JP2018044453A - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】目的は、燃費を悪化させることなくかつ還元処理不足の発生が抑制されるように適切な態様で還元処理を行うことができる内燃機関の排気浄化システムを提供すること。【解決手段】排気浄化システムは、リーン雰囲気で排気中のＮＯｘを捕捉し、リッチ雰囲気で捕捉したＮＯｘを還元浄化するＬＮＴ触媒を備え、ＬＮＴ触媒の還元処理を間欠的に実行する。排気浄化システムは、ＬＮＴ触媒の下流側の排気のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサと、第ｎ周期の還元処理の実行中のＮＯｘセンサの検出値の中の最大値を記憶するバッファＰ（ｎ）と、バッファＰ（Ｎｒｉｃｈ−１）に記憶された値である前回最大値ＰＶ＿Ｎｒｉｃｈ−１に基づいて、第Ｎｒｉｃｈ周期の還元処理を継続して実行する時間であるリッチ時間を制御する還元制御手段と、を備える。還元制御手段は、前回最大値ＰＶ＿Ｎｒｉｃｈ−１が大きいほどリッチ時間を長くする。【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化システムに関する。

リーンバーン運転が可能なリーンバーンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関の排気を、リーンＮＯｘ浄化触媒を用いて浄化する排気浄化システムは広く実用化されている。リーンＮＯｘ浄化触媒は、排気の空燃比がリーン雰囲気であるときには排気に含まれるＮＯｘを捕捉し、その下流に排出しないようにし、排気の空燃比がリッチ雰囲気であるときにはそれまでに捕捉しておいたＮＯｘ及び新たに流入する排気に含まれるＮＯｘを還元浄化する機能がある。

リーンＮＯｘ浄化触媒で捕捉できるＮＯｘの量には限りがある。このため、リーンＮＯｘ浄化触媒を備えた排気浄化システムでは、リーンＮＯｘ浄化触媒における排気を所定期間にわたってリッチ雰囲気に維持し、リーンＮＯｘ浄化触媒におけるＮＯｘの還元浄化を促す還元処理が間欠的に行われる（例えば、特許文献１参照）。このような還元処理を間欠的に行うことにより、リーンＮＯｘ浄化触媒では、排気中のＮＯｘを捕捉する捕捉ステップと、還元処理を行うことによりそれまで捕捉したＮＯｘを還元浄化する還元浄化ステップと、が交互に実現される。

このように捕捉ステップと還元浄化ステップとを交互に実現することによってリーンＮＯｘ浄化触媒のＮＯｘ浄化性能を維持する場合、還元浄化ステップでは適切な態様で還元処理を実行することによって、リーンＮＯｘ浄化触媒に捕捉されているＮＯｘを十分に還元浄化し、そのＮＯｘ捕捉性能を十分に回復させた上で次の捕捉ステップに移行することが好ましいといえる。そこで特許文献１の発明では、リーンＮＯｘ浄化触媒の下流側にＮＯｘセンサを設けておき、還元処理の実行中にＮＯｘセンサの検出値が所定の閾値以下まで低下した場合には、リーンＮＯｘ浄化触媒に捕捉されていたＮＯｘが十分に還元浄化されたと判断し、実行中の還元処理を終了する。

特開２００７−１７０２３３号公報

上述のように従来では、リーンＮＯｘ浄化触媒に捕捉されていたＮＯｘが還元処理によって十分に還元浄化されたかどうかを判定する手段として、リーンＮＯｘ浄化触媒の下流側に設けたＮＯｘセンサが用いられる場合が多い。しかしながら実際の還元処理の実行中にＮＯｘセンサで検出されるＮＯｘ濃度は、還元処理を開始した直後にピーク値を示した後、リーンＮＯｘ浄化触媒に捕捉されていたＮＯｘの還元浄化が進行するに伴って低下し、０近傍の所定濃度を示す。

すなわち、従来の排気浄化システムでは、リーンＮＯｘ浄化触媒に捕捉されたＮＯｘが十分に還元浄化されたかどうかを判定するためには、ＮＯｘセンサの検出値と０近傍の小さな値に設定された閾値とを比較せねばならず、ＮＯｘセンサの誤差の影響を受けやすく判定精度が低い。このため、ＮＯｘセンサの検出値が閾値を下回ったと判断しても、実際のリーンＮＯｘ浄化触媒には還元浄化しきれていないＮＯｘが残留している場合もある。以下では、このように還元処理によってＮＯｘ浄化触媒に捕捉されていたＮＯｘが十分に還元浄化しきれなかった状態を、還元処理不足の状態ともいう。特に近年では、浄化性能の高いリーンＮＯｘ浄化触媒が開発されており、この場合にはＮＯｘセンサの検出値に対する閾値をさらに小さな値に設定せねばならず、上述のような還元処理不足の状態がさらに発生しやすくなる。以上のように、従来の排気浄化システムでは、還元処理の終期を適切に判断できず、還元処理不足の状態が発生し、リーンＮＯｘ浄化触媒のＮＯｘ捕捉性能を十分に回復させることができない場合がある。

本発明は、還元処理不足の状態を抑制できるように適切な態様で還元処理を行うことができる内燃機関の排気浄化システムを提供することを目的とする。

（１）内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の排気浄化システム（例えば、後述の排気浄化システム２）は、リーンバーン運転が可能な内燃機関の排気通路（例えば、後述の排気管１１）に設けられ、リーン雰囲気で排気中のＮＯｘを捕捉し、リッチ雰囲気で捕捉したＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ浄化触媒（例えば、後述のＬＮＴ触媒及びこれを担持する下流触媒コンバータ３２）を備え、当該ＮＯｘ浄化触媒における排気を所定時間継続してリッチ雰囲気にする還元処理を間欠的に実行するものである。この排気浄化システムは、前記ＮＯｘ浄化触媒の下流側の排気のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ（例えば、後述のＮＯｘセンサ３７）と、前記還元処理の実行中の前記ＮＯｘセンサによるＮＯｘ濃度の検出値を記憶する記憶手段（例えば、後述のＥＣＵ７及びバッファＰ（ｎ））と、前記記憶手段に記憶されている検出値のうち前回周期の還元処理の実行中に検出された値である前回検出値（例えば、後述の前回最大値ＰＶ＿Ｎｒｉｃｈ−１）に基づいて、今回周期（第Ｎｒｉｃｈ周期）の還元処理を継続して実行する時間であるリッチ時間（例えば、後述の図１０における時刻ｔ１〜ｔ３）及び今回周期の還元処理の実行中における排気の空燃比であるリッチ空燃比の両方又は何れかを制御する還元制御手段（例えば、後述のＥＣＵ７）と、を備え、前記還元制御手段は、前記前回検出値が大きいほど前記リッチ時間を長くするリッチ時間制御手段（例えば、後述のＥＣＵ７）及び前記前回検出値が大きいほど前記リッチ空燃比を小さくするリッチ空燃比制御手段（例えば、後述のＥＣＵ７）の両方又は何れかを備えることを特徴とする。

なお本発明でリーン雰囲気とは、ＮＯｘ浄化触媒における排気中の酸素濃度が炭化水素や一酸化炭素等の還元成分の濃度に対して相対的に高い状態をいう。このリーン雰囲気は、具体的には、例えば内燃機関における空燃比をストイキよりリーンにすることによって実現される。また本発明でリッチ雰囲気とは、ＮＯｘ浄化触媒における排気中の酸素濃度が上記還元成分の濃度に対して相対的に低い状態をいう。このリッチ雰囲気は、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の空燃比をストイキよりリッチにしたり、ポスト噴射を行ったり排気管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ＮＯｘ浄化触媒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、前記前回検出値は、前回周期の還元処理の実行中の複数の異なるタイミングにおける検出値の中の最大値であることが好ましい。

（３）この場合、前々回周期の還元処理の実行中の複数の異なるタイミングにおける検出値の中の最大値を前々回検出値（例えば、後述の前々回最大値ＰＶ＿Ｎｒｉｃｈ−２）とし、前記リッチ時間制御手段は、前記前々回検出値から前記前回検出値の増加度（例えば、後述のＮＯｘスリップ増加度Δｓｌｉｐ）が大きいほど前記リッチ時間を長くし、前記リッチ空燃比制御手段は、前記増加度が大きいほど前記リッチ空燃比を小さくすることが好ましい。

（１）本発明では、所定時間継続してリッチ雰囲気にする還元処理を間欠的に実行するとともに、ＮＯｘ浄化触媒の下流側の排気のＮＯｘ濃度をＮＯｘセンサで検出し、さらにこの検出値を記憶手段によって記憶する。そして本発明では、今回周期の還元処理におけるリッチ時間及びリッチ空燃比の両方又は何れかを、記憶手段に記憶されている検出値のうち前回周期の還元処理の実行中に検出された値である前回検出値に基づいて制御する。

ここで前回検出値を用いてリッチ時間等を制御することの意義について説明するため、ある周期の還元処理において、ＮＯｘ浄化触媒に捕捉されたＮＯｘが十分に還元浄化できなかった場合を想定する。この場合、その周期において還元浄化しきれなかったＮＯｘは、ＮＯｘ浄化触媒に捕捉されたまま、次の周期の還元処理まで還元浄化されずに持ち越されると考えられる。そして、この次の周期における還元処理においてリッチ雰囲気にすると、還元処理不足によって持ち越した分に応じた量だけ余分にＮＯｘがスリップし、ＮＯｘセンサではその分だけ高いＮＯｘ濃度の排気が検出されると考えられる。これは、過去の周期の還元処理において発生した還元処理不足の程度と、その後の周期の還元処理の実行中におけるＮＯｘスリップ量、すなわち、還元処理の実行中におけるＮＯｘセンサの検出値である前回検出値との間には相関があることを意味する。

本発明では、このような相関関係を利用して、今回周期の還元処理におけるリッチ時間及びリッチ空燃比の両方又は何れかを、上述のように過去に発生した還元処理不足の程度と相関があると考えられる前回検出値を用いて制御する。より具体的には、前回検出値が大きいほど、つまり過去に発生した還元処理不足の程度が大きく、持ち越したＮＯｘが多いと推定されるほど、リッチ時間制御手段によってリッチ時間を長くするか、リッチ空燃比制御手段によってリッチ空燃比を小さくするか、あるいは両方を用いてリッチ時間を長くしかつリッチ空燃比を小さくする。これにより本発明では、過去において還元処理不足の状態が発生した場合には、この過去に発生した還元処理不足の状態を抑制する方向へ現在の還元処理の実行態様（すなわち、リッチ時間やリッチ空燃比）を適正化できる。また本発明によれば、還元処理不足の状態を抑制するように還元処理の実行態様を適正化することにより、還元処理の終了時にはＮＯｘ浄化触媒のＮＯｘ捕捉性能を十分に回復させることができるので、還元処理の終了後、リーン雰囲気でのＮＯｘ浄化触媒によるＮＯｘ捕捉性能を高く維持することができる。

また後に図２を参照して説明するように、仮にリッチ時間やリッチ空燃比等の実行態様を一定として還元処理を繰り返し行った場合、ＮＯｘ浄化触媒には各還元処理で還元浄化しきれなかったＮＯｘが累積的にＮＯｘ浄化触媒に溜まってしまい、ＮＯｘ浄化触媒によるＮＯｘ浄化性能が徐々に低下する場合がある。これに対し本発明では、過去に発生した還元処理不足の状態を抑制する方向へ還元処理の実行態様を適正化することにより、ＮＯｘ浄化触媒におけるＮＯｘの累積的な増加を防止することができる。

（２）上述のように過去の還元処理において還元処理不足が発生した場合、これはその後の還元処理の実行中におけるＮＯｘスリップ量の増加として現れる。また、後に図２を参照して説明するように、発生した還元処理不足の程度が大きくなり、次回の還元処理に持ち越されるＮＯｘの量が多くなるほど、還元処理の実行中にＮＯｘセンサによって検出される検出値の中の最大値が大きくなる傾向がある。本発明では、これを利用して、前回周期の還元処理の実行中の複数の異なるタイミングにおける検出値の中の最大値を前回検出値とし、この前回検出値を用いてリッチ時間制御手段やリッチ空燃比制御手段によって還元処理の実行態様を適正化する。これにより、過去に発生した還元処理不足の状態をより確実に抑制する方向へ、現在の還元処理の実行態様を適正化できる。またＮＯｘセンサの検出値の最大値を前回検出値とすることにより、上述の従来の排気浄化システムようにＮＯｘセンサの検出値と小さな閾値とを比較することで還元処理の終期を判定していた場合に比べ、ＮＯｘセンサの要求精度を上げずに還元処理不足の状態を抑制できる。

（３）本発明では、前々回周期の還元処理の実行中の複数の異なるタイミングにおける検出値の中の最大値を前々回検出値とし、前々回検出値から前回検出値の増加度が大きくなるほど、すなわち前々回の周期の還元処理で前回の周期の還元処理に持ち越されるＮＯｘの量が多くなるほど、今回の周期の還元処理におけるリッチ時間を長くしたりリッチ空燃比を小さくしたりする。ここで前回検出値の比較対象となる前々回検出値を一定の値とした場合、例えばＮＯｘ浄化触媒の劣化が進行することによってその特性が変化すると、この特性の変化に応じて還元処理の実行態様を適正化することができない場合がある。これに対し本発明では、前回検出値の比較対象となる前々回検出値を、毎回、前々回周期の検出値の最大値で持ち替えることにより、ＮＯｘ浄化触媒の特性の変化に適応しながら、常に還元処理不足の発生が抑制されるように還元処理の実行態様を適正化することができる。

本発明の一実施形態に係るエンジン及びその排気浄化システムの構成を示す図である。 リーンバーン運転を行っている間に還元処理を間欠的に行った場合におけるＬＮＴ触媒の前後のＮＯｘ濃度の変化を示す図である。 ＬＮＴ触媒の還元処理を実行するタイミング及びその実行態様を決定する手順を示すフローチャートである。 初期設定処理の具体的な手順を示すフローチャートである。 実効リッチ時間延長係数マップの一例を示す図である。 基準空燃比設定マップの一例を示す図である。 基準時間設定マップの一例を示す図である。 実効リッチ時間上限設定マップの一例を示す図である。 ＮＯｘスリップ記憶処理の具体的な手順を示すフローチャートである。 図３のフローチャートに従ってＬＮＴ触媒の還元処理を行った場合の一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について、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及びその排気浄化システム２の構成を示す図である。排気浄化システム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」との略称を用いる）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バーン運転を基本とし、アクセルペダルが大きく踏み込まれた時などの高負荷運転時には燃焼空燃比をストイキ近傍とする所謂ストイキ運転を間欠的に行うもの、より具体的には例えばディーゼルエンジンやリーンバーンガソリンエンジン等であるが、これに限るものではない。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からの制御信号に応じて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と、下流触媒コンバータ３２と、温度センサ３３と、空燃比センサ３５と、Ｏ_２センサ３６と、ＮＯｘセンサ３７と、を備える。

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ＰｄやＰｔ等の貴金属を含む三元触媒を担持して構成される。三元触媒は、排気の空燃比がストイキ近傍に制御されると、排気に含まれるＨＣ，ＣＯ及びＮＯｘを三元浄化反応によって合せて浄化する。また三元触媒は、排気の空燃比がリーン雰囲気に制御されると、排気に含まれるＨＣ及びＣＯを酸化することによってこれらを浄化する。

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、この基材に排気中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒としてのＬＮＴ触媒を担持して構成される。ＬＮＴ触媒は、排気の空燃比がリーン雰囲気であるときに排気に含まれるＮＯｘを吸着し、排気の空燃比がリッチ雰囲気であるときに排気中のＨＣやＣＯを還元剤として、リーン雰囲気時に吸着しておいたＮＯｘ及び新たに流入するＮＯｘを還元することによってこれを浄化する。

このリーン雰囲気においてＬＮＴ触媒で吸着できるＮＯｘの量には限りがあり、またＮＯｘ吸着量が多くなるほど、ＬＮＴ触媒におけるＮＯｘの吸着効率も低下する傾向がある。そこでＥＣＵ７では、後に図３等を参照して説明するように、ＬＮＴ触媒における排気の空燃比を所定時間継続してリッチ雰囲気にする還元処理を間欠的に実行しており、これによりＬＮＴ触媒におけるＮＯｘの吸着効率を高く維持している。

温度センサ３３は、例えば、排気管１１のうち下流触媒コンバータ３２の上流側に設けられる。温度センサ３３は、下流触媒コンバータ３２に流入する排気の温度を検出し、検出値に応じた信号をＥＣ７に送信する。ＥＣＵ７では、この温度センサ３３の出力信号に基づいて、下流触媒コンバータ３２に担持されているＬＮＴ触媒の温度（以下、単に「触媒温度」ともいう）を算出する。

空燃比センサ３５は、例えば、排気管１１のうち上流触媒コンバータ３１の上流側に設けられる。空燃比センサ３５は、上流触媒コンバータ３１に流入する排気の酸素濃度（空燃比）に略比例した検出信号をＥＣＵ７へ送信する。空燃比センサ３５には、その出力信号が、検出箇所における空燃比に略比例したリニアな特性を有する所謂ＬＡＦセンサが用いられる。

Ｏ_２センサ３６は、例えば、排気管１１のうち下流触媒コンバータ３２の下流側に設けられる。Ｏ_２センサ３６は、下流触媒コンバータ３２の下流側の排気の酸素濃度（空燃比）を検出し、検出値に応じた検出信号をＥＣＵ７へ送信する。このＯ_２センサ３６から出力される検出信号のレベルは、検出箇所における排気の空燃比がストイキよりリッチであるときにはハイ（例えば、１）になり、ストイキよりリーンであるときにはロー（例えば、０）になるような略２値的な特性がある。以下では、Ｏ_２センサ３６の検出信号がロー（リーン側）からハイ（リッチ側）に切り替わることを、Ｏ_２センサ３６の出力の反転、ともいう。

ＮＯｘセンサ３７は、例えば、排気管１１のうち下流触媒コンバータ３２の下流側に設けられる。ＮＯｘセンサ３７は、下流触媒コンバータ３２から流出する排気中のＮＯｘ濃度に応じた検出信号をＥＣＵ７へ送信する。

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３、図４、図９等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、及び後述の図５〜図８のマップ等の各種データを記憶する記憶領域や、ＮＯｘセンサ３７の検出値を記憶する後述のバッファＰ（ｎ）（ｎは整数）等が設けられたＲＡＭやＲＯＭ等で構成されるマイクロコンピュータである。

次に、下流触媒コンバータ３２に担持されているＬＮＴ触媒におけるリーン雰囲気及びリッチ雰囲気でのＮＯｘ浄化特性について、図２を参照しながら詳細に説明する。

図２は、所定の運転条件の下でリーンバーン運転を行っている間に、時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５において還元処理を間欠的に行った場合におけるＬＮＴ触媒の前後のＮＯｘ濃度の変化を示す図である。図２には、ＬＮＴ触媒の前のＮＯｘ濃度を破線で示し、ＬＮＴ触媒の後ろのＮＯｘ濃度を実線で示す。なお、各時刻ｔ１〜ｔ５において行った還元処理の実施態様、すなわち還元処理の実行中における排気の空燃比及び還元処理を継続して行う時間は何れも所定値で一定としている。また図２の例では、各還元処理において意図的に還元処理不足の状態が発生するよう、還元処理の実行中における排気の空燃比は還元処理不足が発生しないように定められた理想の空燃比よりもやや大きめ（ややリーン側）に設定し、また還元処理を継続して行う時間も上記のような理想の時間よりもやや短めに設定した。

図２に示すように、時刻ｔ０〜ｔ１及び時刻ｔ１〜ｔ２等、リーンバーン運転を行っている間における排気のＮＯｘ濃度は、ＬＮＴ触媒の前よりも後ろの方が低い。これはリーン雰囲気における排気中のＮＯｘは、ＬＮＴ触媒に吸着されることを意味する。

また時刻ｔ１，ｔ２等において還元処理を実行すると、図２に示すようにＬＮＴ触媒の後ろのＮＯｘ濃度が一時的に高くなる。これは還元処理を行い、ＬＮＴ触媒における排気の空燃比をリッチ雰囲気にすることにより、リーンバーン運転中に貯蔵しておいたＮＯｘの一部がＬＮＴ触媒上で還元浄化しきれずにその下流側へスリップすることを意味する。

ここで各時刻ｔ１〜ｔ５では、意図的に還元処理不足の状態が発生するように還元処理が実行される。このため、時刻ｔ１の還元処理で還元浄化しきれなかったＮＯｘは、次の時刻ｔ２における還元処理まで持ち越され、また時刻ｔ２の還元処理で還元浄化しきれなかったＮＯｘは、次の時刻ｔ３における還元処理まで持ち越される。すなわち、各時刻ｔ１〜ｔ５における還元処理では、各時刻の還元処理で還元浄化できなかったＮＯｘが累積的に増加する。このため、図２に示すように、各時刻ｔ１〜ｔ５の還元処理の実行中にＬＮＴ触媒の下流側へスリップするＮＯｘの量も累積的に増加する傾向がある。これはすなわち、過去の周期の還元処理において発生した還元処理不足の程度と、その後の周期の還元処理の実行中におけるＮＯｘスリップ量、すなわち還元処理の実行中におけるＮＯｘセンサの検出値との間には相関があることを意味する。

また図２に示すように、ＮＯｘスリップ量の累積的な増加は、特に、還元処理の実行中にＬＮＴ触媒の下流側に設けられたＮＯｘセンサによって検出されるＮＯｘ濃度の検出値の最大値の増加として最も顕著に表れる。これはすなわち、発生した還元処理不足の程度が大きくなり、次回の還元処理に持ち越されるＮＯｘの量が多くなるほど、還元処理の実行中におけるＮＯｘセンサの検出値の最大値が大きくなる傾向があることを意味する。以下に示す図３の処理は、このように過去の還元処理不足の発生と、還元処理の実行中におけるＮＯｘセンサの検出値の最大値との間で認められる相関関係を利用して構築された処理である。

図３は、ＬＮＴ触媒の還元処理を実行するタイミング及びその実行態様を決定する手順を示すフローチャートである。図３の処理は、例えば、イグニッションスイッチがオンにされエンジンが始動したことに応じてＥＣＵにおいて所定の制御周期毎に実行される。

始めにＳ１では、ＥＣＵは、還元リッチフラグＦ＿ｒｉｃｈが１であるか否かを判定する。このフラグＦ＿ｒｉｃｈは、現在、ＬＮＴ触媒の還元処理の実行が要求されていることを示すフラグである。フラグＦ＿ｒｉｃｈは、後述のＳ４において１にセットされ、その後Ｓ１２において０にリセットされるようになっている。

Ｓ１の判定がＮＯである場合、ＥＣＵは、Ｓ２に移り、ＬＮＴ触媒の還元処理を開始する時期に達したか否かを判定する。還元処理を開始する時期に達したか否かは、例えば、ＥＣＵにおいて、ＬＮＴ触媒に吸着されているＮＯｘの量を推定し、この推定したＮＯｘ吸着量が所定量を超えたか否かによって判定することができる。またＬＮＴ触媒に吸着されているＮＯｘの量は、例えば、エンジンの運転状態から推定したＬＮＴ触媒へのＮＯｘ流入量と、ＮＯｘセンサを用いて算出されるＬＮＴ触媒の下流側へのＮＯｘ排出量との差を用いることによって算出することができる。Ｓ２の判定がＮＯである場合、ＥＣＵは、Ｓ３に移り、リーンバーン運転を行うか又は運転者の要求に応じてストイキ運転を行い、この処理を終了する。

Ｓ２の判定がＹＥＳである場合、ＥＣＵは、Ｓ４に移り、還元リッチフラグＦ＿ｒｉｃｈの値を１にセットし、ＬＮＴ触媒の還元処理の実行が要求されている状態であることを明示し、Ｓ５に移る。これにより、次の制御周期以降では、Ｓ１における判定がＹＥＳとなり、所定期間にわたりＬＮＴ触媒におけるＮＯｘの還元浄化を促す還元処理が実行される。

Ｓ５では、ＥＣＵは、整数であるリッチ回数カウンタＮｒｉｃｈに１を加算し、Ｓ６に移る。このカウンタＮｒｉｃｈは、例えば、フラグＦ＿ｒｉｃｈの値が上述のＳ４において１にセットされ、これに応じて還元処理を開始してから、その後、後述のＳ１２においてフラグＦ＿ｒｉｃｈの値が０にリセットされ、これに応じて複数回の制御周期に亘り継続して行われた還元処理を終了するまでを還元処理の単位周期と定義したときに、現在実行中の還元処理の周期数を計数するものである。

Ｓ６では、ＥＣＵは、図４に示す還元処理の初期設定を行うことによって、今回周期（すなわち、第Ｎｒｉｃｈ周期）の還元処理の実行態様を決定した後、Ｓ１０に移り、還元処理を開始する。

図４は、初期設定処理の具体的な手順を示すフローチャートである。

始めにＳ２１では、ＥＣＵは、ポインタ（Ｎｒｉｃｈ−１）及び（Ｎｒｉｃｈ−２）によって特定されるバッファＰ（Ｎｒｉｃｈ−１）及びＰ（Ｎｒｉｃｈ−２）の各々に格納されている値ＰＶ＿Ｎｒｉｃｈ−１，ＰＶ＿Ｎｒｉｃｈ−２を読み込み、これらを前回最大値及び前々回最大値として、Ｓ２２に移る。ここで、バッファＰ（ｎ）（ｎは整数）は、ＥＣＵに設けられた記憶領域である。また後に図９を参照して説明するＮＯｘスリップ記憶処理によれば、各バッファＰ（ｎ）には、過去に行った第ｎ周期の還元処理の実行中の複数の異なるタイミングにおけるＮＯｘセンサによるＮＯｘ濃度の検出値の中の最大値が格納されるようになっている。従って現在実行中の還元処理を第Ｎｒｉｃｈ周期とした場合、Ｓ２１において読み込まれる前回最大値ＰＶ＿Ｎｒｉｃｈ−１は、前回周期（第Ｎｒｉｃｈ−１周期）の還元処理の実行中のＮＯｘセンサによるＮＯｘ濃度の検出値の最大値である。また、前々回最大値ＰＶ＿Ｎｒｉｃｈ−２は、前々回周期（第Ｎｒｉｃｈ−２周期）の還元処理の実行中のＮＯｘセンサによるＮＯｘ濃度の検出値の最大値である。

Ｓ２２では、ＥＣＵは、Ｓ２１で取得した前回最大値ＰＶ＿Ｎｒｉｃｈ−１から前々回最大値ＰＶ＿Ｎｒｉｃｈ−２を減算することにより、ＮＯｘスリップ増加度Δｓｌｉｐを算出し、Ｓ２３に移る。ここでＮＯｘスリップ増加度Δｓｌｉｐが正である場合とは、前回最大値ＰＶ＿Ｎｒｉｃｈ−１が前々回最大値ＰＶ＿Ｎｒｉｃｈ−２よりも大きな場合であるから、図２を参照して説明したように、過去の還元処理で還元処理不足の状態が発生することにより、還元浄化できずに持ち越されたＮＯｘの量が増加傾向にあることを意味する。

Ｓ２３では、ＥＣＵは、算出したＮＯｘスリップ増加度Δｓｌｉｐを用いて、例えば所定の実効リッチ時間延長係数マップを検索することによって、実効リッチ時間延長係数Ｋｅｘｔの値を算出し、Ｓ２４に移る。この実効リッチ時間延長係数Ｋｅｘｔは、今回周期の還元処理を継続して実行する時間であるリッチ時間のうち、ＬＮＴ触媒が実際にリッチ雰囲気に晒されておりＬＮＴ触媒におけるＮＯｘの還元浄化が実際に進行していると考えられる実効リッチ時間を、後述の基準時間に対し増減補正するために用いられる係数であり、０より大きな実数である。

図５は、実効リッチ時間延長係数マップの一例を示す図である。図５のマップによれば、ＮＯｘスリップ増加度Δｓｌｉｐが０である場合には、係数Ｋｅｘｔは１に設定され、増加度Δｓｌｉｐが正である場合には、係数Ｋｅｘｔは１より大きな値に設定され、増加度Δｓｌｉｐが負である場合には、係数Ｋｅｘｔは１より小さくかつ０より大きな値に設定される。また増加度Δｓｌｉｐが正である場合、係数Ｋｅｘｔは、１より大きな範囲内において、増加度Δｓｌｉｐが大きくなるほど大きな値に設定される。また増加度Δｓｌｉｐが負である場合、係数Ｋｅｘｔは、０より大きくかつ１より小さな範囲内において、増加度Δｓｌｉｐが小さくなるほど小さな値に設定される。

図４に戻りＳ２４では、ＥＣＵは、ＬＮＴ触媒の温度ＴＬＮＴを取得し、この触媒温度ＴＬＮＴに基づいて、例えば所定の基準空燃比設定マップを検索することによって、還元処理の実行中における排気の空燃比の目標に相当するリッチ空燃比の基準となる基準空燃比ＫＣＭＤＲの値を算出し、Ｓ２５に移る。

図６は、基準空燃比設定マップの一例を示す図である。図６のマップによれば、基準空燃比ＫＣＭＤＲは、ストイキよりリッチの範囲内において、触媒温度ＴＬＮＴが高くなるほどリッチになるように設定される。これは、触媒温度が高くなるほどＬＮＴ触媒におけるＮＯｘの還元性能が低下する傾向があることを反映させたものである。

図４に戻りＳ２５では、ＥＣＵは、触媒温度ＴＬＮＴに基づいて、例えば所定の基準時間設定マップを検索することによって、実効リッチ時間に対する基準となる基準時間Ｔｉｍ＿ｂｓの値を算出し、Ｓ２６に移る。

図７は、基準時間設定マップの一例を示す図である。図７のマップによれば、基準時間Ｔｉｍ＿ｂｓは、触媒温度ＴＬＮＴが高くなるほど長くなるように設定される。これは、触媒温度が高くなるほどＬＮＴ触媒におけるＮＯｘ還元性能が低下する傾向があることを反映させたものである。

図４に戻りＳ２６では、ＥＣＵは、Ｓ２５で算出した基準時間Ｔｉｍ＿ｂｓに延長係数Ｋｅｘｔを乗算することによって実効リッチ時間Ｔｉｍ＿ｒｉｃｈを算出し、Ｓ２７に移る。図５を参照して説明したように、ＮＯｘスリップ増加度Δｓｌｉｐが正である場合、すなわち前々回最大値ＰＶ＿Ｎｒｉｃｈ−２よりも前回最大値ＰＶ＿Ｎｒｉｃｈ−１が大きい場合、延長係数Ｋｅｘｔは１よりも大きな値に設定される。このため、実効リッチ時間Ｔｉｍ＿ｒｉｃｈは、前回最大値ＰＶ＿Ｎｒｉｃｈ−１が前々回最大値ＰＶ＿Ｎｒｉｃｈ−２に対し大きいほど基準時間Ｔｉｍ＿ｂｓに対し長く設定される。また実効リッチ時間Ｔｉｍ＿ｒｉｃｈは、前回最大値ＰＶ＿Ｎｒｉｃｈ−１が前々回最大値ＰＶ＿Ｎｒｉｃｈ−２に対し小さいほど基準時間Ｔｉｍ＿ｂｓに対し短く設定される。

Ｓ２７では、ＥＣＵは、触媒温度ＴＬＮＴに基づいて、例えば所定の実効リッチ時間上限設定マップを検索することによって、実効リッチ時間に対する上限となる上限時間Ｔｉｍ＿ｒｉｃｈ＿ｌｉｍの値を算出し、Ｓ２８に移る。

図８は、実効リッチ時間上限設定マップの一例を示す図である。図８のマップによれば、上限時間Ｔｉｍ＿ｒｉｃｈ＿ｌｉｍは、触媒温度ＴＬＮＴに対し上に凸の特性がある。これは、ＬＮＴ触媒で吸着できるＮＯｘの量の上限が、触媒温度ＴＬＮＴに対し上に凸の特性があることを反映させたものである。すなわち、ＬＮＴ触媒で吸着できるＮＯｘの量が少なくなる低温又は高温領域では、吸着できるＮＯｘの量が多くなる中温領域と比較して、短時間で吸着されているＮＯｘを還元浄化することができる。このため、上限時間Ｔｉｍ＿ｒｉｃｈ＿ｌｉｍの温度特性は、ＬＮＴ触媒で吸着できるＮＯｘ量の上限の温度特性と同じにすることができる。

図４に戻り、Ｓ２８では、ＥＣＵは、Ｓ２６で算出した実効リッチ時間Ｔｉｍ＿ｒｉｃｈがＳ２７で算出した上限時間Ｔｉｍ＿ｒｉｃｈ＿ｌｉｍより大きいか否かを判定する。Ｓ２８の判定がＹＥＳである場合には、上限時間Ｔｉｍ＿ｒｉｃｈ＿ｌｉｍをリッチタイマの初期値として設定した後（Ｓ２９参照）、図４の初期設定処理を終了し、図３のＳ１０に移る。またＳ２８の判定がＮＯである場合には、Ｓ２６で算出した実効リッチ時間Ｔｉｍ＿ｒｉｃｈをリッチタイマの初期値として設定した後（Ｓ３０参照）、図４の初期設定処理を終了し、図３のＳ１０に移る。なお、ここで設定されたリッチタイマの値は、還元処理を開始した後、ＬＮＴ触媒の下流側に設けられたＯ_２センサの出力が反転してから、すなわちＬＮＴ触媒における排気の空燃比が実際にリッチ雰囲気になり、ＬＮＴ触媒においてＮＯｘの還元浄化が進行すると考えられる状態になってから減算される（図３のＳ８参照）。したがってここで設定されるリッチタイマの初期値は、今回周期において還元処理を継続して行う全体のリッチ時間のうち、ＬＮＴ触媒における排気の空燃比がリッチ雰囲気になった状態で還元処理を継続して行う実効リッチ時間に相当する。したがって実効リッチ時間を増減すると、その分だけ全体のリッチ時間も増減する。

図３に戻り、Ｓ１０では、ＥＣＵは、アフター噴射やポスト噴射等を実行することにより、ＬＮＴ触媒に流入する排気の空燃比をリッチ雰囲気にする還元処理を行い、Ｓ１１に移る。より具体的には、ＥＣＵは、図４の初期設定処理において定めた基準空燃比ＫＣＭＤＲを目標空燃比として、例えば空燃比センサを用いたフィードバック制御によって、ＬＮＴ触媒に流入する排気の空燃比を目標空燃比に制御する。

Ｓ１１では、ＥＣＵは、還元処理の実行中におけるＮＯｘスリップを検出し、記憶するＮＯｘスリップ記憶処理を実行し、この処理を終了する。

図９は、ＮＯｘスリップ記憶処理の具体的な手順を示すフローチャートである。
始めにＳ３１では、ＥＣＵは、ＮＯｘセンサによるＬＮＴ触媒の下流側のＮＯｘ濃度の検出値ＮＯｘ＿ｓｅｎｓを取得し、Ｓ３２に移る。

Ｓ３２では、ＥＣＵは、現在実行中の還元処理の周期数Ｎｒｉｃｈをポインタとして特定されるバッファＰ（Ｎｒｉｃｈ）に格納されている値ＰＶ＿ＮｒｉｃｈとＳ３１で取得した検出値ＮＯｘ＿ｓｅｎｓとを比較し、検出値ＮＯｘ＿ｓｅｎｓが格納値ＰＶ＿Ｎｒｉｃｈより大きいか否かを判定する。なお、バッファＰ（ｎ）（ｎは整数）に格納されている値ＰＶ＿ｎの初期値は０とする。

Ｓ３２の判定がＹＥＳの場合、ＥＣＵは、バッファＰ（Ｎｒｉｃｈ）の格納値ＰＶ＿Ｎｒｉｃｈを検出値ＮＯｘ＿ｓｅｎｓで上書きし（Ｓ３３参照）、この処理を終了する。またＳ３２の判定がＮＯである場合には、バッファＰ（Ｎｒｉｃｈ）の格納値ＰＶ＿Ｎｒｉｃｈを維持したまま、この処理を終了する。以上のような図９のＮＯｘスリップ記憶処理を還元処理の実行中に複数回繰り返し実行することにより、還元処理が終了した後には、バッファＰ（Ｎｒｉｃｈ）には、第Ｎｒｉｃｈ周期の還元処理の実行中の複数の異なるタイミングにおけるＮＯｘセンサによるＮＯｘ濃度の検出値の中の最大値が記憶される。またこのＮＯｘスリップ記憶処理によってバッファＰ（Ｎｒｉｃｈ）に記憶された最大値は、次回周期である第Ｎｒｉｃｈ＋１周期以降の還元処理の初期設定処理（Ｓ６参照）において参照される。

図３に戻り、Ｓ１の判定がＹＥＳである場合には、すなわちＳ４において還元リッチフラグＦ＿ｒｉｃｈが１にセットされ、Ｓ６における初期設定処理が完了し、Ｓ１０の還元処理が開始した後である場合には、ＥＣＵは、Ｓ７に移る。Ｓ７では、ＥＣＵは、還元処理を開始してからＬＮＴ触媒の下流側に設けられたＯ_２センサの出力が反転したか否かを判定する。Ｓ７の判定がＮＯである場合には、ＥＣＵは、Ｓ１０に移り、上述のように還元処理を継続する。Ｓ７の判定がＹＥＳである場合には、ＥＣＵは、Ｓ８に移る。

Ｓ８では、ＥＣＵは、Ｓ６の初期設定処理でその初期値が設定されたリッチタイマの値を、前回制御周期から今回制御周期にかけて経過した時間だけ減算し、Ｓ９に移る。Ｓ９では、ＥＣＵは、リッチタイマの値が０以下であるか否か、すなわち、還元処理を開始し、Ｏ_２センサの出力が反転してからＳ６の初期設定処理で設定した実効リッチ時間Ｔｉｍ＿ｒｉｃｈ又はその上限時間Ｔｉｍ＿ｒｉｃｈ＿ｌｉｍが経過したか否かを判定する。Ｓ９の判定がＮＯである場合には、ＥＣＵは、Ｓ１０に移り、上述のように還元処理を継続する。Ｓ９の判定がＹＥＳである場合には、ＥＣＵは、還元処理が終了したと判断し、還元リッチフラグＦ＿ｒｉｃｈを０にリセットした後（Ｓ１２参照）、リーンバーン運転を行うか又は運転者の要求に応じてストイキ運転を行い、この処理を終了する（Ｓ３参照）。

図１０は、図３のフローチャートに従ってＬＮＴ触媒の還元処理を行った場合の一例を示すタイムチャートである。図１０には、上段から下段へ向かって順にＯ_２センサの出力、リッチタイマの値、及び目標空燃比［Ａ／Ｆ］を示す。

始めに、時刻ｔ０からｔ１までの間では、リーンバーン運転が行われる。この間、ＬＮＴ触媒にはリーン雰囲気の排気が流入し、排気中のＮＯｘがＬＮＴ触媒に吸着される。

時刻ｔ１では、ＬＮＴ触媒に吸着されるＮＯｘが所定量を超えたことに応じて、ＬＮＴ触媒の還元処理を開始する時期に達したと判定され（図３のＳ２参照）、第Ｎｒｉｃｈ周期の還元処理の初期設定処理が実行され（図３のＳ６参照）、この初期設定の下で第Ｎｒｉｃｈ周期の還元処理が開始される（図３のＳ１０参照）。この初期設定処理では、リッチタイマの初期値である実効リッチ時間Ｔｉｍ＿ｒｉｃｈは、触媒温度ＴＬＮＴを用いて設定された基準時間Ｔｉｍ＿ｂｓに、過去に行われた第Ｎｒｉｃｈ−１周期及び第Ｎｒｉｃｈ−２周期の還元処理の実行中のＮＯｘセンサによるＮＯｘ濃度の検出値の最大値である前回最大値及び前々回最大値を用いて算出された実効リッチ時間延長係数Ｋｅｘｔを乗算することによって算出される（図４の初期設定処理参照）。またこの初期設定処理では、還元処理中の目標空燃比ＫＣＭＤＲは、ストイキよりリッチの範囲内において触媒温度ＴＬＮＴに応じて設定される（図４の初期設定処理参照）。

時刻ｔ１において第Ｎｒｉｃｈ周期の還元処理を開始し、ＬＮＴ触媒へのリッチ雰囲気の排気の流入を開始した後、時刻ｔ２では、Ｏ_２センサの出力がロー（リーン側）からハイ（リッチ側）へ反転したと判定される（図３のＳ７参照）。すなわち、時刻ｔ２においてＬＮＴ触媒における排気の空燃比がリッチ雰囲気になり、これによりＬＮＴ触媒に吸着されていたＮＯｘの還元及び浄化が開始する。また時刻ｔ２においてＯ_２センサの出力が反転したことに応じて、リッチタイマの減算が開始する（図３のＳ８参照）。

その後、時刻ｔ３においてリッチタイマの値が０以下になったと判定されたことに応じて（図３のＳ９参照）、すなわち上述のように設定した実効リッチ時間が経過したことに応じて、第Ｎｒｉｃｈ周期の還元処理が終了し、再びリーンバーン運転に復帰する。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限らない。
例えば上記実施形態では、前回最大値ＰＶ＿Ｎｒｉｃｈ−１が前々回最大値ＰＶ＿Ｎｒｉｃｈ−２よりも大きいほど、実効リッチ時間Ｔｉｍ＿ｒｉｃｈを基準時間Ｔｉｍ＿ｂｓよりも長くし、これにより第Ｎｒｉｃｈ周期の還元処理における全体のリッチ時間を基準時間Ｔｉｍ＿ｂｓによって定められる時間よりも長くしたが、本発明はこれに限らない。例えば、前回最大値ＰＶ＿Ｎｒｉｃｈ−１が前々回最大値ＰＶ＿Ｎｒｉｃｈ−２よりも大きいほど、第Ｎｒｉｃｈ周期の還元処理における目標空燃比を、基準空燃比ＫＣＭＤＲよりも小さく、すなわち基準空燃比ＫＣＭＤＲよりもリッチ側に変更するようにしてもよい。また、例えば、前回最大値ＰＶ＿Ｎｒｉｃｈ−１が前々回最大値ＰＶ＿Ｎｒｉｃｈ−２よりも大きいほど、第Ｎｒｉｃｈ周期の還元処理におけるリッチ時間を長くしかつ目標空燃比をリッチ側に変更してもよい。

１…エンジン（内燃機関）
１１…排気管（排気通路）
２…排気浄化システム
３２…下流触媒コンバータ（ＮＯｘ浄化触媒）
３７…ＮＯｘセンサ
７…ＥＣＵ（記憶手段、還元制御手段、リッチ時間制御手段、リッチ空燃比制御手段）

Claims (3)

1. リーンバーン運転が可能な内燃機関の排気通路に設けられ、リーン雰囲気で排気中のＮＯｘを捕捉し、リッチ雰囲気で捕捉したＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ浄化触媒を備え、当該ＮＯｘ浄化触媒における排気を所定時間継続してリッチ雰囲気にする還元処理を間欠的に実行する内燃機関の排気浄化システムであって、
   前記ＮＯｘ浄化触媒の下流側の排気のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサと、
   前記還元処理の実行中の前記ＮＯｘセンサによるＮＯｘ濃度の検出値を記憶する記憶手段と、
   前記記憶手段に記憶されている検出値のうち前回周期の還元処理の実行中に検出された値である前回検出値に基づいて、今回周期の還元処理を継続して実行する時間であるリッチ時間及び今回周期の還元処理の実行中における排気の空燃比であるリッチ空燃比の両方又は何れかを制御する還元制御手段と、を備え、
   前記還元制御手段は、前記前回検出値が大きいほど前記リッチ時間を長くするリッチ時間制御手段及び前記前回検出値が大きいほど前記リッチ空燃比を小さくするリッチ空燃比制御手段の両方又は何れか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. 前記前回検出値は、前回周期の還元処理の実行中の複数の異なるタイミングにおける検出値の中の最大値であ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. 前々回周期の還元処理の実行中の複数の異なるタイミングにおける検出値の中の最大値を前々回検出値とし、前記リッチ時間制御手段は、前記前々回検出値から前記前回検出値の増加度が大きいほど前記リッチ時間を長くし、前記リッチ空燃比制御手段は、前記増加度が大きいほど前記リッチ空燃比を小さくする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システム。

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