時に吸気系INへのEGRガスの還流を完全に禁止していたが、EGRガスの還流に起因するデポジットによる通路などの閉塞が生じない範囲内において、パッシブDeNOx制御時に少量のEGRガスを還流させてもよい。この場合、少なくとも、パッシブDeNOx制御時にはアクティブDeNOx制御時よりもEGRガス量を小さくするのがよい。
上記の目的を達成するために、本発明は、エンジンの排気通路上に設けられ、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンな状態であるときに排気ガス中のNOxを吸蔵し、この吸蔵したNOxを、排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍あるいは理論空燃比よりもリッチな状態であるときに還元するNOx触媒を備えたエンジンの排気浄化装置であって、NOx触媒のNOx吸蔵量が所定量以上である場合に、排気ガスの空燃比がNOx触媒に吸蔵されたNOxを還元可能な所定空燃比になるように燃料噴射弁からポスト噴射させる第1NOx還元制御を実行するNOx還元制御手段を有し、NOx還元制御手段は、NOx還元制御によって排気ガスの空燃比を所定空燃比に設定するようにポスト噴射量を増加させ、このときのポスト噴射量の変化速度が所定変化速度未満になるよう制限を課し、また、NOx還元制御手段は、車両の加速により排気ガスの空燃比がリッチ側に変化するときに、NOx触媒に吸蔵されたNOxを還元させるべく、排気ガスの空燃比を所定空燃比に一時的に設定するように燃料噴射弁からポスト噴射させる第2NOx還元制御を更に実行し、第2NOx還元制御によって排気ガスの空燃比を所定空燃比に設定するようにポスト噴射量を増加させるときには、第1NOx還元制御によって排気ガスの空燃比を所定空燃比に設定するようにポスト噴射量を増加させるときよりも、ポスト噴射量の変化速度を大きくし、第2NOx還元制御を第1NOx還元制御よりも長い時間実行する、ことを特徴とする。
このように構成された本発明によれば、第1NOx還元制御時に、ポスト噴射量の変化速度に対して制限を課すので、つまりポスト噴射量の変化速度が所定値を超えないように制御するので、このポスト噴射量の制御によって排気ガスの空燃比を所定空燃比に精度良く設定することができる。この場合、ポスト噴射量の制御中に実空燃比が所定空燃比よりもリッチ側になること、つまり実空燃比が所定空燃比をアンダーシュートすることを適切に抑制することができる。その結果、第1NOx還元制御時に実空燃比が所定空燃比をアンダーシュートしてスモークやHCが発生してしまうことを適切に抑制することができる。
また、本発明によれば、第2NOx還元制御時には、第1NOx還元制御時よりも、ポスト噴射量の変化速度を大きくするので、実空燃比を目標空燃比に速やかに一致させることができる。これにより、第2NOx還元制御が行われる比較的短い期間(加速期間)において、実空燃比を即座に目標空燃比に設定して、NOx触媒に吸蔵されたNOxの還元を確実に実行させることができる。