JP2018044454A - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】ドライバによる運転態様によらず安定して還元処理の実行に伴う燃費の悪化を抑制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、運転モードをリーンバーン運転及びストイキ運転で切り替える運転モード切替手段と、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触媒と、ＮＯｘ吸着量を推定するＮＯｘ吸着量推定手段と、ＮＯｘ吸着量が閾値Ｔｈ＿ｆｉｎａｌを超えた場合には、ＬＮＴ触媒における排気をリッチ雰囲気にする還元処理を開始する還元制御手段と、を備える。還元制御手段は、ストイキ運転の実行中は、リーンバーン運転の実行中に参照される基本閾値Ｔｈ＿ｌｅａｎよりも小さな基本閾値Ｔｈ＿ｓｔｏｉｃを参照することにより、閾値Ｔｈ＿ｆｉｎａｌをリーンバーン運転の実行中よりも小さく設定する。【選択図】図５

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化システムに関する。より詳しくは、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ＮＯｘ浄化触媒を備える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適宜行われる（例えば、特許文献１参照）。

ところで還元処理では排気の空燃比をリッチ雰囲気まで下げる必要があるため、還元処理には余分な燃料の消費が伴う。またこの還元処理に伴う余分な燃料の消費量は、還元処理を行う際における排気の空燃比が高いほど多くなる。そこで特許文献１の排気浄化システムでは、内燃機関における燃料噴射量が所定燃料増加率以上の増加率で所定燃料増加量以上増加した場合、すなわち内燃機関の運転状態が加速運転状態である場合に、還元処理を実行する。特許文献１の排気浄化システムでは、このような運転状態、すなわち排気の空燃比が低くなる状態を選んで還元処理を実行することにより、還元処理に伴う燃料の消費量を抑制する。

特開２００８−３８６２６号公報

しかしながら特許文献１の排気浄化システムのように、特定の運転状態でのみ還元処理を実行すると、還元処理の１回当たりの余分な燃料消費量を抑制できるものの、短時間の還元処理の実行頻度が増えてしまい、かえって燃費が悪化する場合もある。また特許文献１の排気浄化システムでは、燃料噴射量の増加率に着目しているため、例えば登坂時のような加速後の高負荷運転時は、還元処理に伴う燃費の悪化度合いが低いにも関わらず、還元処理が実行されない場合もあるため、燃費の悪化を十分に抑制できないおそれもある。

本発明は、ドライバによる運転態様によらず安定して還元処理の実行に伴う燃費の悪化を抑制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、少なくともリーンバーン運転及びストイキ運転が可能な内燃機関（例えば、後述のエンジン１）と、ドライバ要求及び前記内燃機関の運転状態に基づいて前記内燃機関の運転モードを前記リーンバーン運転及び前記ストイキ運転で切り替える運転モード切替手段（例えば、後述のＥＣＵ７）と、前記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、後述の下流触媒コンバータ３２及びＬＮＴ触媒）と、前記ＮＯｘ浄化触媒におけるＮＯｘ捕捉量を推定するＮＯｘ捕捉量推定手段（例えば、後述のＥＣＵ７）と、前記ＮＯｘ捕捉量（例えば、後述のＮＯｘ吸着量ΣＮＯｘ）が閾値（例えば、後述のリッチ判定閾値Ｔｈ＿ｆｉｎａｌ）を超えた場合には、前記ＮＯｘ浄化触媒における排気をリッチ雰囲気にする還元処理を開始する還元制御手段（例えば、後述のＥＣＵ７）と、を備える。前記還元制御手段は、前記ストイキ運転の実行中は前記リーンバーン運転の実行中よりも前記閾値を小さく設定す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、前記還元制御手段は、前記ストイキ運転の実行中でありかつ前記内燃機関の運転状態が過渡状態である場合には、前記ＮＯｘ捕捉量が前記閾値を超えても前記還元処理を開始しないことが好ましい。

（１）本発明の排気浄化システムでは、内燃機関の運転モードをドライバ要求に応じてリーンバーン運転とストイキ運転とで切り替えながら、ＮＯｘ浄化触媒におけるＮＯｘ捕捉量を推定し、このＮＯｘ捕捉量が閾値を超えた場合にはＮＯｘ浄化触媒における排気をリッチ雰囲気にする還元処理を開始する。また本発明の排気浄化システムでは、ストイキ運転の実行中はリーンバーン運転の実行中よりも、上述のＮＯｘ捕捉量に対する閾値を小さく設定する。これにより本発明では、還元処理の実行に伴う燃費の悪化度合いが比較的低いストイキ運転の実行中は、還元処理の実行に伴う燃費の悪化度合いが比較的高いリーンバーン運転の実行中よりも、還元処理が実行されやすくなるため、還元処理の実行に伴う燃費の悪化を防止できる。また本発明では、上述のように運転モードに応じて閾値を持ち替えることにより、リーンバーン運転の実行中はストイキ運転の実行中よりも還元処理が実行されにくくなるものの、それでもＮＯｘ捕捉量が閾値を超えた状態が継続することはないため、リーンバーン運転が長時間にわたり継続して行われた場合でもＮＯｘ浄化触媒によるＮＯｘ浄化性能が過度に低下することはない。また特許文献１の排気浄化システムでは、燃料噴射量の増加率に高くなる特定の運転状態を選んで還元処理を実行することにより、後に図１０を参照して説明するように、加速中に還元処理に伴う燃費の向上に十分に寄与しない領域（より具体的には、リーンバーン運転が実行される領域）で還元処理が実行される場合もあるが、本発明では運転モードに応じて閾値を持ち替えることにより、このような燃費の向上に寄与しない領域における還元処理の実行を極力抑制できる。

（２）本発明の排気浄化システムでは、ストイキ運転の実行中でありかつ内燃機関の運転状態が過渡状態である場合、すなわち内燃機関の燃料噴射量や車速の増減が大きい場合には、ＮＯｘ捕捉量が閾値を超えていても還元処理を開始しない。後に図１０を参照して説明するように、運転状態が過渡状態である場合、還元処理を開始する時点では内燃機関の運転モードがストイキ運転であっても、その後一時的にリーンバーン運転に切り替わる場合がある。この場合、還元処理を開始した後、還元処理を実行している間に運転モードがリーンバーン運転に切り替わることにより、還元処理による燃料の消費量が結果として増加するおそれがある。これに対し本発明の排気浄化システムでは、ストイキ運転の実行中でありかつ運転状態が過渡状態である場合には、還元処理の開始を禁止することにより、上述のようにその後運転モードが切り替わることによる燃費の悪化を抑制できる。

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。 ＬＮＴ触媒の還元制御処理の具体的な手順を示すフローチャートである。 ＬＮＴ触媒の還元制御処理の具体的な手順を示すフローチャートである。 ストイキ運転条件判断処理の具体的な手順を示すフローチャートである。 運転モード決定マップの一例を示す図である。 基本閾値マップの一例を示す図である。 吸着量補正係数マップの一例を示す図である。 初期設定処理の具体的な手順を示す図である。 目標空燃比設定マップの一例を示す図である。 許容空気量設定マップの一例を示す図である。 図４の運転モード決定マップに、車両の加速時に経由すると思われる３つの運転ポイントをプロットした図である。

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、エアフローメータ３６と、クランク角度位置センサ３７と、アクセル開度センサ３８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２Ａ及び図２Ｂ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にわたり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。

エアフローメータ３６は、エンジン１の吸気管１２に設けられ、吸気管１２を流れる吸気の流量に応じた信号をＥＣＵ７へ送信する。ＥＣＵ７では、このエアフローメータ３６の出力信号に基づいて、エンジン１に新たに供給される空気の量（以下、「吸入空気量」ともいう）を算出する。

クランク角度位置センサ３７は、エンジン１のクランク軸の回転角度を検出するとともに、所定のクランク角ごとにパルスを発生し、そのパルス信号をＥＣＵ３に送信する。エンジン１の回転数ＮＥは、このパルス信号に基づいてＥＣＵ７により算出される。アクセル開度センサ３８は、車両の図示しないアクセルペダルの踏み込み量を検出し、検出値に略比例した検出信号をＥＣＵ７へ送信する。ＥＣＵ７は、これらアクセルペダルの踏み込み量及びエンジン回転数ＮＥに基づいて、エンジン１に対する要求トルクＴＲＱを算出する。

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２Ａ、図２Ｂ、図３及び図７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４、図５、図６、図８、及び図９のマップ等の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２Ａ及び図２Ｂは、ＬＮＴ触媒の還元制御処理の具体的な手順を示すフローチャートである。図２Ａ及び図２Ｂ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。

図２Ａ及び図２Ｂの還元制御処理の具体的な手順について説明する前に、本実施形態に係る還元制御処理において用いられる２つのフラグについて説明する。図２Ａ及び図２Ｂの還元制御処理では、ストイキモードフラグＦ＿ｓｔｏｉｃと還元リッチフラグＦ＿ｒｉｃｈとの２つのフラグが規定されている。

ストイキモードフラグＦ＿ｓｔｏｉｃとは、現在選択されているエンジンの運転モードを規定するフラグである。また本実施形態では、エンジンの運転モードとしてストイキ運転とリーンバーン運転との２つの運転モードが規定されている。そして以下で説明するように、現在選択されている運転モードがストイキ運転である場合、フラグＦ＿ｓｔｏｉｃは１にセットされ、現在選択されている運転モードがリーンバーン運転である場合、フラグＦ＿ｓｔｏｉｃは０にセットされるようになっている。

また還元リッチフラグＦ＿ｒｉｃｈとは、現在、ＬＮＴ触媒の還元処理が要求されている状態であること及びＬＮＴ触媒の還元処理が実行中であることを示すフラグである。以下で説明するように、現在、還元処理が要求されている場合及び還元処理が実行中である場合には、フラグＦ＿ｒｉｃｈは１にセットされ、それ以外の場合にはフラグＦ＿ｒｉｃｈは０にセットされるようになっている。

始めにＳ１では、ＥＣＵは、ストイキモードフラグＦ＿Ｓｔｏｉｃを更新するストイキ運転条件判断処理を実行し、Ｓ２に移る。

図３は、ストイキ運転条件判断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、ＬＮＴ触媒が活性状態に達しているか否かを判別する。より具体的には、ＥＣＵは、ＬＮＴ触媒の触媒温度ＴＬＮＴを取得し、取得した触媒温度ＴＬＮＴがＬＮＴ触媒の所定の活性温度以上であるか否かを判別することによって、ＬＮＴ触媒が活性状態に達しているか否かを判別する。Ｓ３１の判別がＮＯである場合、ＥＣＵは、運転モードとしてストイキ運転モードを選択し、ＬＮＴ触媒よりも上流側に設けられた三元触媒を用いて排気を浄化するべくフラグＦ＿ｓｔｏｉｃの値を１にセットし（Ｓ３２参照）、図３の処理を終了する。

Ｓ３１の判別がＹＥＳである場合、ＥＣＵは、ドライバによるアクセルペダルの踏み込み量に応じて定められるエンジン要求トルクＴＲＱ及びエンジン回転数ＮＥを取得し、これらを用いて、例えば図４に示すような運転モード決定マップを検索することにより、エンジンの運転領域が、リーンバーン運転に適したリーンバーン領域内であるか否かを判定する（Ｓ３３参照）。図４の例では、エンジンの全運転領域において、リーンバーン領域は低回転かつ低負荷の領域に定義されており、ストイキ領域はリーンバーン領域に対し高回転の領域、高負荷の領域、及び高回転かつ高負荷の領域に定義されている。Ｓ３３の判別がＹＥＳである場合、ＥＣＵは、運転モードとしてリーンバーン運転を選択し、ＬＮＴ触媒を用いて排気のＮＯｘを浄化するべくフラグＦ＿ｓｔｏｉｃの値を０にセットし（Ｓ３４参照）、図３の処理を終了する。Ｓ３３の判別がＮＯである場合、ＥＣＵは、運転モードとしてストイキ運転を選択するべく、Ｓ３２に移り、フラグＦ＿ｓｔｏｉｃの値を１にセットし、図３の処理を終了する。

なお、図示しない燃料噴射制御では、上述のストイキ運転条件判断処理においてフラグＦ＿ｓｔｏｉｃの値が０にセットされた場合には、エンジンにおける空燃比をストイキよりリーンにし、三元触媒及びＬＮＴ触媒にはリーン雰囲気の排気を供給するリーンバーン運転が実行される。またこの燃料噴射制御では、フラグＦ＿ｓｔｏｉｃの値が１にセットされた場合には、空燃比センサの出力を利用したフィードバック制御を実行することによって、三元触媒における排気の空燃比をストイキ雰囲気にするストイキ運転が実行される。

図２Ａ及び図２Ｂに戻り、Ｓ２では、ＥＣＵは、リッチ還元フラグＦ＿ｒｉｃｈが１であるか否かを判別する。Ｓ２の判別がＮＯである場合、ＥＣＵは、Ｓ３に移り、ストイキモードフラグＦ＿ｓｔｏｉｃが０であるか否か、すなわち現在実行中の運転モードがリーンバーン運転であるか否かを判別する。Ｓ３の判別がＹＥＳである場合、ＥＣＵは、Ｓ４に移り、エンジン要求トルクＴＲＱ及びエンジン回転数ＮＥを用いて、例えば図示しないマップを検索することにより、前回制御周期から今回制御周期までの間にＬＮＴ触媒に流入したＮＯｘ量に相当するフィードＮＯｘ量Ｆｅｅｄ＿ＮＯｘの値を算出し、Ｓ５に移る。Ｓ５では、ＥＣＵは、ＬＮＴ触媒の触媒温度ＴＬＮＴを取得し、取得した触媒温度ＴＬＮＴを用いて、例えば図示しないマップを検索することにより、ＬＮＴ触媒におけるＮＯｘ浄化率ηＮＯｘ（より具体的には、リーンバーン運転時におけるＬＮＴ触媒のＮＯｘ吸着率）の値を算出し、Ｓ６に移る。

Ｓ６では、ＥＣＵは、フィードＮＯｘ量Ｆｅｅｄ＿ＮＯｘに浄化率ηＮＯｘを乗算することによって、前回制御周期から今回制御周期までの間にＬＮＴ触媒で吸着されたＮＯｘの量に相当する新規吸着量ΔＮＯｘを算出し、これを積算することにより、ＬＮＴ触媒におけるＮＯｘ吸着量ΣＮＯｘの値を算出し、Ｓ７に移る。換言すれば、ＥＣＵは、ＮＯｘ吸着量ΣＮＯｘの前回制御周期時における値に新規吸着量ΔＮＯｘを加算することにより、ＮＯｘ吸着量ΣＮＯｘの値を更新する。

Ｓ７では、ＥＣＵは、要求トルクＴＲＱ及びエンジン回転数ＮＥを用いて、例えば図５に例示する基本閾値マップを検索することによって後述のリッチ判定閾値Ｔｈ＿ｆｉｎａｌに対する基本値となるリーンバーン運転時基本閾値Ｔｈ＿ｌｅａｎの値を算出し、Ｓ８に移る。

図５は、基本閾値マップの一例を示す図である。なお図５では、縦軸をＮＯｘ吸着量ΣＮＯｘと同じ次元を有する物理量である基本閾値Ｔｈ＿ｌｅａｎ（又は後述のＴｈ＿ｓｔｏｉｃ）とし、横軸を要求トルクＴＲＱとした例を示す。基本閾値のエンジン回転数ＮＥに対する特性は、基本閾値の要求トルクＴＲＱに対する特性とほぼ同じであるので、図５では図示を省略する。図５に例示するマップによれば、基本閾値Ｔｈ＿ｌｅａｎは、要求トルクＴＲＱが大きくなるほど、或いはエンジン回転数ＮＥが大きくなるほど、小さな値に設定される。

Ｓ８では、ＥＣＵは、ＬＮＴ触媒の触媒温度ＴＬＮＴを取得し、取得した触媒温度ＴＬＮＴを用いて、例えば図６に例示する吸着量補正係数マップを検索することにより、上記リーンバーン運転時基本閾値Ｔｈ＿ｌｅａｎに対する無次元の補正係数に相当する吸着量補正係数Ｋｔｅｍｐの値を算出し、Ｓ９に移る。

図６は、吸着量補正係数マップの一例を示す図である。図６に例示するマップによれば、補正係数Ｋｔｅｍｐは、触媒温度ＴＬＮＴに対し下に凸の特性がある。すなわち図６のマップによれば、補正係数Ｋｔｅｍｐは、触媒温度ＴＬＮＴが図６における中温領域では、この中温領域より低温の低温領域又はこの中温領域より高温の高温領域よりも小さな値に設定される。これはＬＮＴ触媒で吸着できるＮＯｘの量（以下、「ＮＯｘ吸着可能量」とも言う）は、触媒温度によって変化するとともに、このＮＯｘ吸着可能量は触媒温度に対し下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触媒の還元処理は、ＬＮＴ触媒におけるＮＯｘ吸着量がこのＮＯｘ吸着可能量を超えてしまう前に行わなければならない。そこで、図６のマップでは、低温領域や高温領域と比較してＮＯｘ吸着可能量が少なくなる中温領域では、補正係数Ｋｔｅｍｐの値を低温領域や高温領域よりも小さな値に設定し、リーンバーン運転時基本閾値Ｔｈ＿ｌｅａｎを小さな値へ補正し、これにより中温領域ではＮＯｘ還元処理が実行されやすくなるようにしている。

Ｓ９では、ＥＣＵは、リーンバーン運転時基本閾値Ｔｈ＿ｌｅａｎに補正係数Ｋｔｅｍｐを乗算することにより、リッチ判定閾値Ｔｈ＿ｆｉｎａｌの値を算出し、Ｓ１０に移る。Ｓ１０では、ＥＣＵは、ＮＯｘ吸着量ΣＮＯｘがリッチ判定閾値Ｔｈ＿ｆｉｎａｌより小さいか否かを判定する。Ｓ１０の判別がＹＥＳである場合、ＥＣＵは、まだＬＮＴ触媒の還元処理を開始する時期に達していないと判断し、図２Ａ及び図２Ｂの処理を終了する。またＳ１０の判別がＮＯである場合、ＥＣＵは、ＬＮＴ触媒の還元処理を開始する時期に達したと判断し、Ｓ１２に移る。Ｓ１２では、ＥＣＵは、還元処理の実行に必要な各種パラメータの値を設定する初期設定処理（図７参照）を実行した後、還元処理を開始するべく図２ＡのＳ２２に移る。

図７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Ｓ５１では、ＥＣＵは、現在のＮＯｘ吸着量ΣＮＯｘを用いて、例えば図８に例示するような目標空燃比設定マップを検索することにより、これから開始する還元処理の実行中における排気の空燃比の目標値に相当する目標リッチ空燃比ＡＦ＿Ｒの値を算出し、Ｓ５２に移る。図８に示すように、目標リッチ空燃比ＡＦ＿Ｒは、ストイキよりリッチの範囲内で設定される。また図８のマップによれば、現在（還元処理を開始する直前）のＮＯｘ吸着量ΣＮＯｘが少ないほど、還元処理を短時間で終了できるように目標リッチ空燃比ＡＦ＿Ｒは小さな値に設定される。

Ｓ５２では、ＥＣＵは、要求トルクＴＲＱ及びエンジン回転数ＮＥを取得し、これらを用いて、例えば図９に例示するような許容空気量設定マップを検索することにより、還元処理の実行が許可される吸入空気量の範囲に相当する還元時空気量下限値Ｑａｉｒ＿Ｌ及び還元時空気量上限値Ｑａｉｒ＿Ｈの値を算出し、Ｓ５３に移る。還元処理の実行中は、空燃比センサを用いたフィードバック制御によって排気の空燃比が目標リッチ空燃比ＡＦ＿Ｒに制御される。このため、吸入空気量が要求トルクＴＲＱ及びエンジン回転数ＮＥによって定められる量に対し過剰に多い状態や少ない状態で還元処理を実行すると、ドライバの要求に反して大きなトルクや小さなトルクが発生するトルクショックが発生する場合がある。そこでこのようなトルクショックの発生を抑制するため、後にＳ２２〜Ｓ２３において説明するように、還元処理は、吸入空気量Ｑａｉｒがこれら下限値Ｑａｉｒ＿Ｌと上限値Ｑａｉｒ＿Ｕとの間にある場合にのみ実行される。図９のマップによれば、要求トルクＴＲＱ又はエンジン回転数ＮＥが大きくなるほど、これら還元時空気量上限値Ｑａｉｒ＿Ｕ及び還元時空気量下限値Ｑａｉｒ＿Ｌは大きな値に設定される。

Ｓ５３では、ＥＣＵは、還元リッチフラグＦ＿ｒｉｃｈの値を１にセットし、図７の処理を終了する。

図２Ａ及び図２Ｂに戻り、Ｓ３の判別がＮＯである場合、ＥＣＵは、Ｓ１４に移り、要求トルクＴＲＱ及びエンジン回転数ＮＥを用いて、例えば上述の図５に例示する基本閾値マップを検索することによってリッチ判定閾値Ｔｈ＿ｆｉｎａｌに対する基本値となるストイキ運転時基本閾値Ｔｈ＿ｓｔｏｉｃの値を算出し、Ｓ１５に移る。なお、リーンバーン運転の実行中である場合にはフィードＮＯｘ量Ｆｅｅｄ＿ＮＯｘ及びＮＯｘ浄化率ηＮＯｘの値を算出し、これらを用いてＮＯｘ吸着量ΣＮＯｘの値を更新したが（上述のＳ３〜Ｓ６参照）、ストイキ運転の実行中は、排気中のＮＯｘの殆どは三元触媒によって浄化されるので、ＮＯｘ吸着量ΣＮＯｘの値は前回制御周期時からほぼ一定に維持されるため、ＮＯｘ吸着量ΣＮＯｘを更新する必要はない。

図５に例示するマップによれば、ストイキ運転時基本閾値Ｔｈ＿ｓｔｏｉｃは、要求トルクＴＲＱが大きくなるほど、或いはエンジン回転数ＮＥが大きくなるほど、小さな値に設定される。また図５に示すように、ストイキ運転時基本閾値Ｔｈ＿ｓｔｏｉｃは、リーンバーン運転時基本閾値Ｔｈ＿ｌｅａｎよりも小さな値に設定される。これは、ストイキ運転の実行中における排気の空燃比はリーンバーン運転の実行中における排気の空燃比よりも低いため、これを反映させたものである。すなわち、排気の空燃比が低くなるほど、還元処理を実行するために排気の空燃比をリッチ雰囲気にするために必要な燃料の量が少なくなるため、ストイキ運転時基本閾値Ｔｈ＿ｓｔｏｉｃをリーンバーン運転時基本閾値Ｔｈ＿ｌｅａｎよりも小さな値にし、還元処理を実行しやすくした方が、燃費の面で有利であることを反映させたものである。

Ｓ１５では、ＥＣＵは、ＬＮＴ触媒の触媒温度ＴＬＮＴを取得し、取得した触媒温度ＴＬＮＴを用いて、上述の図６に例示する吸着量補正係数マップを検索することにより、吸着量補正係数Ｋｔｅｍｐの値を算出し、Ｓ１６に移る。Ｓ１６では、ＥＣＵは、ストイキ運転時基本閾値Ｔｈ＿ｓｔｏｉｃに補正係数Ｋｔｅｍｐを乗算することにより、リッチ判定閾値Ｔｈ＿ｆｉｎａｌの値を算出し、Ｓ１７に移る。Ｓ１７では、ＥＣＵは、ＮＯｘ吸着量ΣＮＯｘがリッチ判定閾値Ｔｈ＿ｆｉｎａｌより小さいか否かを判別する。Ｓ１７の判別がＹＥＳである場合には、ＥＣＵは、まだＬＮＴ触媒の還元処理を開始する時期に達していないと判断し、図２Ａ及び図２Ｂの処理を終了する。

またＳ１７の判別がＮＯである場合、ＥＣＵは、現在のエンジンの運転状態が過渡状態であるか否かを判別する（Ｓ１８参照）。ここで過渡状態とは、エンジンの運転状態を特定するパラメータが大きく変動している状態をいい、具体的には例えばアクセルペダルの踏み込み量が急激に増加した直後の加速状態や、アクセルペダルの踏み込み量が急激に減少した直後の減速状態等をいう。ＥＣＵは、例えば前回制御周期から今回制御周期までの間における燃料噴射量の増加率の絶対値を算出し、この絶対値が予め定められた閾値より大きい場合には、現在のエンジンの運転状態は過渡状態であると判断し、この絶対値が上記閾値以下である場合には、現在のエンジンの運転状態は過渡状態でないと判断する。なお、Ｓ１８の判別では、燃料噴射量の増加率の絶対値の他、要求トルクＴＲＱの増加率の絶対値や、車速の増加率の絶対値等を用いてもよい。Ｓ１８の判別がＹＥＳである場合には、すなわち、ストイキ運転の実行中でありかつエンジンの運転状態が過渡状態である場合には、ＥＣＵは、ＮＯｘ吸着量ΣＮＯｘがリッチ判定閾値Ｔｈ＿ｆｉｎａｌを超えていても、ＬＮＴ触媒の還元処理を開始する時期に適していないと判断し、図２Ａ及び図２Ｂの処理を終了する。またＳ１８の判別がＮＯである場合には、ＥＣＵは、ＬＮＴ触媒の還元処理を開始する時期に達したと判断し、Ｓ１２に移り、上述のように初期設定処理を実行した後、還元処理を開始するべく図２ＡのＳ２２に移る。

図２Ａに戻り、Ｓ２の判別がＹＥＳである場合、ＥＣＵは、ＮＯｘ吸着量ΣＮＯｘが所定の終了判定値Ｔｈ＿ｅｎｄ以下であるか否かを判別する（Ｓ２０参照）。Ｓ２０の判別がＹＥＳである場合、すなわち後述の還元処理（Ｓ２４参照）を複数の制御周期にわたり実行することにより、ＬＮＴ触媒に吸着されていたＮＯｘが十分に還元浄化されたと判断できる場合には、ＥＣＵは、Ｓ２１に移り、還元リッチフラグＦ＿ｒｉｃｈの値を１から０にリセットし、図２Ａ及び図２Ｂの処理を終了する。

Ｓ２０の判別がＮＯである場合、ＥＣＵは、エアフローメータの出力を用いて吸入空気量Ｑａｉｒを取得し、取得した吸入空気量Ｑａｉｒが上述のＳ５２において設定された還元時空気量下限値Ｑａｉｒ＿Ｌより小さいか否かを判別する（Ｓ２２参照）。このＳ２２の判別がＮＯである場合、ＥＣＵは、取得した吸入空気量Ｑａｉｒが上述のＳ５２において設定された還元時空気量上限値Ｑａｉｒ＿Ｕより大きいか否かを判別する（Ｓ２３参照）。Ｓ２２及びＳ２３の判別のうち何れかがＹＥＳである場合、すなわち吸入空気量Ｑａｉｒが下限値Ｑａｉｒ＿Ｌから上限値Ｑａｉｒ＿Ｕの範囲外である場合には、ＥＣＵは、還元処理を実行することによって発生するトルクショックを抑制するため、以下の還元処理の実行を一時的に中断するべく、図２Ａ及び図３Ａの処理を終了する。

またＳ２２及びＳ２３の判別が何れもＮＯである場合には、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し、ＬＮＴ触媒に吸着されているＮＯｘの還元浄化を促す還元処理を実行し（Ｓ２４参照）、Ｓ２５に移る。より具体的には、ＥＣＵは、ＬＮＴ触媒に流入する排気の空燃比がＳ５１において設定した目標リッチ空燃比ＡＦ＿Ｒになるように、空燃比センサを用いたフィードバック制御を行う。

Ｓ２５では、ＥＣＵは、ＬＮＴ触媒におけるＮＯｘ吸着量ΣＮＯｘを更新し、図２Ａ及び図２Ｂの処理を終了する。より具体的には、Ｓ２５では、ＥＣＵは、上記Ｓ２４の還元処理を実行することによって前回制御周期から今回制御周期までの間でＬＮＴ触媒において還元浄化されたＮＯｘの量に相当する新規浄化量ｄＮＯｘを算出し、これをＮＯｘ吸着量ΣＮＯｘの前回制御周期時における値から減算することにより、ＮＯｘ吸着量ΣＮＯｘの値を更新する。なお、還元処理の実行時における排気の空燃比が低くなるほど、ＬＮＴ触媒ではより多くのＮＯｘが還元浄化されることから、この新規浄化量ｄＮＯｘは、目標リッチ空燃比ＡＦ＿Ｒが小さいほど大きな値になる。

本実施形態の排気浄化システム２によれば、以下の効果を奏する。
（１）排気浄化システム２では、エンジンの運転モードをドライバ要求に応じてリーンバーン運転とストイキ運転とで切り替えながら、ＬＮＴ触媒におけるＮＯｘ吸着量ΣＮＯｘを推定し、このＮＯｘ吸着量ΣＮＯｘがリッチ判定閾値Ｔｈ＿ｆｉｎａｌを超えた場合にはＬＮＴ触媒における排気をリッチ雰囲気にする還元処理（Ｓ２４参照）を開始する。また排気浄化システム２では、ストイキ運転の実行中には、リーンバーン運転の実行中に参照される基本閾値Ｔｈ＿ｌｅａｎよりも小さな値に設定された基本閾値Ｔｈ＿ｓｔｏｉｃを用いて上記リッチ判定閾値Ｔｈ＿ｆｉｎａｌを設定する。すなわち、ストイキ運転の実行中に参照されるリッチ判定閾値Ｔｈ＿ｆｉｎａｌを、リーンバーン運転の実行中に参照されるリッチ判定閾値Ｔｈ＿ｆｉｎａｌよりも小さな値に設定する。これにより、還元処理の実行に伴う燃費の悪化度合いが比較的低いストイキ運転の実行中は、還元処理の実行に伴う燃費の悪化度合いが比較的高いリーンバーン運転の実行中よりも、還元処理が実行されやすくなるため、還元処理の実行に伴う燃費の悪化を防止できる。また排気浄化システム２では、上述のように運転モードに応じてリッチ判定閾値Ｔｈ＿ｆｉｎａｌを持ち替えることにより、リーンバーン運転の実行中はストイキ運転の実行中よりも還元処理が実行されにくくなるものの、それでもＮＯｘ吸着量がリッチ判定閾値Ｔｈ＿ｆｉｎａｌを超えた状態が継続することはないため、リーンバーン運転が長時間にわたり継続して行われた場合でもＬＮＴ触媒によるＮＯｘ浄化性能が過度に低下することはない。

ここで、図１０を参照しながら、本実施形態の排気浄化システム１の特許文献１の排気浄化システムに対する利点について説明する。

図１０は、図４の運転モード決定マップに、車両の加速時に経由すると思われる３つの運転ポイントＰ１，Ｐ２、Ｐ３をプロットした図である。例えば、エンジンの運転状態がリーンバーン領域内における運転ポイントＰ１にある状態から、ドライバによってアクセルペダルが踏み込まれることにより、車両が加速した場合を想定する。アクセルペダルが踏み込まれた直後は、要求トルクＴＲＱは急激に上昇するものの、車両慣性によってエンジン回転数は緩やかに上昇する。このため、エンジンの運転状態は、運転ポイントＰ１から、Ｐ１よりも高負荷側かつやや高回転側のストイキ領域内に定められた運転ポイントＰ２に移行する。また運転ポイントがＰ２に移行した後は、Ｐ２よりも低負荷側かつ高回転側のストイキ領域内に定められた運転ポイントＰ３へ移行する。この際、領域１０ａ及び１０ｂで示すタイミングでは、エンジンの運転モードとしてリーンバーン運転が選択される。

以上のように加速時は、エンジンの運転ポイントがＰ１からＰ３に至るまで、燃料噴射量は常に増加すると考えられる。ここで特許文献１の排気浄化システムでは、燃料噴射量の増加率が高くなる運転状態を選んで還元処理を実行することから、運転ポイントがＰ１からＰ３に至るまでの全てのタイミングで還元処理が実行され得る。したがって特許文献１の排気浄化システムによれば、還元処理に伴う燃費の向上に十分に寄与しないリーンバーン運転が選択される領域１０ａ及び１０ｂでも還元処理が実行され得る。このため、特許文献１の排気浄化システムによれば、還元処理に伴う燃費を十分に向上できない場合がある。これに対し本実施形態の排気浄化システム２では、リーンバーン運転の実行中とストイキ運転の実行中とでリッチ判定閾値Ｔｈ＿ｆｉｎａｌを持ち替えることにより、上述のような加速の過程において、十分に燃費の向上に寄与しない領域１０ａ及び１０ｂにおける還元処理の実行を極力抑制できる。

（２）排気浄化システム２では、ストイキ運転の実行中でありかつエンジンの運転状態が過渡状態である場合、すなわち燃料噴射量や車速の増減が大きい場合には、ＮＯｘ吸着量ΣＮＯｘがリッチ判定閾値Ｔｈ＿ｆｉｎａｌを超えていても還元処理を開始しない（Ｓ１８参照）。運転状態が過渡状態であり、例えば図１０に示すようにエンジンの運転ポイントがＰ１からＰ３へ移行するような場合、還元処理を開始する時点では運転モードがストイキ運転であっても、その後一時的にリーンバーン運転に切り替わる場合がある。この場合、還元処理を開始した後、還元処理を実行している間に運転モードがリーンバーン運転に切り替わることにより、還元処理による燃料の消費量が結果として増加するおそれがある。これに対し排気浄化システム２では、ストイキ運転の実行中でありかつ運転状態が過渡状態である場合には、還元処理の開始を禁止することにより、上述のようにその後運転モードが切り替わることによる燃費の悪化を抑制できる。

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。

１…エンジン（内燃機関）
２…排気浄化システム
３２…下流触媒コンバータ（ＮＯｘ浄化触媒）
７…ＥＣＵ（運転モード切替手段、ＮＯｘ捕捉量推定手段、還元制御手段）
Ｔｈ＿ｆｉｎａｌ…リッチ判定閾値（閾値）
Ｔｈ＿ｌｅａｎ…リーンバーン運転時基本閾値
Ｔｈ＿ｓｔｏｉｃ…ストイキ運転時基本閾値

Claims (2)

1. 少なくともリーンバーン運転及びストイキ運転が可能な内燃機関と、
   ドライバ要求及び前記内燃機関の運転状態に基づいて前記内燃機関の運転モードを前記リーンバーン運転及び前記ストイキ運転で切り替える運転モード切替手段と、
   前記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浄化触媒と、
   前記ＮＯｘ浄化触媒におけるＮＯｘ捕捉量を推定するＮＯｘ捕捉量推定手段と、
   前記ＮＯｘ捕捉量が閾値を超えた場合には、前記ＮＯｘ浄化触媒における排気をリッチ雰囲気にする還元処理を開始する還元制御手段と、を備える内燃機関の排気浄化システムであって、
   前記還元制御手段は、前記ストイキ運転の実行中は前記リーンバーン運転の実行中よりも前記閾値を小さく設定することを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
2. 前記還元制御手段は、前記ストイキ運転の実行中でありかつ前記内燃機関の運転状態が過渡状態である場合には、前記ＮＯｘ捕捉量が前記閾値を超えても前記還元処理を開始しない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。

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