JP3656496B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、希薄燃焼可能な内燃機関から排出される排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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希薄燃焼可能な内燃機関から排出される排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置として、選択還元型ＮＯx触媒や吸蔵還元型ＮＯx触媒などのリーンＮＯx触媒がある。
【０００３】
選択還元型ＮＯx触媒は、酸素過剰の雰囲気で炭化水素（ＨＣ）の存在下でＮＯxを還元または分解する触媒であり、この選択還元型ＮＯx触媒でＮＯxを浄化するためには適量のＨＣ成分（還元剤）が必要とされる。この選択還元型ＮＯx触媒を前記内燃機関の排気浄化に用いる場合、該内燃機関の通常運転時の排気中のＨＣ成分の量は極めて少ないので、通常運転時にＮＯxを浄化するためには、選択還元型ＮＯx触媒にＨＣ成分を供給する必要がある。
【０００４】
一方、吸蔵還元型ＮＯx触媒は、流入排気ガスの空燃比がリーンのときはＮＯxを吸収し、流入排気ガスの酸素濃度が低下すると吸収したＮＯxを放出し、Ｎ2に還元するする触媒である。
【０００５】
この吸蔵還元型ＮＯx触媒を前記内燃機関の排気浄化に用いる場合、該内燃機関では通常運転時の排気ガスの空燃比がリーンであるため、排気ガス中のＮＯxがＮＯx触媒に吸収されることとなる。しかしながら、リーン空燃比の排気ガスをＮＯx触媒に供給し続けると、ＮＯx触媒のＮＯx吸収能力が飽和に達し、それ以上、ＮＯxを吸収できなくなり、ＮＯxをリークさせることとなる。そこで、吸蔵還元型ＮＯx触媒では、ＮＯx吸収能力が飽和する前に所定のタイミングで流入排気ガスの空燃比をリッチにすることによって酸素濃度を極度に低下させ、ＮＯx触媒に吸収されているＮＯxを放出してＮ2に還元し、ＮＯx触媒のＮＯx吸収能力を回復させる必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
これらリーンＮＯx触媒を用いた排気浄化システムにおいては、リーンＮＯx触媒の触媒床温の管理が非常に重要である。
例えば、リーンＮＯx触媒には活性温度があり、触媒床温がこの活性温度範囲から外れると、浄化能力が極度に低下する。そこで浄化率を高く維持するために、従来から種々の触媒床温の制御方法が提案されており、それには刻々と変化する触媒床温を検出するための触媒床温検出手段が必要であった。
【０００７】
具体的には、例えば、特開平１０−４７０４８号公報には、リーンＮＯx触媒に流入する排気ガス温度（入ガス温度）を検出する入ガス温センサと、リーンＮＯx触媒の触媒床温を検出する触媒温センサを設け、まず、触媒床温に基づいてリーンＮＯx触媒に供給すべき還元剤の基本供給量を算出し、さらに、この基本供給量を、入ガス温度と触媒床温との温度差に基づいて補正し、補正後の供給量の還元剤をリーンＮＯx触媒に供給することにより、触媒床温を活性温度範囲から外れないようにする技術が開示されている。ここでも、触媒床温検出手段として触媒温センサを必要としている。
【０００８】
しかしながら、触媒床温検出手段を備えることなく触媒床温を管理することができれば、搭載性、軽量化、コストダウン等の上で非常に有利である。
また、触媒床温を推定することができれば、推定される触媒床温と実測した触媒床温との比較により、リーンＮＯx触媒への還元剤供給が適切になされているかなどを判定することもできる。
【０００９】
本発明はこのような従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、内燃機関の運転状態やＮＯx触媒における反応熱を考慮してＮＯx触媒の触媒床温を算出推定することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置は、希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に設けられたリーンＮＯx触媒と、前記リーンＮＯx触媒に還元剤を供給する還元剤供給手段と、前記内燃機関から排出される排気ガスの温度を計測または推定する排気ガス温検出手段と、前記内燃機関の運転状態から排気ガス中に含まれるＨＣ量およびＣＯ量を推定するＨＣ，ＣＯ量推定手段と、前記還元剤供給手段から供給された還元剤および排気ガス中のＨＣ，ＣＯが前記リーンＮＯx触媒で反応したときの発熱量を考慮してリーンＮＯx触媒の触媒床温を推定する触媒床温推定手段と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
内燃機関から排出された排気ガス中に含まれているＨＣ，ＣＯ、前記還元剤供給手段からリーンＮＯx触媒に供給された還元剤は、リーンＮＯx触媒において化学反応を起こし、その際に反応熱が生じて発熱し、この発熱によりリーンＮＯx触媒と排気ガスが昇温する。触媒床温推定手段は、リーンＮＯx触媒における前記反応による発熱量を算出推定し、この発熱量を基にリーンＮＯx触媒の触媒床温を推定する。
【００１２】
本発明において、リーンＮＯx触媒としては、吸蔵還元型ＮＯx触媒あるいは選択還元型ＮＯx触媒を例示することができる。
吸蔵還元型ＮＯx触媒は、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯxを吸収し、流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯxを放出し、Ｎ2に還元する触媒である。この吸蔵還元型ＮＯx触媒は、例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されてなる。
【００１３】
選択還元型ＮＯx触媒は、酸素過剰の雰囲気で炭化水素の存在下でＮＯxを還元または分解する触媒をいい、ゼオライトにＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持した触媒、ゼオライトまたはアルミナに貴金属を担持した触媒、等が含まれる。
【００１４】
本発明において、還元剤供給手段は、ポンプ、添加ノズルなどから構成することができる。
本発明において、排気ガス温検出手段は、内燃機関から排出される排気ガスの温度を実際に計測するものであってもよいし、あるいは、内燃機関の運転状態に基づいて排気ガスの温度を推定するものであってもよい。
【００１５】
本発明において、ＨＣ，ＣＯ量推定手段は、内燃機関の運転状態と排気ガス中のＨＣ量（ＨＣ濃度）あるいはＣＯ量（ＣＯ濃度）とを対応させたマップなどを用いて排気ガス中のＨＣ量、ＣＯ量を推定することができる。
【００１６】
前述した本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置においては、前記リーンＮＯx触媒の触媒床温を計測する触媒床温計測手段と、前記触媒床温推定手段により推定された触媒床温と前記触媒床温計測手段により計測された触媒床温との誤差を算出する誤差算出手段と、前記誤差算出手段により算出された誤差が許容誤差範囲から外れているときに前記還元剤供給手段による還元剤供給を禁止する還元剤供給禁止手段と、を備えることができる。
【００１７】
これは、前記触媒床温推定手段により推定した触媒床温の利用法の一例である。誤差算出手段により算出された誤差が許容誤差範囲から外れているときには排気浄化装置が異常であると考えられる。例えば、前記触媒床温計測手段により計測された触媒床温が触媒床温推定手段により推定された触媒床温よりも大幅に低い場合には、還元剤供給手段により供給された還元剤がリーンＮＯx触媒で反応せずにリーンＮＯx触媒に付着していると考えられる。その逆に、前記触媒床温計測手段により計測された触媒床温が触媒床温推定手段により推定された触媒床温よりも大幅に高い場合には、還元剤供給手段により供給された還元剤が指令供給量よりも多いと考えられ、原因として還元剤供給手段の制御不良などが考えられる。そこで、このようなときには、還元剤供給禁止手段が還元剤供給手段によるリーンＮＯx触媒への還元剤供給を禁止する。
【００１８】
前記触媒床温計測手段は、リーンＮＯx触媒の触媒床温を実際に計測するものであってもよいし、触媒床温として代用可能なリーンＮＯx触媒出口における排気ガス温度を実際に計測するものであってもよい。
【００１９】
また、本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置は、希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に設けられたリーンＮＯx触媒と、前記リーンＮＯx触媒に還元剤を供給する還元剤供給手段と、前記リーンＮＯx触媒の触媒床温を計測または推定する触媒床温検出手段と、前記リーンＮＯx触媒を昇温すべきときに前記触媒床温検出手段により検出された触媒床温が設定温度よりも低い場合にはリーンＮＯx触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比あるいはそれよりも若干リーンにし前記触媒床温が前記設定温度以上の場合には前記空燃比を理論空燃比よりもリッチになるように前記還元剤供給手段からの還元剤供給量を算出する還元剤供給量算出手段と、を備えることを特徴とする。
【００２０】
リーンＮＯx触媒は、その触媒床温が低いほどＨＣ浄化率が低く、触媒床温が高いほどＨＣ浄化率が高いという特性がある。したがって、リーンＮＯx触媒の触媒床温が低いときに排気空燃比をリッチ空燃比にしても、リーンＮＯx触媒で浄化されるＨＣ量が少なく、排気ガス中の多くのＨＣがＮＯx触媒をすり抜けてしまう。
【００２１】
そこで、本発明では、ＮＯx触媒を昇温処理するときには、触媒床温が設定温度よりも低いときには排気空燃比を理論空燃比あるいはそれよりも若干リーンにし、触媒床温が前記設定温度以上のときには排気空燃比をリッチ空燃比にする。そして、排気空燃比がそのようになるように、還元剤供給量算出手段が還元剤供給手段からの還元剤供給量を算出する。これにより、触媒床温が低いときにはＨＣのすり抜けを抑制しつつリーンＮＯx触媒を昇温することができ、触媒床温がある程度高いときにはより効率的にリーンＮＯx触媒を昇温することができる。
【００２２】
本発明において、リーンＮＯx触媒としては、吸蔵還元型ＮＯx触媒あるいは選択還元型ＮＯx触媒を例示することができる。
本発明において、還元剤供給手段は、ポンプ、添加ノズルなどから構成することができる。
本発明において、触媒床温検出手段は、リーンＮＯx触媒の触媒床温を実際に計測するものであってもよいし、あるいは、内燃機関の運転状態などからリーンＮＯx触媒の触媒床温を推定するものであってもよい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置の実施の形態を図１から図６の図面に基いて説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置を内燃機関としての車両駆動用ディーゼルエンジンに適用した態様である。
【００２４】
図１は、この実施の形態における内燃機関の排気浄化装置の全体構成を示す図である。この図において、エンジン１は直列４気筒ディーゼルエンジンであり、各気筒の燃焼室には吸気マニホールド２および吸気管３を介して吸気が導入される。吸気管３の始端にはエアクリーナ４が設けられ、吸気管３の途中には、エアフロメータ５、ターボチャージャ６のコンプレッサ６ａ、インタークーラ７、スロットルバルブ８が設けられている。
【００２５】
エアフロメータ５はエアクリーナ４を介して吸気管３に流入する新気の空気量に応じた出力信号をエンジンコントロール用電子制御ユニット（ＥＣＵ）９に出力し、ＥＣＵ９はエアフロメータ５の出力信号に基づいて吸入空気量を演算する。
【００２６】
また、エンジン１の各気筒の燃焼室にはそれぞれ燃料噴射弁１０から燃料（軽油）が噴射される。各燃料噴射弁１０はコモンレール１１に接続されており、コモンレール１１には燃料ポンプ１２から燃料が供給される。燃料ポンプ１２はエンジン１の図示しないクランクシャフトによって駆動される。各燃料噴射弁１０の開弁時期および開弁期間は、エンジン１の運転状態に応じてＥＣＵ９によって制御される。
【００２７】
また、エンジン１の各気筒の燃焼室で生じた排気ガスは、排気マニホールド１３を介して排気管１４に排出され、図示しないマフラーを介して大気に排出される。排気マニホールド１３に排出された排気ガスの一部は、排気還流管１５を介して吸気マニホールド２に再循環可能になっており、排気還流管１５の途中にはＥＧＲクーラ１６とＥＧＲ弁１７が設けられている。ＥＧＲ弁１７は、エンジン１の運転状態に応じてＥＣＵ９によって開度制御され、排気還流量を制御する。
【００２８】
排気管１４の途中には、ターボチャージャ６のタービン６ｂ、吸蔵還元型ＮＯx触媒（リーンＮＯx触媒）を坦持したＤＰＦ１８を収容したケーシング１９、排気絞り弁２０が設けられている。タービン６ｂは排気ガスによって駆動され、タービン６ｂに連結されたコンプレッサ６ａを駆動して吸気を昇圧する。ＤＰＦ１８は、排気ガス中の粒子状物質（煤等）を捕集するフィルタエレメントに吸蔵還元型ＮＯx触媒を坦持して構成されており、排気ガス中の粒子状物質を捕集するとともに、排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯxを浄化することができるものである。吸蔵還元型ＮＯx触媒については後で詳述する。排気絞り弁２０は、エンジン１の運転状態に応じてＥＣＵ９によって制御される。
【００２９】
また、排気管１４においてケーシング１９の直ぐ上流には、ＤＰＦ１８の吸蔵還元型ＮＯx触媒に還元剤としての燃料（軽油）を供給するための添加ノズル２１が設けられている。添加ノズル２１には燃料ポンプ１２で昇圧された燃料の一部が燃料供給管２２を介して供給されており、燃料供給管２２には、添加ノズル２１から噴射される燃料量を制御するための制御弁２３が設けられている。制御弁２３の弁開度、開弁期間、開弁インターバルなどはＥＣＵ９によって制御される。この実施の形態において、添加ノズル２１と燃料供給管２２と制御弁２３は、還元剤供給手段を構成する。
【００３０】
排気管１４においてケーシング１９の直ぐ下流には、ケーシング１９から流出する排気ガス（以下、出ガスという）の温度に対応した出力信号をＥＣＵ９に出力する出ガス温センサ２４が設けられている。
【００３１】
ＥＣＵ９はデジタルコンピュータからなり、双方向バスによって相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＣＰＵ（セントラルプロセッサユニット）、入力ポート、出力ポートを具備し、エンジン１の燃料噴射量制御等の基本制御を行うほか、この実施の形態では、ＤＰＦ１８に坦持されているＮＯx触媒の触媒床温推定処理等を行っている。
【００３２】
これら制御のために、ＥＣＵ９の入力ポートには、アクセル開度センサ６１からの入力信号と、クランク角センサ６２からの入力信号が入力される。アクセル開度センサ６１はアクセル開度に比例した出力電圧をＥＣＵ９に出力し、ＥＣＵ９はアクセル開度センサ６１の出力信号に基づいてエンジン負荷を演算する。クランク角センサ６２はクランクシャフトが一定角度回転する毎に出力パルスをＥＣＵ９に出力し、ＥＣＵ９はこの出力パルスに基づいてエンジン回転数を演算する。これらエンジン負荷とエンジン回転数によってエンジン運転状態が判別され、ＥＣＵ９はエンジン運転状態に応じた燃料噴射量を噴射量マップ（図示せず）を参照して算出し、算出された燃料噴射量に対応する燃料噴射弁１０の開弁期間を算出して、燃料噴射弁１０の作動を制御する。
【００３３】
次に、ＤＰＦ１８に坦持された吸蔵還元型ＮＯx触媒（以下、ＮＯx触媒ということもある）について説明する。
吸蔵還元型ＮＯx触媒は、例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されてなる。
【００３４】
このＮＯx触媒は、流入排気ガスの空燃比（以下、排気空燃比と称す）が理論空燃比よりもリーンのときはＮＯxを吸収し、排気空燃比が理論空燃比あるいはそれよりもリッチになって流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯxをＮＯ2またはＮＯとして放出するＮＯxの吸放出作用を行う。そして、ＮＯx触媒から放出されたＮＯx（ＮＯ2またはＮＯ）は直ちに排気ガス中の未燃ＨＣやＣＯと反応してＮ2に還元せしめられる。
したがって、排気空燃比を適宜に制御すれば排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯxを浄化することができることになる。
【００３５】
尚、排気空燃比とは、ここではＮＯx触媒の上流側の排気通路やエンジン燃焼室、吸気通路等にそれぞれ供給された空気量の合計と燃料（炭化水素）量の合計の比を意味するものとする。したがって、ＮＯx触媒よりも上流の排気通路内に燃料、還元剤あるいは空気が供給されない場合には、排気空燃比はエンジン燃焼室内に供給される混合気の空燃比に一致する。
【００３６】
ところで、ディーゼルエンジンの場合は、ストイキ（理論空燃比、Ａ／Ｆ＝１３〜１４）よりもはるかにリーン域で燃焼が行われるので、通常の機関運転状態ではＮＯx触媒に流入する排気ガスの空燃比は非常にリーンであり、排気ガス中のＮＯxはＮＯx触媒に吸収され、ＮＯx触媒から放出されるＮＯx量は極めて少ない。
【００３７】
また、ガソリンエンジンの場合には、燃焼室に供給する混合気をストイキまたはリッチ空燃比にすることにより排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比にし、排気ガス中の酸素濃度を低下させて、ＮＯx触媒に吸収されているＮＯxを放出させることができるが、ディーゼルエンジンの場合には、燃焼室に供給する混合気をストイキまたはリッチ空燃比にすると燃焼の際に煤が発生するなどの問題があり採用することはできない。
【００３８】
したがって、ディーゼルエンジンでは、ＮＯx触媒のＮＯx吸収能力が飽和する前に所定のタイミングで、排気ガス中に還元剤を供給して排気ガス中の酸素濃度を低下せしめ、ＮＯx触媒に吸収されたＮＯxを放出し還元する必要がある。尚、前記還元剤としては、一般に、ディーゼルエンジンの燃料である軽油を使用する場合が多い。
【００３９】
そのため、この実施の形態では、ＥＣＵ９によりエンジン１の運転状態の履歴からＮＯx触媒に吸収されたＮＯx量を推定し、その推定ＮＯx量が予め設定した所定値に達したときに、所定時間だけ制御弁２３を開弁して所定量の燃料をケーシング１９の上流に供給し、ＮＯx触媒に流入する排気ガス中の酸素濃度を低下させ、ＮＯx触媒に吸収されたＮＯxを放出させ、Ｎ2に還元するようにしている。
【００４０】
この実施の形態における内燃機関の排気浄化装置では、ＥＣＵ９は、ＤＰＦ１８に坦持されたＮＯx触媒の触媒床温をＮＯx触媒における発熱を考慮して算出推定する触媒床温推定処理を行う。詳述すると、ＮＯx触媒においてＨＣ，ＣＯ，ＮＯxが反応するときには反応熱が生じる。このときに発生した熱が総て排気ガスおよびＮＯx触媒の加熱に消費され、且つ、排気ガスとＮＯx触媒が同一温度まで加熱されるものとして熱量計算を行い、触媒床温を推定するのである。
【００４１】
この実施の形態における触媒床温推定処理について図２を参照して説明する。触媒床温推定処理は、図２に示す触媒床温推定処理ルーチンに従って実行され、この触媒床温推定処理ルーチンは、ＥＣＵ９のＲＯＭに予め記憶されており、ＣＰＵによって繰り返し実行されるルーチンである。
【００４２】
＜ステップ１０１＞
まず、ＥＣＵ９は、ステップ１０１において、触媒床温Ｔcを初期値Ｔc0とする。ここで、初期値Ｔc0はいずれの値でもよく、例えばエンジン始動時における外気温とすることができる。
【００４３】
＜ステップ１０２＞
次に、ＥＣＵ９は、ステップ１０２に進み、現在のエンジン運転状態に基づいて、エンジン１から排出される排気ガスの温度Ｔex、該排気ガスに含まれる未燃ＨＣ量ＭHC、該排気ガスに含まれるＣＯ量ＭCOを、それぞれ、排気ガス温度マップ、ＨＣマップ、ＣＯマップ（いずれも図示せず）を参照して算出する。
【００４４】
ここで、前記エンジン運転状態とは、エンジン回転数Ｎ、吸入空気量Ｇa、燃焼室に噴射される燃料量Ｇfなどであり、このエンジン運転状態と排気ガス温度，排気ガス中のＨＣ量，排気ガス中のＣＯ量の関係を予め実験的に求めてマップ化し、それを前記排気温度マップ、ＨＣマップ、ＣＯマップとして予めＥＣＵ９のＲＯＭに記憶しておく。
【００４５】
＜ステップ１０３＞
次に、ＥＣＵ９は、ステップ１０３に進み、添加ノズル２１から排気ガス中に添加される燃料量Ｍfを算出する。この燃料量Ｍfは、例えば、制御弁２３の流量特性と制御弁２３の弁開度、開弁時間、添加インターバルなどに基づいて算出することができる。
【００４６】
＜ステップ１０４＞
次に、ＥＣＵ９は、ステップ１０４に進み、ＮＯx触媒で触媒反応が起こる前の排気ガスが有する熱量Ｑexを算出する。この熱量Ｑexは、例えば、次式により算出する。
Ｑex＝Ｍex・Ｃex・Ｔex
ここで、Ｍexは排気ガスの質量、Ｃexは排気ガスの比熱、Ｔexは排気ガス温度であり、排気ガスの質量Ｍexはエアフロメータ４の出力信号に基づいて算出し、排気ガス温度Ｔexはステップ１０２で算出した排気ガス温度を用いる。尚、排気ガスの比熱Ｃexは一定とする
【００４７】
＜ステップ１０５＞
次に、ＥＣＵ９は、ステップ１０５に進み、ＮＯx触媒で触媒反応が起こる前のＮＯx触媒が有する熱量Ｑcを算出する。この熱量Ｑcは、例えば、次式により算出する。
Ｑc＝Ｍc・Ｃc・Ｔc
ここで、ＭcはＮＯx触媒の質量、ＣcはＮＯx触媒の比熱であり、これら質量Ｍcおよび比熱Ｃcは一定である。Ｔcは触媒反応が起こる前のＮＯx触媒の触媒床温であり、ステップ１０５の処理を最初に実行するときには触媒床温の初期値Ｔc0を用いる。
【００４８】
＜ステップ１０６＞
次に、ＥＣＵ９は、ステップ１０６に進み、ＮＯx触媒において排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯxが反応するときに生じる反応熱、換言すれば、ＮＯx触媒における触媒反応によって発生する熱量Ｑcrを算出する。熱量Ｑcrは、例えば、次式により算出する。
Ｑcr＝（ＲHC・ＭHC）＋（Ｒco・Ｍco）＋（Ｒf・Ｍf）
ここで、ＲHCは排気ガス中の単位質量の未燃ＨＣが酸化反応したときに生じる反応熱、Ｒcoは排気ガス中の単位質量のＣＯが酸化反応したときに生じる反応熱、Ｒfは単位質量の燃料がＮＯx触媒で酸化反応したときに生じる反応熱であり、これらは一定とする。
【００４９】
＜ステップ１０７＞
次に、ＥＣＵ９は、ステップ１０７に進み、触媒反応後のＮＯx触媒の触媒床温Ｔcを推定する。ここで、ＮＯx触媒で触媒反応により発生した熱が総て排気ガスおよびＮＯx触媒の加熱に消費され、且つ、排気ガスとＮＯx触媒が同一温度Ｔcになるものと仮定すると、次式が成立する。
（Ｑex＋Ｑc＋Ｑcr）＝（Ｍex・Ｃex・Ｔc）＋（Ｍc・Ｃc・Ｔc）
この式の左辺は触媒反応前の熱量の総和を表し、右辺は触媒反応後の熱量の総和を表している。
【００５０】
したがって、触媒反応後のＮＯx触媒の触媒床温Ｔcは次式により算出することができる。
Ｔc＝（Ｑex＋Ｑc＋Ｑcr）／｛（Ｍex・Ｃex）＋（Ｍc・Ｃc）｝
【００５１】
ステップ１０７の実行完了により、本ルーチンの第１回目の処理サイクルが完了し、ＥＣＵは、第２回目の処理サイクルを実行すべくステップ１０２に戻る。そして、第２回目以後の処理サイクルにおけるステップ１０５では、前サイクルのステップ１０７で算出した触媒床温Ｔcを用いて、触媒反応前のＮＯx触媒が有する熱量を算出する。
【００５２】
ＥＣＵ９は、ステップ１０２からステップ１０９の処理を繰り返し実行して、刻々と変化するＮＯx触媒の触媒床温を推定し、更新していく。そして、更新された最新の触媒床温がＮＯx触媒の触媒床温として、この排気浄化装置の種々の制御に利用されることになる。
【００５３】
したがって、この実施の形態における排気浄化装置では、ＤＰＦ１８に坦持されているＮＯx触媒の触媒床温を直接計測する温度検出手段を備えなくても、ＮＯx触媒の触媒床温を知ることができる。
【００５４】
この実施の形態では、ＥＣＵ９が触媒床温推定処理ルーチンを実行することにより、本発明における排気ガス温検出手段、ＨＣ，ＣＯ量推定手段、触媒床温推定手段が実現される。
【００５５】
前述したように、この排気浄化装置ではＮＯx触媒の触媒床温を推定することができるので、触媒床温を直接計測する温度検出手段は不要なのであるが、この実施の形態では、排気浄化装置に対するフェールセーフを実現するために、ケーシング１９の下流に出ガス温センサ（触媒床温計測手段）２４を設けている。この実施の形態のフェールセーフシステムでは、出ガス温センサ２４で実測された出ガス温度を触媒床温の実測値（以下、実測触媒床温という）Ｔc2として代用する。
【００５６】
前記実測触媒床温Ｔc2が、前述した触媒床温推定処理の実行により推定されたＮＯx触媒の触媒床温（以下、推定触媒床温という）Ｔc1よりも大幅に低い場合には、添加ノズル２１から排気ガス中に供給された燃料（ＨＣ）がＮＯx触媒で反応せずにＮＯx触媒に付着していると考えられる。このようにＮＯx触媒に付着したＨＣは、所定の温度条件を満足したときに燃焼し始めてＮＯx触媒の触媒床温を異常上昇させ、ＮＯx触媒の熱劣化を促進する虞れがある。
【００５７】
一方、前記実測触媒床温Ｔc2が推定触媒床温Ｔc1よりも大幅に高い場合には、添加ノズル２１から排気ガス中に供給された燃料（ＨＣ）量が指令供給量よりも多いと考えられ、原因として制御弁２３の作動不良などが考えられる。
【００５８】
そこで、この実施の形態の排気浄化装置では、推定触媒床温Ｔc1と実測触媒床温Ｔc2の誤差△ｔが所定の許容誤差範囲から外れている場合には、排気浄化装置が異常であると判定して、添加ノズル２１からの燃料添加の実行を禁止することにした。
【００５９】
次に、排気浄化装置の異常判定処理について図３を参照して説明する。異常判定処理は、図３に示す異常判定処理ルーチンに従って実行され、この異常判定処理ルーチンは、ＥＣＵ９のＲＯＭに予め記憶されており、ＣＰＵによって繰り返し実行されるルーチンである。
【００６０】
＜ステップ２０１＞
まず、ＥＣＵ９は、ステップ２０１において、推定触媒床温Ｔc1と実測触媒床温Ｔc2を読み込む。
【００６１】
＜ステップ２０２＞
次に、ＥＣＵ９は、ステップ２０２に進み、エンジン運転状態（吸入空気量Ｇa、エンジン回転数Ｎ）、および、添加ノズル２１から排気ガスへの燃料添加条件（燃料添加量、添加インターバル）に基づき、許容誤差マップ（図示せず）を参照して、推定触媒床温Ｔc1と実測触媒床温Ｔc2との最大許容誤差Ｄmaxを算出する。
【００６２】
尚、前記許容誤差マップは、前記エンジン運転状態および前記燃料添加条件に応じて予め最大許容誤差を設定しこれをマップ化したものであり、この許容誤差マップを予めＥＣＵ９のＲＯＭに記憶しておく。
【００６３】
＜ステップ２０３＞
次に、ＥＣＵ９は、推定触媒床温Ｔc1と実測触媒床温Ｔc2との誤差△ｔ（絶対値）を算出する。
△ｔ＝｜（Ｔc1−Ｔc2）｜
【００６４】
＜ステップ２０４＞
次に、ＥＣＵ９は、ステップ２０４に進み、ステップ２０３で算出した誤差△ｔがステップ２０２で算出した最大許容誤差Ｄmaxよりも大きいか否か判定する。
ステップ２０４において否定判定した場合には、誤差△ｔは許容誤差範囲であるので、排気浄化装置が正常に稼働していると判定して、ＥＣＵ９は、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００６５】
＜ステップ２０５＞
一方、ステップ２０４において肯定判定した場合には、前述したように、添加ノズル２１から排気ガス中に供給された燃料（ＨＣ）がＮＯx触媒に付着しているか、あるいは、添加ノズル２１から排気ガス中に供給された燃料（ＨＣ）量が指令供給量よりも多いと考えられるので、排気浄化装置が異常であると判定して、ＥＣＵ９は、ステップ２０５に進み、添加ノズル２１からの燃料添加の実行を禁止する。
【００６６】
この実施の形態では、ＥＣＵ９が異常判定処理ルーチンを実行することにより、本発明における誤差算出手段、還元剤供給禁止手段が実現される。
【００６７】
次に、この排気浄化装置におけるＮＯx触媒に対する昇温処理について説明する。
排気浄化装置においては、何らかの理由によりＮＯx触媒を昇温させたい場合がある。例えば、ＮＯx触媒に対してＳＯx被毒回復処理を行うときにはＮＯx触媒をＳＯx放出温度以上の高温にする必要がある。
【００６８】
ここで、ＮＯx触媒のＳＯx被毒について簡単に説明する。一般に、内燃機関の燃料には硫黄分が含まれており、内燃機関で燃料を燃焼すると、燃料中の硫黄分が燃焼してＳＯ2やＳＯ3などの硫黄酸化物（ＳＯx）が発生する。吸蔵還元型ＮＯx触媒は、ＮＯxの吸収作用を行うのと同じメカニズムで排気ガス中のＳＯxを吸収する。
【００６９】
ところが、ＮＯx触媒に吸収されたＳＯxは時間経過とともに安定な硫酸塩を形成するため、ＮＯx触媒からＮＯxの放出・還元を行うのと同じ条件下では、分解、放出されにくく触媒内に蓄積され易い傾向がある。ＮＯx触媒内のＳＯx蓄積量が増大すると、触媒のＮＯx吸収容量が減少して排気ガス中のＮＯxの除去を十分に行うことができなくなりＮＯx浄化率が低下する。これが所謂ＳＯx被毒である。
【００７０】
このＳＯx被毒から回復させるために行う処理をＳＯx被毒回復処理と称しているが、ＳＯx被毒回復処理は、ＮＯx触媒の触媒床温をＳＯx放出温度以上にするとともに、ＮＯx触媒に流入する排気ガスの空燃比（排気空燃比）を理論空燃比またはそれよりもリッチにすることにより行っている。
【００７１】
したがって、ＮＯx触媒のＳＯx被毒回復処理の実行時期に、ＮＯx触媒の触媒床温がＳＯx放出温度に達していないときには、昇温処理を行う必要がある。
このＳＯx被毒回復処理のときに限らず、ＮＯx触媒を昇温する必要がある場合、従来は、排気空燃比をリッチ空燃比にして、排気ガス中に含まれる未燃ＨＣをＮＯx触媒において酸化させることにより、ＮＯx触媒を昇温していた。
【００７２】
しかしながら、このように排気空燃比をリッチ空燃比にしてＮＯx触媒の昇温処理を行うと、ＮＯx触媒で酸化されずにすり抜けてしまう未燃ＨＣの量が多くなって、燃費が悪化する場合があった。
【００７３】
この原因は、ＮＯx触媒におけるＨＣ浄化率の温度特性にある。図４はＮＯx触媒におけるＨＣ浄化率温度特性を示すものであり、ＮＯx触媒の触媒床温が低いほどＨＣ浄化率が低く、触媒床温の上昇とともにＨＣ浄化率が上昇していき、触媒床温がある温度（以下、この触媒床温をＨＣ高浄化温度という）Ｔcx以上になるとＨＣ浄化率が高レベルで安定する。
【００７４】
したがって、ＮＯx触媒の触媒床温が低いときに排気空燃比をリッチ空燃比にしても、ＮＯx触媒で浄化されるＨＣ量が少なく、換言すれば、ＮＯx触媒で酸化されるＨＣ量が少なく、排気ガス中の多くのＨＣがＮＯx触媒をすり抜けてしまう。
【００７５】
そこで、この実施の形態の排気浄化装置では、ＮＯx触媒を昇温処理するときに、ＮＯx触媒の触媒床温がＨＣ高浄化温度Ｔcxよりも低いときには排気空燃比を理論空燃比あるいはそれよりも若干リーンにし、ＮＯx触媒の触媒床温がＨＣ高浄化温度Ｔcx以上のときには排気空燃比をリッチ空燃比にすることにした。これにより、触媒床温が低いときにはＨＣのすり抜けを抑制しつつＮＯx触媒を昇温することができ、触媒床温がある程度高いときにはより効率的に昇温することができ、その結果、燃費悪化を抑制しつつＮＯx触媒の昇温処理を行うことができることとなる。
【００７６】
ここで、昇温処理を行う際に、リッチ空燃比を連続して保持すると、酸素不足になってＨＣが燃焼しないこともあり得るため、このような虞れがある場合には、リッチ空燃比の間に瞬間的な理論空燃比あるいはそれよりもリーン空燃比の期間を設けて酸素不足が生じないようにするのが好ましい。
【００７７】
この実施の形態におけるＮＯx触媒の昇温処理制御について図６を参照して説明する。ＮＯx触媒の昇温処理は、図６に示す昇温処理ルーチンに従って実行され、この昇温処理ルーチンは、ＥＣＵ９のＲＯＭに予め記憶されており、ＣＰＵによって繰り返し実行されるルーチンである。
【００７８】
＜ステップ３０１＞
まず、ＥＣＵ９は、ステップ３０１において、排気系に燃料添加を行って昇温処理を実行すべきとする実行指令があるか否か判定する。ステップ３０１において否定判定した場合には、ＥＣＵ９は、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００７９】
＜ステップ３０２＞
ステップ３０１において肯定判定した場合には、ＥＣＵ９は、ステップ３０２に進んで、現在のＮＯx触媒の触媒床温を読み込む。この実施の形態では、ＮＯx触媒の触媒床温として、前述の触媒床温推定処理で算出した最新の推定触媒床温Ｔc1を読み込む。
【００８０】
＜ステップ３０３＞
次に、ＥＣＵ９は、ステップ３０３に進み、ステップ３０２で読み込んだ推定触媒床温Ｔc1に基づいて、図５に示す排気空燃比マップを参照して目標排気空燃比ＡＦを算出する。
【００８１】
この実施の形態における排気空燃比マップでは、推定触媒床温Ｔc1がＨＣ高浄化温度Ｔcxよりも低いときには目標排気空燃比を理論空燃比よりも若干リーンな一定値のリーン空燃比ＡＦ1とし、推定触媒床温Ｔc1がＨＣ高浄化温度Ｔcx以上のときには目標排気空燃比を理論空燃比よりもリッチな一定値のリッチ空燃比ＡＦ2とした。この排気空燃比マップはＥＣＵ９のＲＯＭに予め記憶しておく。
【００８２】
＜ステップ３０４＞
次に、ＥＣＵ９は、ステップ３０４に進み、エアフロメータ５の出力信号に基づいて単位時間当たりの吸入空気量Ｇaを算出する。
【００８３】
＜ステップ３０５＞
次に、ＥＣＵ９は、ステップ３０５に進み、ステップ３０３で算出した目標排気空燃比ＡＦと、ステップ３０４で算出した単位時間当たりの吸入空気量Ｇaから、単位時間当たりの必要燃料量Ｇtを算出する。
【００８４】
＜ステップ３０６＞
次に、ＥＣＵ９は、ステップ３０６に進み、単位時間当たりに燃料噴射弁１０から気筒内に噴射される燃料量Ｇfを読み込む。
【００８５】
＜ステップ３０７＞
次に、ＥＣＵ９は、ステップ３０７に進み、単位時間当たりに添加ノズル２１から排気ガス中に添加すべき燃料添加量Ｇinjを次式より算出する。
Ｇinj＝Ｇt−Ｇinj
【００８６】
＜ステップ３０８＞
次に、ＥＣＵ９は、ステップ３０８に進み、添加ノズル２１から排気ガス中に添加される燃料量が、ステップ３０７で算出した燃料添加量Ｇinjになるように添加条件（制御弁２３の弁開度、開弁期間、添加インターバルなど）を設定して、排気系への燃料添加を実行する。これにより、排気空燃比をステップ３０３で算出した目標排気空燃比ＡＦにすることができる。
ステップ３０８の処理完了により、ＥＣＵ９は、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００８７】
この実施の形態では、ＥＣＵ９が昇温処理ルーチンを実行することにより、本発明における還元剤供給量算出手段が実現される。
【００８８】
【発明の効果】
本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置によれば、リーンＮＯx触媒と、還元剤供給手段と、排気ガス温検出手段と、前記内燃機関の運転状態から排気ガス中に含まれるＨＣ量およびＣＯ量を推定するＨＣ，ＣＯ量推定手段と、前記還元剤供給手段から供給された還元剤および排気ガス中のＨＣ，ＣＯが前記リーンＮＯx触媒で反応したときの発熱量を考慮してリーンＮＯx触媒の触媒床温を推定する触媒床温推定手段と、を備えることにより、リーンＮＯx触媒の触媒床温を実測しなくても精度よく推定することができるという優れた効果が奏される。
【００８９】
また、リーンＮＯx触媒の触媒床温を計測する触媒床温計測手段と、前記触媒床温推定手段により推定された触媒床温と前記触媒床温計測手段により計測された触媒床温との誤差を算出する誤差算出手段と、前記誤差算出手段により算出された誤差が許容誤差範囲から外れているときに前記還元剤供給手段による還元剤供給を禁止する還元剤供給禁止手段と、を備える場合には、排気浄化装置が異常と考えられるときにリーンＮＯx触媒への還元剤供給を禁止することができる。
【００９０】
また、本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置によれば、リーンＮＯx触媒と、還元剤供給手段と、触媒床温検出手段と、前記リーンＮＯx触媒を昇温すべきときに前記触媒床温検出手段により検出された触媒床温が設定温度よりも低い場合にはリーンＮＯx触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比あるいはそれよりも若干リーンにし前記触媒床温が前記設定温度以上の場合には前記空燃比を理論空燃比よりもリッチになるように前記還元剤供給手段からの還元剤供給量を算出する還元剤供給量算出手段と、を備えることにより、リーンＮＯx触媒を昇温処理しているときのＨＣのすり抜けを少なくすることができるという優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置の一実施の形態における概略構成を示す図である。
【図２】 前記実施の形態の排気浄化装置における触媒床温推定処理ルーチンである。
【図３】 前記実施の形態の排気浄化装置における異常判定処理ルーチンである。
【図４】 前記実施の形態のリーンＮＯx触媒のＨＣ浄化率温度特性図である。
【図５】 前記実施の形態の排気浄化装置における排気空燃比マップである。
【図６】 前記実施の形態の排気浄化装置における昇温処理ルーチンである。
【符号の説明】
１ ディーゼルエンジン（内燃機関）
２ 吸気マニホールド
３ 吸気管
５ エアフロメータ
６ ターボチャージャ
８ スロットルバルブ
９ ＥＣＵ（エンジンコントロール用電子制御ユニット）
１０ 燃料噴射弁
１１ コモンレール
１２ 燃料ポンプ
１３ 排気マニホールド（排気通路）
１４ 排気管（排気通路）
１８ リーンＮＯx触媒坦持ＤＰＦ
２１ 添加ノズル（還元剤供給装置）
２２ 燃料供給管（還元剤供給装置）
２３ 制御弁（還元剤供給装置）
２４ 出ガス温センサ（触媒床温計測手段、触媒床温検出手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、希薄燃焼可能な内燃機関から排出される排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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希薄燃焼可能な内燃機関から排出される排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置として、選択還元型ＮＯx触媒や吸蔵還元型ＮＯx触媒などのリーンＮＯx触媒がある。
【０００３】
選択還元型ＮＯx触媒は、酸素過剰の雰囲気で炭化水素（ＨＣ）の存在下でＮＯxを還元または分解する触媒であり、この選択還元型ＮＯx触媒でＮＯxを浄化するためには適量のＨＣ成分（還元剤）が必要とされる。この選択還元型ＮＯx触媒を前記内燃機関の排気浄化に用いる場合、該内燃機関の通常運転時の排気中のＨＣ成分の量は極めて少ないので、通常運転時にＮＯxを浄化するためには、選択還元型ＮＯx触媒にＨＣ成分を供給する必要がある。
【０００４】
一方、吸蔵還元型ＮＯx触媒は、流入排気ガスの空燃比がリーンのときはＮＯxを吸収し、流入排気ガスの酸素濃度が低下すると吸収したＮＯxを放出し、Ｎ2に還元するする触媒である。
【０００５】
この吸蔵還元型ＮＯx触媒を前記内燃機関の排気浄化に用いる場合、該内燃機関では通常運転時の排気ガスの空燃比がリーンであるため、排気ガス中のＮＯxがＮＯx触媒に吸収されることとなる。しかしながら、リーン空燃比の排気ガスをＮＯx触媒に供給し続けると、ＮＯx触媒のＮＯx吸収能力が飽和に達し、それ以上、ＮＯxを吸収できなくなり、ＮＯxをリークさせることとなる。そこで、吸蔵還元型ＮＯx触媒では、ＮＯx吸収能力が飽和する前に所定のタイミングで流入排気ガスの空燃比をリッチにすることによって酸素濃度を極度に低下させ、ＮＯx触媒に吸収されているＮＯxを放出してＮ2に還元し、ＮＯx触媒のＮＯx吸収能力を回復させる必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
これらリーンＮＯx触媒を用いた排気浄化システムにおいては、リーンＮＯx触媒の触媒床温の管理が非常に重要である。
例えば、リーンＮＯx触媒には活性温度があり、触媒床温がこの活性温度範囲から外れると、浄化能力が極度に低下する。そこで浄化率を高く維持するために、従来から種々の触媒床温の制御方法が提案されており、それには刻々と変化する触媒床温を検出するための触媒床温検出手段が必要であった。
【０００７】
具体的には、例えば、特開平１０−４７０４８号公報には、リーンＮＯx触媒に流入する排気ガス温度（入ガス温度）を検出する入ガス温センサと、リーンＮＯx触媒の触媒床温を検出する触媒温センサを設け、まず、触媒床温に基づいてリーンＮＯx触媒に供給すべき還元剤の基本供給量を算出し、さらに、この基本供給量を、入ガス温度と触媒床温との温度差に基づいて補正し、補正後の供給量の還元剤をリーンＮＯx触媒に供給することにより、触媒床温を活性温度範囲から外れないようにする技術が開示されている。ここでも、触媒床温検出手段として触媒温センサを必要としている。
【０００８】
しかしながら、触媒床温検出手段を備えることなく触媒床温を管理することができれば、搭載性、軽量化、コストダウン等の上で非常に有利である。
また、触媒床温を推定することができれば、推定される触媒床温と実測した触媒床温との比較により、リーンＮＯx触媒への還元剤供給が適切になされているかなどを判定することもできる。
【０００９】
本発明はこのような従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、内燃機関の運転状態やＮＯx触媒における反応熱を考慮してＮＯx触媒の触媒床温を算出推定することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置は、希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に設けられたリーンＮＯx触媒と、前記リーンＮＯx触媒に還元剤を供給する還元剤供給手段と、前記内燃機関から排出される排気ガスの温度を計測または推定する排気ガス温検出手段と、前記内燃機関の運転状態から排気ガス中に含まれるＨＣ量およびＣＯ量を推定するＨＣ，ＣＯ量推定手段と、前記還元剤供給手段から供給された還元剤および排気ガス中のＨＣ，ＣＯが前記リーンＮＯx触媒で反応したときの発熱量を考慮してリーンＮＯx触媒の触媒床温を推定する触媒床温推定手段と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
内燃機関から排出された排気ガス中に含まれているＨＣ，ＣＯ、前記還元剤供給手段からリーンＮＯx触媒に供給された還元剤は、リーンＮＯx触媒において化学反応を起こし、その際に反応熱が生じて発熱し、この発熱によりリーンＮＯx触媒と排気ガスが昇温する。触媒床温推定手段は、リーンＮＯx触媒における前記反応による発熱量を算出推定し、この発熱量を基にリーンＮＯx触媒の触媒床温を推定する。
【００１２】
本発明において、リーンＮＯx触媒としては、吸蔵還元型ＮＯx触媒あるいは選択還元型ＮＯx触媒を例示することができる。
吸蔵還元型ＮＯx触媒は、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯxを吸収し、流入する排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯxを放出し、Ｎ2に還元する触媒である。この吸蔵還元型ＮＯx触媒は、例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されてなる。
【００１３】
選択還元型ＮＯx触媒は、酸素過剰の雰囲気で炭化水素の存在下でＮＯxを還元または分解する触媒をいい、ゼオライトにＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持した触媒、ゼオライトまたはアルミナに貴金属を担持した触媒、等が含まれる。
【００１４】
本発明において、還元剤供給手段は、ポンプ、添加ノズルなどから構成することができる。
本発明において、排気ガス温検出手段は、内燃機関から排出される排気ガスの温度を実際に計測するものであってもよいし、あるいは、内燃機関の運転状態に基づいて排気ガスの温度を推定するものであってもよい。
【００１５】
本発明において、ＨＣ，ＣＯ量推定手段は、内燃機関の運転状態と排気ガス中のＨＣ量（ＨＣ濃度）あるいはＣＯ量（ＣＯ濃度）とを対応させたマップなどを用いて排気ガス中のＨＣ量、ＣＯ量を推定することができる。
【００１６】
前述した本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置においては、前記リーンＮＯx触媒の触媒床温を計測する触媒床温計測手段と、前記触媒床温推定手段により推定された触媒床温と前記触媒床温計測手段により計測された触媒床温との誤差を算出する誤差算出手段と、前記誤差算出手段により算出された誤差が許容誤差範囲から外れているときに前記還元剤供給手段による還元剤供給を禁止する還元剤供給禁止手段と、を備えることができる。
【００１７】
これは、前記触媒床温推定手段により推定した触媒床温の利用法の一例である。誤差算出手段により算出された誤差が許容誤差範囲から外れているときには排気浄化装置が異常であると考えられる。例えば、前記触媒床温計測手段により計測された触媒床温が触媒床温推定手段により推定された触媒床温よりも大幅に低い場合には、還元剤供給手段により供給された還元剤がリーンＮＯx触媒で反応せずにリーンＮＯx触媒に付着していると考えられる。その逆に、前記触媒床温計測手段により計測された触媒床温が触媒床温推定手段により推定された触媒床温よりも大幅に高い場合には、還元剤供給手段により供給された還元剤が指令供給量よりも多いと考えられ、原因として還元剤供給手段の制御不良などが考えられる。そこで、このようなときには、還元剤供給禁止手段が還元剤供給手段によるリーンＮＯx触媒への還元剤供給を禁止する。
【００１８】
前記触媒床温計測手段は、リーンＮＯx触媒の触媒床温を実際に計測するものであってもよいし、触媒床温として代用可能なリーンＮＯx触媒出口における排気ガス温度を実際に計測するものであってもよい。
【００１９】
また、本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置は、希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に設けられたリーンＮＯx触媒と、前記リーンＮＯx触媒に還元剤を供給する還元剤供給手段と、前記リーンＮＯx触媒の触媒床温を計測または推定する触媒床温検出手段と、前記リーンＮＯx触媒を昇温すべきときに前記触媒床温検出手段により検出された触媒床温が設定温度よりも低い場合にはリーンＮＯx触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比あるいはそれよりも若干リーンにし前記触媒床温が前記設定温度以上の場合には前記空燃比を理論空燃比よりもリッチになるように前記還元剤供給手段からの還元剤供給量を算出する還元剤供給量算出手段と、を備えることを特徴とする。
【００２０】
リーンＮＯx触媒は、その触媒床温が低いほどＨＣ浄化率が低く、触媒床温が高いほどＨＣ浄化率が高いという特性がある。したがって、リーンＮＯx触媒の触媒床温が低いときに排気空燃比をリッチ空燃比にしても、リーンＮＯx触媒で浄化されるＨＣ量が少なく、排気ガス中の多くのＨＣがＮＯx触媒をすり抜けてしまう。
【００２１】
そこで、本発明では、ＮＯx触媒を昇温処理するときには、触媒床温が設定温度よりも低いときには排気空燃比を理論空燃比あるいはそれよりも若干リーンにし、触媒床温が前記設定温度以上のときには排気空燃比をリッチ空燃比にする。そして、排気空燃比がそのようになるように、還元剤供給量算出手段が還元剤供給手段からの還元剤供給量を算出する。これにより、触媒床温が低いときにはＨＣのすり抜けを抑制しつつリーンＮＯx触媒を昇温することができ、触媒床温がある程度高いときにはより効率的にリーンＮＯx触媒を昇温することができる。
【００２２】
本発明において、リーンＮＯx触媒としては、吸蔵還元型ＮＯx触媒あるいは選択還元型ＮＯx触媒を例示することができる。
本発明において、還元剤供給手段は、ポンプ、添加ノズルなどから構成することができる。
本発明において、触媒床温検出手段は、リーンＮＯx触媒の触媒床温を実際に計測するものであってもよいし、あるいは、内燃機関の運転状態などからリーンＮＯx触媒の触媒床温を推定するものであってもよい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置の実施の形態を図１から図６の図面に基いて説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置を内燃機関としての車両駆動用ディーゼルエンジンに適用した態様である。
【００２４】
図１は、この実施の形態における内燃機関の排気浄化装置の全体構成を示す図である。この図において、エンジン１は直列４気筒ディーゼルエンジンであり、各気筒の燃焼室には吸気マニホールド２および吸気管３を介して吸気が導入される。吸気管３の始端にはエアクリーナ４が設けられ、吸気管３の途中には、エアフロメータ５、ターボチャージャ６のコンプレッサ６ａ、インタークーラ７、スロットルバルブ８が設けられている。
【００２５】
エアフロメータ５はエアクリーナ４を介して吸気管３に流入する新気の空気量に応じた出力信号をエンジンコントロール用電子制御ユニット（ＥＣＵ）９に出力し、ＥＣＵ９はエアフロメータ５の出力信号に基づいて吸入空気量を演算する。
【００２６】
また、エンジン１の各気筒の燃焼室にはそれぞれ燃料噴射弁１０から燃料（軽油）が噴射される。各燃料噴射弁１０はコモンレール１１に接続されており、コモンレール１１には燃料ポンプ１２から燃料が供給される。燃料ポンプ１２はエンジン１の図示しないクランクシャフトによって駆動される。各燃料噴射弁１０の開弁時期および開弁期間は、エンジン１の運転状態に応じてＥＣＵ９によって制御される。
【００２７】
また、エンジン１の各気筒の燃焼室で生じた排気ガスは、排気マニホールド１３を介して排気管１４に排出され、図示しないマフラーを介して大気に排出される。排気マニホールド１３に排出された排気ガスの一部は、排気還流管１５を介して吸気マニホールド２に再循環可能になっており、排気還流管１５の途中にはＥＧＲクーラ１６とＥＧＲ弁１７が設けられている。ＥＧＲ弁１７は、エンジン１の運転状態に応じてＥＣＵ９によって開度制御され、排気還流量を制御する。
【００２８】
排気管１４の途中には、ターボチャージャ６のタービン６ｂ、吸蔵還元型ＮＯx触媒（リーンＮＯx触媒）を坦持したＤＰＦ１８を収容したケーシング１９、排気絞り弁２０が設けられている。タービン６ｂは排気ガスによって駆動され、タービン６ｂに連結されたコンプレッサ６ａを駆動して吸気を昇圧する。ＤＰＦ１８は、排気ガス中の粒子状物質（煤等）を捕集するフィルタエレメントに吸蔵還元型ＮＯx触媒を坦持して構成されており、排気ガス中の粒子状物質を捕集するとともに、排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯxを浄化することができるものである。吸蔵還元型ＮＯx触媒については後で詳述する。排気絞り弁２０は、エンジン１の運転状態に応じてＥＣＵ９によって制御される。
【００２９】
また、排気管１４においてケーシング１９の直ぐ上流には、ＤＰＦ１８の吸蔵還元型ＮＯx触媒に還元剤としての燃料（軽油）を供給するための添加ノズル２１が設けられている。添加ノズル２１には燃料ポンプ１２で昇圧された燃料の一部が燃料供給管２２を介して供給されており、燃料供給管２２には、添加ノズル２１から噴射される燃料量を制御するための制御弁２３が設けられている。制御弁２３の弁開度、開弁期間、開弁インターバルなどはＥＣＵ９によって制御される。この実施の形態において、添加ノズル２１と燃料供給管２２と制御弁２３は、還元剤供給手段を構成する。
【００３０】
排気管１４においてケーシング１９の直ぐ下流には、ケーシング１９から流出する排気ガス（以下、出ガスという）の温度に対応した出力信号をＥＣＵ９に出力する出ガス温センサ２４が設けられている。
【００３１】
ＥＣＵ９はデジタルコンピュータからなり、双方向バスによって相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＣＰＵ（セントラルプロセッサユニット）、入力ポート、出力ポートを具備し、エンジン１の燃料噴射量制御等の基本制御を行うほか、この実施の形態では、ＤＰＦ１８に坦持されているＮＯx触媒の触媒床温推定処理等を行っている。
【００３２】
これら制御のために、ＥＣＵ９の入力ポートには、アクセル開度センサ６１からの入力信号と、クランク角センサ６２からの入力信号が入力される。アクセル開度センサ６１はアクセル開度に比例した出力電圧をＥＣＵ９に出力し、ＥＣＵ９はアクセル開度センサ６１の出力信号に基づいてエンジン負荷を演算する。クランク角センサ６２はクランクシャフトが一定角度回転する毎に出力パルスをＥＣＵ９に出力し、ＥＣＵ９はこの出力パルスに基づいてエンジン回転数を演算する。これらエンジン負荷とエンジン回転数によってエンジン運転状態が判別され、ＥＣＵ９はエンジン運転状態に応じた燃料噴射量を噴射量マップ（図示せず）を参照して算出し、算出された燃料噴射量に対応する燃料噴射弁１０の開弁期間を算出して、燃料噴射弁１０の作動を制御する。
【００３３】
次に、ＤＰＦ１８に坦持された吸蔵還元型ＮＯx触媒（以下、ＮＯx触媒ということもある）について説明する。
吸蔵還元型ＮＯx触媒は、例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されてなる。
【００３４】
このＮＯx触媒は、流入排気ガスの空燃比（以下、排気空燃比と称す）が理論空燃比よりもリーンのときはＮＯxを吸収し、排気空燃比が理論空燃比あるいはそれよりもリッチになって流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯxをＮＯ2またはＮＯとして放出するＮＯxの吸放出作用を行う。そして、ＮＯx触媒から放出されたＮＯx（ＮＯ2またはＮＯ）は直ちに排気ガス中の未燃ＨＣやＣＯと反応してＮ2に還元せしめられる。
したがって、排気空燃比を適宜に制御すれば排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯxを浄化することができることになる。
【００３５】
尚、排気空燃比とは、ここではＮＯx触媒の上流側の排気通路やエンジン燃焼室、吸気通路等にそれぞれ供給された空気量の合計と燃料（炭化水素）量の合計の比を意味するものとする。したがって、ＮＯx触媒よりも上流の排気通路内に燃料、還元剤あるいは空気が供給されない場合には、排気空燃比はエンジン燃焼室内に供給される混合気の空燃比に一致する。
【００３６】
ところで、ディーゼルエンジンの場合は、ストイキ（理論空燃比、Ａ／Ｆ＝１３〜１４）よりもはるかにリーン域で燃焼が行われるので、通常の機関運転状態ではＮＯx触媒に流入する排気ガスの空燃比は非常にリーンであり、排気ガス中のＮＯxはＮＯx触媒に吸収され、ＮＯx触媒から放出されるＮＯx量は極めて少ない。
【００３７】
また、ガソリンエンジンの場合には、燃焼室に供給する混合気をストイキまたはリッチ空燃比にすることにより排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比にし、排気ガス中の酸素濃度を低下させて、ＮＯx触媒に吸収されているＮＯxを放出させることができるが、ディーゼルエンジンの場合には、燃焼室に供給する混合気をストイキまたはリッチ空燃比にすると燃焼の際に煤が発生するなどの問題があり採用することはできない。
【００３８】
したがって、ディーゼルエンジンでは、ＮＯx触媒のＮＯx吸収能力が飽和する前に所定のタイミングで、排気ガス中に還元剤を供給して排気ガス中の酸素濃度を低下せしめ、ＮＯx触媒に吸収されたＮＯxを放出し還元する必要がある。尚、前記還元剤としては、一般に、ディーゼルエンジンの燃料である軽油を使用する場合が多い。
【００３９】
そのため、この実施の形態では、ＥＣＵ９によりエンジン１の運転状態の履歴からＮＯx触媒に吸収されたＮＯx量を推定し、その推定ＮＯx量が予め設定した所定値に達したときに、所定時間だけ制御弁２３を開弁して所定量の燃料をケーシング１９の上流に供給し、ＮＯx触媒に流入する排気ガス中の酸素濃度を低下させ、ＮＯx触媒に吸収されたＮＯxを放出させ、Ｎ2に還元するようにしている。
【００４０】
この実施の形態における内燃機関の排気浄化装置では、ＥＣＵ９は、ＤＰＦ１８に坦持されたＮＯx触媒の触媒床温をＮＯx触媒における発熱を考慮して算出推定する触媒床温推定処理を行う。詳述すると、ＮＯx触媒においてＨＣ，ＣＯ，ＮＯxが反応するときには反応熱が生じる。このときに発生した熱が総て排気ガスおよびＮＯx触媒の加熱に消費され、且つ、排気ガスとＮＯx触媒が同一温度まで加熱されるものとして熱量計算を行い、触媒床温を推定するのである。
【００４１】
この実施の形態における触媒床温推定処理について図２を参照して説明する。触媒床温推定処理は、図２に示す触媒床温推定処理ルーチンに従って実行され、この触媒床温推定処理ルーチンは、ＥＣＵ９のＲＯＭに予め記憶されており、ＣＰＵによって繰り返し実行されるルーチンである。
【００４２】
＜ステップ１０１＞
まず、ＥＣＵ９は、ステップ１０１において、触媒床温Ｔcを初期値Ｔc0とする。ここで、初期値Ｔc0はいずれの値でもよく、例えばエンジン始動時における外気温とすることができる。
【００４３】
＜ステップ１０２＞
次に、ＥＣＵ９は、ステップ１０２に進み、現在のエンジン運転状態に基づいて、エンジン１から排出される排気ガスの温度Ｔex、該排気ガスに含まれる未燃ＨＣ量ＭHC、該排気ガスに含まれるＣＯ量ＭCOを、それぞれ、排気ガス温度マップ、ＨＣマップ、ＣＯマップ（いずれも図示せず）を参照して算出する。
【００４４】
ここで、前記エンジン運転状態とは、エンジン回転数Ｎ、吸入空気量Ｇa、燃焼室に噴射される燃料量Ｇfなどであり、このエンジン運転状態と排気ガス温度，排気ガス中のＨＣ量，排気ガス中のＣＯ量の関係を予め実験的に求めてマップ化し、それを前記排気温度マップ、ＨＣマップ、ＣＯマップとして予めＥＣＵ９のＲＯＭに記憶しておく。
【００４５】
＜ステップ１０３＞
次に、ＥＣＵ９は、ステップ１０３に進み、添加ノズル２１から排気ガス中に添加される燃料量Ｍfを算出する。この燃料量Ｍfは、例えば、制御弁２３の流量特性と制御弁２３の弁開度、開弁時間、添加インターバルなどに基づいて算出することができる。
【００４６】
＜ステップ１０４＞
次に、ＥＣＵ９は、ステップ１０４に進み、ＮＯx触媒で触媒反応が起こる前の排気ガスが有する熱量Ｑexを算出する。この熱量Ｑexは、例えば、次式により算出する。
Ｑex＝Ｍex・Ｃex・Ｔex
ここで、Ｍexは排気ガスの質量、Ｃexは排気ガスの比熱、Ｔexは排気ガス温度であり、排気ガスの質量Ｍexはエアフロメータ４の出力信号に基づいて算出し、排気ガス温度Ｔexはステップ１０２で算出した排気ガス温度を用いる。尚、排気ガスの比熱Ｃexは一定とする
【００４７】
＜ステップ１０５＞
次に、ＥＣＵ９は、ステップ１０５に進み、ＮＯx触媒で触媒反応が起こる前のＮＯx触媒が有する熱量Ｑcを算出する。この熱量Ｑcは、例えば、次式により算出する。
Ｑc＝Ｍc・Ｃc・Ｔc
ここで、ＭcはＮＯx触媒の質量、ＣcはＮＯx触媒の比熱であり、これら質量Ｍcおよび比熱Ｃcは一定である。Ｔcは触媒反応が起こる前のＮＯx触媒の触媒床温であり、ステップ１０５の処理を最初に実行するときには触媒床温の初期値Ｔc0を用いる。
【００４８】
＜ステップ１０６＞
次に、ＥＣＵ９は、ステップ１０６に進み、ＮＯx触媒において排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯxが反応するときに生じる反応熱、換言すれば、ＮＯx触媒における触媒反応によって発生する熱量Ｑcrを算出する。熱量Ｑcrは、例えば、次式により算出する。
Ｑcr＝（ＲHC・ＭHC）＋（Ｒco・Ｍco）＋（Ｒf・Ｍf）
ここで、ＲHCは排気ガス中の単位質量の未燃ＨＣが酸化反応したときに生じる反応熱、Ｒcoは排気ガス中の単位質量のＣＯが酸化反応したときに生じる反応熱、Ｒfは単位質量の燃料がＮＯx触媒で酸化反応したときに生じる反応熱であり、これらは一定とする。
【００４９】
＜ステップ１０７＞
次に、ＥＣＵ９は、ステップ１０７に進み、触媒反応後のＮＯx触媒の触媒床温Ｔcを推定する。ここで、ＮＯx触媒で触媒反応により発生した熱が総て排気ガスおよびＮＯx触媒の加熱に消費され、且つ、排気ガスとＮＯx触媒が同一温度Ｔcになるものと仮定すると、次式が成立する。
（Ｑex＋Ｑc＋Ｑcr）＝（Ｍex・Ｃex・Ｔc）＋（Ｍc・Ｃc・Ｔc）
この式の左辺は触媒反応前の熱量の総和を表し、右辺は触媒反応後の熱量の総和を表している。
【００５０】
したがって、触媒反応後のＮＯx触媒の触媒床温Ｔcは次式により算出することができる。
Ｔc＝（Ｑex＋Ｑc＋Ｑcr）／｛（Ｍex・Ｃex）＋（Ｍc・Ｃc）｝
【００５１】
ステップ１０７の実行完了により、本ルーチンの第１回目の処理サイクルが完了し、ＥＣＵは、第２回目の処理サイクルを実行すべくステップ１０２に戻る。そして、第２回目以後の処理サイクルにおけるステップ１０５では、前サイクルのステップ１０７で算出した触媒床温Ｔcを用いて、触媒反応前のＮＯx触媒が有する熱量を算出する。
【００５２】
ＥＣＵ９は、ステップ１０２からステップ１０９の処理を繰り返し実行して、刻々と変化するＮＯx触媒の触媒床温を推定し、更新していく。そして、更新された最新の触媒床温がＮＯx触媒の触媒床温として、この排気浄化装置の種々の制御に利用されることになる。
【００５３】
したがって、この実施の形態における排気浄化装置では、ＤＰＦ１８に坦持されているＮＯx触媒の触媒床温を直接計測する温度検出手段を備えなくても、ＮＯx触媒の触媒床温を知ることができる。
【００５４】
この実施の形態では、ＥＣＵ９が触媒床温推定処理ルーチンを実行することにより、本発明における排気ガス温検出手段、ＨＣ，ＣＯ量推定手段、触媒床温推定手段が実現される。
【００５５】
前述したように、この排気浄化装置ではＮＯx触媒の触媒床温を推定することができるので、触媒床温を直接計測する温度検出手段は不要なのであるが、この実施の形態では、排気浄化装置に対するフェールセーフを実現するために、ケーシング１９の下流に出ガス温センサ（触媒床温計測手段）２４を設けている。この実施の形態のフェールセーフシステムでは、出ガス温センサ２４で実測された出ガス温度を触媒床温の実測値（以下、実測触媒床温という）Ｔc2として代用する。
【００５６】
前記実測触媒床温Ｔc2が、前述した触媒床温推定処理の実行により推定されたＮＯx触媒の触媒床温（以下、推定触媒床温という）Ｔc1よりも大幅に低い場合には、添加ノズル２１から排気ガス中に供給された燃料（ＨＣ）がＮＯx触媒で反応せずにＮＯx触媒に付着していると考えられる。このようにＮＯx触媒に付着したＨＣは、所定の温度条件を満足したときに燃焼し始めてＮＯx触媒の触媒床温を異常上昇させ、ＮＯx触媒の熱劣化を促進する虞れがある。
【００５７】
一方、前記実測触媒床温Ｔc2が推定触媒床温Ｔc1よりも大幅に高い場合には、添加ノズル２１から排気ガス中に供給された燃料（ＨＣ）量が指令供給量よりも多いと考えられ、原因として制御弁２３の作動不良などが考えられる。
【００５８】
そこで、この実施の形態の排気浄化装置では、推定触媒床温Ｔc1と実測触媒床温Ｔc2の誤差△ｔが所定の許容誤差範囲から外れている場合には、排気浄化装置が異常であると判定して、添加ノズル２１からの燃料添加の実行を禁止することにした。
【００５９】
次に、排気浄化装置の異常判定処理について図３を参照して説明する。異常判定処理は、図３に示す異常判定処理ルーチンに従って実行され、この異常判定処理ルーチンは、ＥＣＵ９のＲＯＭに予め記憶されており、ＣＰＵによって繰り返し実行されるルーチンである。
【００６０】
＜ステップ２０１＞
まず、ＥＣＵ９は、ステップ２０１において、推定触媒床温Ｔc1と実測触媒床温Ｔc2を読み込む。
【００６１】
＜ステップ２０２＞
次に、ＥＣＵ９は、ステップ２０２に進み、エンジン運転状態（吸入空気量Ｇa、エンジン回転数Ｎ）、および、添加ノズル２１から排気ガスへの燃料添加条件（燃料添加量、添加インターバル）に基づき、許容誤差マップ（図示せず）を参照して、推定触媒床温Ｔc1と実測触媒床温Ｔc2との最大許容誤差Ｄmaxを算出する。
【００６２】
尚、前記許容誤差マップは、前記エンジン運転状態および前記燃料添加条件に応じて予め最大許容誤差を設定しこれをマップ化したものであり、この許容誤差マップを予めＥＣＵ９のＲＯＭに記憶しておく。
【００６３】
＜ステップ２０３＞
次に、ＥＣＵ９は、推定触媒床温Ｔc1と実測触媒床温Ｔc2との誤差△ｔ（絶対値）を算出する。
△ｔ＝｜（Ｔc1−Ｔc2）｜
【００６４】
＜ステップ２０４＞
次に、ＥＣＵ９は、ステップ２０４に進み、ステップ２０３で算出した誤差△ｔがステップ２０２で算出した最大許容誤差Ｄmaxよりも大きいか否か判定する。
ステップ２０４において否定判定した場合には、誤差△ｔは許容誤差範囲であるので、排気浄化装置が正常に稼働していると判定して、ＥＣＵ９は、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００６５】
＜ステップ２０５＞
一方、ステップ２０４において肯定判定した場合には、前述したように、添加ノズル２１から排気ガス中に供給された燃料（ＨＣ）がＮＯx触媒に付着しているか、あるいは、添加ノズル２１から排気ガス中に供給された燃料（ＨＣ）量が指令供給量よりも多いと考えられるので、排気浄化装置が異常であると判定して、ＥＣＵ９は、ステップ２０５に進み、添加ノズル２１からの燃料添加の実行を禁止する。
【００６６】
この実施の形態では、ＥＣＵ９が異常判定処理ルーチンを実行することにより、本発明における誤差算出手段、還元剤供給禁止手段が実現される。
【００６７】
次に、この排気浄化装置におけるＮＯx触媒に対する昇温処理について説明する。
排気浄化装置においては、何らかの理由によりＮＯx触媒を昇温させたい場合がある。例えば、ＮＯx触媒に対してＳＯx被毒回復処理を行うときにはＮＯx触媒をＳＯx放出温度以上の高温にする必要がある。
【００６８】
ここで、ＮＯx触媒のＳＯx被毒について簡単に説明する。一般に、内燃機関の燃料には硫黄分が含まれており、内燃機関で燃料を燃焼すると、燃料中の硫黄分が燃焼してＳＯ2やＳＯ3などの硫黄酸化物（ＳＯx）が発生する。吸蔵還元型ＮＯx触媒は、ＮＯxの吸収作用を行うのと同じメカニズムで排気ガス中のＳＯxを吸収する。
【００６９】
ところが、ＮＯx触媒に吸収されたＳＯxは時間経過とともに安定な硫酸塩を形成するため、ＮＯx触媒からＮＯxの放出・還元を行うのと同じ条件下では、分解、放出されにくく触媒内に蓄積され易い傾向がある。ＮＯx触媒内のＳＯx蓄積量が増大すると、触媒のＮＯx吸収容量が減少して排気ガス中のＮＯxの除去を十分に行うことができなくなりＮＯx浄化率が低下する。これが所謂ＳＯx被毒である。
【００７０】
このＳＯx被毒から回復させるために行う処理をＳＯx被毒回復処理と称しているが、ＳＯx被毒回復処理は、ＮＯx触媒の触媒床温をＳＯx放出温度以上にするとともに、ＮＯx触媒に流入する排気ガスの空燃比（排気空燃比）を理論空燃比またはそれよりもリッチにすることにより行っている。
【００７１】
したがって、ＮＯx触媒のＳＯx被毒回復処理の実行時期に、ＮＯx触媒の触媒床温がＳＯx放出温度に達していないときには、昇温処理を行う必要がある。
このＳＯx被毒回復処理のときに限らず、ＮＯx触媒を昇温する必要がある場合、従来は、排気空燃比をリッチ空燃比にして、排気ガス中に含まれる未燃ＨＣをＮＯx触媒において酸化させることにより、ＮＯx触媒を昇温していた。
【００７２】
しかしながら、このように排気空燃比をリッチ空燃比にしてＮＯx触媒の昇温処理を行うと、ＮＯx触媒で酸化されずにすり抜けてしまう未燃ＨＣの量が多くなって、燃費が悪化する場合があった。
【００７３】
この原因は、ＮＯx触媒におけるＨＣ浄化率の温度特性にある。図４はＮＯx触媒におけるＨＣ浄化率温度特性を示すものであり、ＮＯx触媒の触媒床温が低いほどＨＣ浄化率が低く、触媒床温の上昇とともにＨＣ浄化率が上昇していき、触媒床温がある温度（以下、この触媒床温をＨＣ高浄化温度という）Ｔcx以上になるとＨＣ浄化率が高レベルで安定する。
【００７４】
したがって、ＮＯx触媒の触媒床温が低いときに排気空燃比をリッチ空燃比にしても、ＮＯx触媒で浄化されるＨＣ量が少なく、換言すれば、ＮＯx触媒で酸化されるＨＣ量が少なく、排気ガス中の多くのＨＣがＮＯx触媒をすり抜けてしまう。
【００７５】
そこで、この実施の形態の排気浄化装置では、ＮＯx触媒を昇温処理するときに、ＮＯx触媒の触媒床温がＨＣ高浄化温度Ｔcxよりも低いときには排気空燃比を理論空燃比あるいはそれよりも若干リーンにし、ＮＯx触媒の触媒床温がＨＣ高浄化温度Ｔcx以上のときには排気空燃比をリッチ空燃比にすることにした。これにより、触媒床温が低いときにはＨＣのすり抜けを抑制しつつＮＯx触媒を昇温することができ、触媒床温がある程度高いときにはより効率的に昇温することができ、その結果、燃費悪化を抑制しつつＮＯx触媒の昇温処理を行うことができることとなる。
【００７６】
ここで、昇温処理を行う際に、リッチ空燃比を連続して保持すると、酸素不足になってＨＣが燃焼しないこともあり得るため、このような虞れがある場合には、リッチ空燃比の間に瞬間的な理論空燃比あるいはそれよりもリーン空燃比の期間を設けて酸素不足が生じないようにするのが好ましい。
【００７７】
この実施の形態におけるＮＯx触媒の昇温処理制御について図６を参照して説明する。ＮＯx触媒の昇温処理は、図６に示す昇温処理ルーチンに従って実行され、この昇温処理ルーチンは、ＥＣＵ９のＲＯＭに予め記憶されており、ＣＰＵによって繰り返し実行されるルーチンである。
【００７８】
＜ステップ３０１＞
まず、ＥＣＵ９は、ステップ３０１において、排気系に燃料添加を行って昇温処理を実行すべきとする実行指令があるか否か判定する。ステップ３０１において否定判定した場合には、ＥＣＵ９は、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００７９】
＜ステップ３０２＞
ステップ３０１において肯定判定した場合には、ＥＣＵ９は、ステップ３０２に進んで、現在のＮＯx触媒の触媒床温を読み込む。この実施の形態では、ＮＯx触媒の触媒床温として、前述の触媒床温推定処理で算出した最新の推定触媒床温Ｔc1を読み込む。
【００８０】
＜ステップ３０３＞
次に、ＥＣＵ９は、ステップ３０３に進み、ステップ３０２で読み込んだ推定触媒床温Ｔc1に基づいて、図５に示す排気空燃比マップを参照して目標排気空燃比ＡＦを算出する。
【００８１】
この実施の形態における排気空燃比マップでは、推定触媒床温Ｔc1がＨＣ高浄化温度Ｔcxよりも低いときには目標排気空燃比を理論空燃比よりも若干リーンな一定値のリーン空燃比ＡＦ1とし、推定触媒床温Ｔc1がＨＣ高浄化温度Ｔcx以上のときには目標排気空燃比を理論空燃比よりもリッチな一定値のリッチ空燃比ＡＦ2とした。この排気空燃比マップはＥＣＵ９のＲＯＭに予め記憶しておく。
【００８２】
＜ステップ３０４＞
次に、ＥＣＵ９は、ステップ３０４に進み、エアフロメータ５の出力信号に基づいて単位時間当たりの吸入空気量Ｇaを算出する。
【００８３】
＜ステップ３０５＞
次に、ＥＣＵ９は、ステップ３０５に進み、ステップ３０３で算出した目標排気空燃比ＡＦと、ステップ３０４で算出した単位時間当たりの吸入空気量Ｇaから、単位時間当たりの必要燃料量Ｇtを算出する。
【００８４】
＜ステップ３０６＞
次に、ＥＣＵ９は、ステップ３０６に進み、単位時間当たりに燃料噴射弁１０から気筒内に噴射される燃料量Ｇfを読み込む。
【００８５】
＜ステップ３０７＞
次に、ＥＣＵ９は、ステップ３０７に進み、単位時間当たりに添加ノズル２１から排気ガス中に添加すべき燃料添加量Ｇinjを次式より算出する。
Ｇinj＝Ｇt−Ｇinj
【００８６】
＜ステップ３０８＞
次に、ＥＣＵ９は、ステップ３０８に進み、添加ノズル２１から排気ガス中に添加される燃料量が、ステップ３０７で算出した燃料添加量Ｇinjになるように添加条件（制御弁２３の弁開度、開弁期間、添加インターバルなど）を設定して、排気系への燃料添加を実行する。これにより、排気空燃比をステップ３０３で算出した目標排気空燃比ＡＦにすることができる。
ステップ３０８の処理完了により、ＥＣＵ９は、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００８７】
この実施の形態では、ＥＣＵ９が昇温処理ルーチンを実行することにより、本発明における還元剤供給量算出手段が実現される。
【００８８】
【発明の効果】
本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置によれば、リーンＮＯx触媒と、還元剤供給手段と、排気ガス温検出手段と、前記内燃機関の運転状態から排気ガス中に含まれるＨＣ量およびＣＯ量を推定するＨＣ，ＣＯ量推定手段と、前記還元剤供給手段から供給された還元剤および排気ガス中のＨＣ，ＣＯが前記リーンＮＯx触媒で反応したときの発熱量を考慮してリーンＮＯx触媒の触媒床温を推定する触媒床温推定手段と、を備えることにより、リーンＮＯx触媒の触媒床温を実測しなくても精度よく推定することができるという優れた効果が奏される。
【００８９】
また、リーンＮＯx触媒の触媒床温を計測する触媒床温計測手段と、前記触媒床温推定手段により推定された触媒床温と前記触媒床温計測手段により計測された触媒床温との誤差を算出する誤差算出手段と、前記誤差算出手段により算出された誤差が許容誤差範囲から外れているときに前記還元剤供給手段による還元剤供給を禁止する還元剤供給禁止手段と、を備える場合には、排気浄化装置が異常と考えられるときにリーンＮＯx触媒への還元剤供給を禁止することができる。
【００９０】
また、本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置によれば、リーンＮＯx触媒と、還元剤供給手段と、触媒床温検出手段と、前記リーンＮＯx触媒を昇温すべきときに前記触媒床温検出手段により検出された触媒床温が設定温度よりも低い場合にはリーンＮＯx触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比あるいはそれよりも若干リーンにし前記触媒床温が前記設定温度以上の場合には前記空燃比を理論空燃比よりもリッチになるように前記還元剤供給手段からの還元剤供給量を算出する還元剤供給量算出手段と、を備えることにより、リーンＮＯx触媒を昇温処理しているときのＨＣのすり抜けを少なくすることができるという優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置の一実施の形態における概略構成を示す図である。
【図２】 前記実施の形態の排気浄化装置における触媒床温推定処理ルーチンである。
【図３】 前記実施の形態の排気浄化装置における異常判定処理ルーチンである。
【図４】 前記実施の形態のリーンＮＯx触媒のＨＣ浄化率温度特性図である。
【図５】 前記実施の形態の排気浄化装置における排気空燃比マップである。
【図６】 前記実施の形態の排気浄化装置における昇温処理ルーチンである。
【符号の説明】
１ ディーゼルエンジン（内燃機関）
２ 吸気マニホールド
３ 吸気管
５ エアフロメータ
６ ターボチャージャ
８ スロットルバルブ
９ ＥＣＵ（エンジンコントロール用電子制御ユニット）
１０ 燃料噴射弁
１１ コモンレール
１２ 燃料ポンプ
１３ 排気マニホールド（排気通路）
１４ 排気管（排気通路）
１８ リーンＮＯx触媒坦持ＤＰＦ
２１ 添加ノズル（還元剤供給装置）
２２ 燃料供給管（還元剤供給装置）
２３ 制御弁（還元剤供給装置）
２４ 出ガス温センサ（触媒床温計測手段、触媒床温検出手段）
Claims (1)
- 希薄燃焼可能な内燃機関の排気通路に設けられたリーンＮＯx触媒と、
前記リーンＮＯx触媒に還元剤を供給する還元剤供給手段と、
前記リーンＮＯx触媒の触媒床温を計測または推定する触媒床温検出手段と、
前記リーンＮＯx触媒を昇温すべきときに前記触媒床温検出手段により検出された触媒床温が設定温度よりも低い場合にはリーンＮＯx触媒に流入する排気ガスの空燃比を、還元剤のすり抜けを抑制しつつ前記リーンＮＯ x 触媒を昇温することができる、理論空燃比あるいはそれよりも若干リーンにし前記触媒床温が前記設定温度以上の場合には前記空燃比を理論空燃比よりもリッチになるように前記還元剤供給手段からの還元剤供給量を算出する還元剤供給量算出手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
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