JP3726705B2 - 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、排気中のＮＯｘを還元浄化する内燃機関に排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球温暖化抑制等の観点から内燃機関の燃費向上の必要性が高まり、特定の運転領域では希薄燃焼を行う、すなわち、理論空燃比よりもリーンで運転される内燃機関が普及しつつある。
このような内燃機関の排気通路には、従来から広く用いられている三元触媒の他に、ＮＯｘを一時的に吸着（トラップ）し、トラップしたＮＯｘを所定の条件で脱離させるＮＯｘトラップ触媒を用いるものが知られており、代表的なＮＯｘトラップ触媒としては、特許２６００４９２号公報に記載されたものがある。
【０００３】
このＮＯｘトラップ触媒は、アルカリ金属、アルカリ土類又は希土類のうち少なくとも１つと貴金属が担持されたものであり、活性状態において、リーン運転時にＮＯｘをトラップし、理論空燃比又はリッチ運転時にトラップしたＮＯｘを脱離させて還元するものである。そして、前記ＮＯｘトラップ触媒は所定温度以上で活性化するため、機関運転中は、常時ＮＯｘトラップ触媒に排気を流通させることで、温度低下によるトラップ性能の低下を防止している。
【０００４】
しかし、冷機始動直後のように排気温度も低いときは、ＮＯｘトラップ触媒が活性化するには十分な暖気が必要となり、それまでの間はＮＯｘを十分にトラップできず冷機時の排気浄化性能が十分に得られないといった問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、本願発明者らは、ゼオライト単体からなる触媒又はゼオライトを含む触媒が、前記従来のＮＯｘトラップ触媒の活性化温度よりも低い温度（例えば、２００℃以下）において、酸素介在下でＮＯｘをトラップすることに着目し、これを内燃機関の排気浄化触媒として利用して冷機時における排気浄化性能を確保することを検討している。
【０００６】
しかし、かかる触媒においては、触媒温度の上昇や触媒を通過する排気流量の増加により一旦トラップされたＮＯｘが脱離する特性を有するため（図３参照）、脱離したＮＯｘを確実に浄化する必要があった。
本発明は、上記従来の問題に鑑みなされたものであって、従来よりも低い温度においてＮＯｘをトラップする排気浄化触媒を用いると共に、かかる触媒から脱離したＮＯｘを確実に還元浄化できる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そのため、請求項１に係る発明は、排気通路内に介装されたゼオライトを含む排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒に吸着されているＮＯｘ吸着量に基づいて前記排気浄化触媒に吸着されたＮＯｘが脱離する状態にあるか否かを推定するとともに、前記ＮＯｘ吸着量が多いほどＮＯｘ脱離量が多いと推定するＮＯｘ脱離推定手段と、ＮＯｘ脱離推定手段によりＮＯｘが脱離する状態にあると推定されたときに、推定されたＮＯｘ脱離量に基づいて設定された量の還元剤を前記排気通路内に供給する還元剤供給手段と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る発明は、排気通路内に介装されたゼオライトを含む排気浄化触媒と、機関の排気流量に基づいて前記排気浄化触媒に吸着されたＮＯｘが脱離する状態にあるか否かを推定するとともに、前記機関の排気流量が多いほどＮＯｘ脱離量が多いと推定するＮＯｘ脱離推定手段と、ＮＯｘ脱離推定手段によりＮＯｘが脱離する状態にあると推定されたときに、推定されたＮＯｘ脱離量に基づいて設定された量の還元剤を前記排気通路内に供給する還元剤供給手段と、を備えることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、前記排気浄化触媒の下流側に、貴金属を含む第２の排気浄化触媒を備えることを特徴とする。
請求項４に係る発明は、前記排気浄化触媒が、貴金属を含むことを特徴とする。
【０００９】
請求項５に係る発明は、前記還元剤供給手段が、前記排気浄化触媒又は前記第２の排気浄化触媒よりも上流側に設けられることを特徴とする。
請求項６に係る発明は、前記還元剤供給手段が、機関に噴射する燃料量を増加させることにより前記排気通路内に還元剤を供給することを特徴とする。
【００１０】
請求項７に係る発明は、前記還元剤供給手段により還元剤が供給されるときに、排気空燃比を理論空燃比又はリッチにすることを特徴とする。
【００１１】
請求項８に係る発明は、前記排気浄化触媒に吸着されたＮＯｘの脱離を促進する脱離促進手段を備え、前記ＮＯｘ脱離推定手段によりＮＯｘが脱離する状態にあると推定されたときに、ＮＯｘの脱離を促進させることを特徴とする。
【００１２】
請求項９に係る発明は、前記脱離促進手段が、前記排気浄化触媒に吸着されているＮＯｘ吸着量が所定量以上となったときに、ＮＯｘの脱離を促進させることを特徴とする。
請求項１０に係る発明は、前記脱離促進手段が、排気温度及び排気流量の少なくとも一方を変化させることにより、ＮＯｘの脱離を促進させることを特徴とする。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１、２に係る発明によれば、ゼオライトを含む排気浄化触媒により、低温においても排気中のＮＯｘを吸着し、吸着したＮＯｘが脱離する状態にあると推定したときに還元剤を供給するので、脱離したＮＯｘを還元浄化して、ＮＯｘが大気中へ排出されるのを抑制できる。ここで、ゼオライトを含む排気浄化触媒は、すでに吸着されているＮＯｘ吸着量、触媒を通過する排気流量により影響を受け、これらの変化によって一旦トラップしたＮＯｘを脱離する特性を有するので、ＮＯｘセンサ等の装置を設けなくとも、ＮＯｘ吸着量又は排気流量を検出することで、排気浄化触媒からのＮＯｘ脱離を推定できる。そして、推定したＮＯｘ脱離量に応じた量の還元剤を過不足なく供給するので、還元剤の供給過多による余剰還元剤や還元剤の供給不足による未浄化ＮＯｘの大気中への排出を抑制できる。
【００１４】
請求項３に係る発明によれば、前記ゼオライトを含む排気浄化触媒の下流側に貴金属を含む第２の排気浄化触媒を備えるので、脱離ＮＯｘと供給された還元剤との反応が貴金属（触媒）により促進され、ＮＯｘの還元浄化効率が向上し、ＮＯｘが大気中へ排出されるのをより効果的に抑制できる。
【００１５】
請求項４に係る発明によれば、前記ゼオライトを含む排気浄化触媒に貴金属を含ませることで、貴金属を含む触媒を別に設ける場合に比べ、貴金属を含む触媒がより高温度の上流側に配置されることになるので、該触媒の活性化が早まり、排気浄化性能をより向上させることができる。
【００１６】
また、排気通路に介装する触媒が１つで済むので、コンパクトでありレイアウト上の制限が少なく、コスト的にも有利である。
請求項５に係る発明によれば、還元剤供給手段を前記排気浄化触媒又は前記第２の排気浄化触媒の上流側に設けるので、機関の運転状態を変化させることなく、要求される量の還元剤を供給して脱離ＮＯｘを還元浄化できる。また、ドライバビリティ確保のための制御適合等も不要である。
【００１７】
請求項６に係る発明によれば、機関に噴射する燃料量を増加させることにより、該増加分を還元剤として供給するので、特別な装置を追加することなく、通常運転時に使用する燃料噴射装置をそのまま利用して還元剤を供給できる。ここで、運転状態に基づいて算出された燃料噴射量に還元剤用の所定量の燃料を加算して通常の燃料噴射時に噴射するようにしてもよいが、還元剤用の所定量の燃料を通常の燃料噴射時とは異なるタイミング（例えば、排気行程や膨張行程）で追加噴射すれば運転性に与える影響を軽減できる。
【００１８】
請求項７に係る発明によれば、還元剤供給時の空燃比を、理論空燃比又はリッチとするので、供給した還元剤が、脱離ＮＯｘに到達する前に排気中に含まれる余剰酸素によって消費されることを防止できるので、還元剤供給量を少なくできる。これにより、還元剤として燃料を供給する際の燃費悪化を最小限に押えることができる。
【００２１】
請求項８に係る発明によれば、前記排気浄化触媒がＮＯｘ脱離状態にあると推定されたときに、脱離を促進するので、排気浄化触媒を速やかに再生して初期状態に復帰させることができる。
請求項９に係る発明によれば、前記排気浄化触媒がＮＯｘ脱離状態にないときであっても、吸着されているＮＯｘ量が所定量以上となったときにＮＯｘの脱離を促進するので、ＮＯｘ吸着性能の低下を防止できる。
【００２２】
請求項１０に係る発明によれば、排気温度又は排気流量の少なくとも一方を変化させることにより（例えば排気温度の上昇、排気流量の増加）、容易に排気浄化触媒からのＮＯｘ脱離を促進することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
まず、本発明の第１実施形態について説明する。
第１実施形態のシステム構成を示す図１において、機関（エンジン）１の吸気通路６には、エアクリーナ２、エアフローメータ３、スロットルバルブ４、コレクタ５が設けられ、エアフローメータ３は吸入空気量を計量し、スロットルバルブ４はそのバルブ開度が制御され吸入空気量を制御する。
【００２４】
エンジン１の各気筒には、燃焼室７内に燃料を噴射する燃料噴射弁１０、点火を行う点火プラグ１１が設けられており、吸気バルブ８を介して吸入された空気に対して前記燃料噴射弁１０から燃料を噴射して混合気を形成し、該混合気を前記燃焼室７内で圧縮し、点火プラグ１１による火花点火によって着火する。
エンジン１の排気は、排気バルブ１２を介して燃焼室７から排気ポート１３に排出される。排気ポート１３にはＥＧＲ通路１４が連結され、コレクタ５に排気の一部を還流する。還流される排気流量（ＥＧＲ流量）は、ＥＧＲ通路１４中に設けたＥＧＲバルブ１５により制御される。
【００２５】
排気ポート１３の下流側に接続されたエキゾーストマニホールド１６には空燃比センサ１７が設けられており、排気空燃比を検出する。
空燃比センサ１７の下流側の排気通路には、還元剤（例えば、炭化水素）を排気通路内に供給する還元剤供給装置２１が、その下流側にはゼオライト（例えば、βゼオライト。Ａ型ゼオライト、Ｙ型ゼオライト、Ｘ型ゼオライト、ＺＳＭ−５、モルデナイト、フェリエライト）を含む排気浄化触媒（以下、ゼオライト触媒という）１８が、更にその下流側には貴金属（例えば、白金、パラジウム、ロジウム）を含む第２の排気浄化触媒（以下、貴金属触媒という）２０が設けられている。
【００２６】
また、前記ゼオライト触媒１８には温度センサ１９が設けられており、ゼオライト触媒１８の温度（又は排気温度）を検出する。
エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２２には、エアフローメータ３、空燃比センサ１７、温度センサ１９からの信号の他、図示しないクランク角センサ、冷却水温度センサ、アクセル開度センサ等からの信号が入力され、ＥＣＵ２２は、これら入力された信号に基づいてスロットル開度、燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期、ＥＧＲ流量、還元剤供給等の制御を行う。
【００２７】
次に、ＥＣＵ２２で実行される前記ゼオライト触媒１８からのＮＯｘ脱離推定及び脱離したＮＯｘを還元浄化するための還元剤供給制御について図２のフローチャートに基づいて説明する。
ステップ１（図中、Ｓ１と記す。以下同様）では、ゼオライト触媒１８の温度Ｔｃを読み込む。
【００２８】
ステップ２では、ゼオライト触媒１８の温度（触媒温度）Ｔｃが所定温度ＴｃＬ以上であるか否かを判定する。ここで、所定温度ＴｃＬは、ＮＯｘ脱離判定用の定数（すなわち、ゼオライト触媒１８にトラップされたＮＯｘが脱離を開始する温度）であり、あらかじめ実験等により求めた値を設定する。
なお、触媒温度Ｔｃとゼオライト触媒１８からのＮＯｘ脱離（率）とは、図３（Ａ）に示すような関係にあることが実験により求められている。
【００２９】
触媒温度Ｔｃが所定温度ＴｃＬ以上であれば、ＮＯｘが脱離する状態にあると判断し、ステップ３に進む。
ステップ３では、還元剤の導入量累積値ｔＦｎ（前回の制御におけるステップ５で算出する）が所定量ｔＦｎ１以下であるか否かを判定する。
ここで、所定量ｔＦｎ１は還元剤導入量の上限を規定する定数であり、例えば、ゼオライト触媒１８がトラップできる量のＮＯｘを還元するために必要十分な還元剤量である。導入量累積値ｔＦｎが所定量ｔＦｎ１以下であれば、ステップ４に進む。
【００３０】
ステップ４では、目標還元剤量ｄＦｎを演算する。
目標還元剤量ｄＦｎの演算方法としては、目標還元剤量ｄＦｎをあらかじめ設定した定数として与える方法や図３（Ａ）の関係（ゼオライト触媒温度ＴｃとＮＯｘ脱離率との関係）に基づいて、触媒温度Ｔｃに対するＮＯｘ脱離量を推定し、推定したＮＯｘ脱離量を還元できる還元剤量をあらかじめテーブルデータ化しておき、ステップ１で読み込んだ触媒温度Ｔｃに基づいてテーブル検索する方法等があるがいずれでの方法で求めてもよい。
【００３１】
ステップ５では、次式により還元剤の導入量累積値の更新値ｔＦｎ（+1）を算出する。
ｔＦｎ（+1）＝ｔＦｎ＋ｄＦｎ
ステップ６では、目標還元剤量ｄＦｎ分の還元剤を還元剤供給装置２１から排気通路内に供給する。
【００３２】
一方、ステップ２において触媒温度Ｔｃが所定温度ＴｃＬ未満のとき（すなわち、ＮＯｘ脱離状態にないと判定したとき）、又は、ステップ３において供給量累積値ｔＦｎが所定値ｔＦｎ１を超えているとき（すなわち、ＮＯｘ脱離量に対して必要十分な還元剤が供給されているとき）は、ステップ７で目標還元剤量ｄＦｎを０として（ｄＦｎ＝０）、ステップ８に進み、還元剤導入量累積値ｔＦｎをリセットする（ｔＦｎ＝０）。この場合、還元剤の供給は行わない。
【００３３】
以上の制御により、ゼオライト触媒を備えた内燃機関において、簡易な構成によりゼオライト触媒からのＮＯｘ脱離状態を推定し、ＮＯｘ脱離時には所定量の還元剤を導入するので、脱離したＮＯｘをゼオライト触媒及び貴金属触媒にて還元浄化することができ、ＮＯｘの大気中への放出を防止できる。
本発明の第２実施形態について説明する。
【００３４】
第２実施形態のシステム構成を図４に示す。
本実施形態の構成は、図１に示した第１実施形態の構成とほぼ同じであるが（同じものについては、同一の番号を付す）、排気浄化触媒を１つとした点及び還元剤供給装置を備えていない点が異なる。
すなわち、本実施形態における排気浄化触媒２３は、ゼオライトと共に貴金属を含んでおり、内層に前記ゼオライト触媒１８と同一成分を有し、表層に前記貴金属触媒１９と同一の成分を有するものとした。なお、ゼオライト中に貴金属粉を混在させたものとしてもよい。
【００３５】
このように構成することで、貴金属を含む触媒をより高温度の上流側に配置できるので、触媒の活性化を早めて排気浄化効率を高めることができる。また、貴金属を含む触媒を別に設ける場合に比べ、コンパクトでありコストメリットもある。
また、還元剤供給装置２１を備えていないので、還元剤の供給は、燃料噴射弁１０から噴射される燃料を増量噴射又は追加噴射することにより行う。
【００３６】
次に、本実施形態におけるＮＯｘ脱離量の推定及び脱離ＮＯｘ還元浄化のために供給する還元剤量の演算制御を図５のフローチャートに基づいて説明する。
ステップ１１では、目標燃空比ＴＦＢＹＡ（空気過剰率λの逆数であり、ＴＦＢＹＡ＝１で理論空燃比、ＴＦＢＹＡ＜１でリーンを意味する）、エンジン回転速度Ｎｅ、吸入空気量Ｑａ、エンジン水温Ｔｗ、排気浄化触媒２３の触媒温度Ｔｃ'を読み込む。
【００３７】
ステップ１２では、エンジン１から排出されるＮＯｘ排出量Ｖｎを以下のようにして推定する。
すなわち、排気中のＮＯｘ濃度は、エンジン１の運転状態（エンジン回転速度Ｎｅ、負荷、空燃比Ａ／Ｆ、エンジン水温Ｔｗ）に対して、図６に示すような関係にあるので、これらをあらかじめデータテーブル化しておき、ステップ１１で読み込んだ値に基づいてテーブル検索して推定する。
【００３８】
また、別の推定方法として、触媒２３の上流側にＮＯｘセンサを設けて直接排気中のＮＯｘ濃度を検出し、これに吸入空気量Ｑａを乗じてＮＯｘ排出量を算出するようにしてもよい。
ステップ１３では、触媒２３がトラップするＮＯｘ量（ＮＯｘトラップ量）ｄｔｎを以下のようにして推定する。
【００３９】
すなわち、ＮＯｘトラップ率は、触媒２３を通過する排気流量、触媒温度Ｔｃ、既に触媒２３にトラップされているＮＯｘ量に対して、図７に示すような関係にあることが実験により求められているので、これらの関係をあらかじめテーブルデータ化しておき、ステップ１１で読み込んだデータや前回の制御時にステップ１６で求めたトラップされているＮＯｘ総量ｔｎに基づいてテーブル検索して推定する。
【００４０】
また、別の方法として、触媒２３（ゼオライト触媒と貴金属触媒とを併用する場合には、ゼオライト触媒）の上流側、下流側にＮＯｘセンサを設けて直接ＮＯｘ濃度を検出し、上流側ＮＯｘ濃度と下流側ＮＯｘ濃度との差に吸入空気量Ｑａを乗じＮＯｘトラップ量を算出するようにしてもよい。
ステップ１４では、前回制御時に算出したＮＯｘトラップ量積算値ｔｎに、ステップ１３で求めたＮＯｘトラップ量ｄｔｎを加算して、触媒２３にトラップされているＮＯｘ総量ｔｎ'（＝ｔｎ＋ｄｔｎ）を算出する。
【００４１】
ステップ１５では、触媒２３から脱離するＮＯｘ量（ＮＯｘ脱離量）ｄｄｎを以下のようにして推定する。
すなわち、ＮＯｘ脱離量ｄｄｎは、触媒温度Ｔｃ'、ＮＯｘトラップ量ｄｔｎ、触媒２３を通過する通過ガス流量によって、図３（Ａ）〜（Ｂ）に示すように変化するので、これらをあらかじめテーブルデータ化しておき、ステップ１１で読み込んだ値、ステップ１３で推定した値に基づいてテーブル検索して推定する。
【００４２】
なお、ＮＯｘ脱離量の推定には、前記パラメータのうちいずれか１つを用いてテーブル検索を行っても推定できるが、複数のパラメータを用いることでより高精度な推定ができる。
ステップ１６では、ステップ１４で算出した触媒２３にトラップされているＮＯｘ総量ｔｎ'からステップ１５で推定したＮＯｘ脱離量ｄｄｎを減算し、脱離後にトラップされているＮＯｘ総量ｔｎ（+1）（＝ｔｎ'―ｄｄｎ）を算出する。
【００４３】
ステップ１７では、脱離ＮＯｘの還元に必要な要求還元剤量ｄＦｎを以下のようにして算出する。
すなわち、触媒２３下流側の排気中のＮＯｘの総量は、ｄｄｎ（ＮＯｘ脱離量）＋Ｖｎ（エンジンからのＮＯｘ排出量）―ｄｔｎ（ＮＯｘトラップ量）で表すことができる。従って、この値に単位変換のための定数Ｃを乗じることで要求還元剤量ｄＦｎを算出する。
【００４４】
ｄＦｎ＝Ｃ×（ｄｄｎ＋Ｖｎ＋ｄｔｎ）
以上により、脱離ＮＯｘの還元に必要な還元剤量を算出する。
なお、本実施形態では、還元剤供給のための特別な装置（還元剤供給装置）を設けておらず、還元剤としての追加供給燃料を燃料噴射弁より噴射する構成としているので、以下に示す制御により求めた目標燃空比ＴＦＢＹＡ及び吸入空気量Ｑａに基づいて算出される燃料噴射量（基本燃料噴射量）に対して、脱離ＮＯｘ還元のための燃料（要求還元剤量ｄＦｎ）を加算して噴射するようにしている。
【００４５】
ここで、要求還元剤量ｄＦｎに相当する燃料は、前記基本燃料噴射量に加算して一度に噴射するようにしてもよく、また、追加噴射という形で例えば膨張行程、排気行程に別噴射するようにしてもよい。
目標燃空比ＴＦＢＹＡの演算及び吸入空気量Ｑａの制御フローを図８、９に示す。
【００４６】
ステップ２１では、アクセル開度Ａｐｓ、エンジン回転速度Ｎｅ、吸入空気量Ｑａ、エンジン水温Ｔｗ、触媒温度Ｔｃ'、要求還元剤量ｄＦｎを読み込む。
ステップ２２では、ステップ２１で読み込んだアクセル開度Ａｐｓから、例えば図中記載のテーブルを検索して目標トルクＴＴＣを算出する。
ステップ２３では、ステップ２１で読み込んだエンジン回転速度Ｎｅとステップ２２で算出した目標トルクＴＴＣから、例えば図中記載のマップを参照して燃焼フラグＦＣｍｂを求める。ここで、燃焼フラグＦＣｍｂが０の領域では成層リーン燃焼、１の領域では均質リーン燃焼、２の領域では理論空燃比での燃焼を行う。
【００４７】
ステップ２４では、脱離ＮＯｘ還元のために還元剤が要求されているか否か（要求還元剤量ｄＦｎが０であるか否か）を判定する。要求還元剤量ｄＦｎが０であれば、ステップ２５に進む。
ステップ２５では、エンジン水温Ｔｗが所定温度ＴｗＬ以上であるか否かを判定し、エンジン水温Ｔｗが所定温度ＴｗＬ以上であればステップ２７に進む。
【００４８】
ここで、ステップ２４において要求還元剤量ｄＦｎが０でないとき（すなわち、ＮＯｘ脱離状態にあるとき）はステップ２６に進み燃焼フラグＦＣｍｂに２を代入して理論空燃比での運転を行う。
また、ステップ２５においてエンジン温度Ｔｗが所定温度ＴｗＬ未満のときも、リーン燃焼では安定が得られないと判断し、ステップ６に進み燃焼フラグＦＣｍｂに２を代入してリーン燃焼を禁止し理論空燃比での運転を行う。
【００４９】
ステップ２７では、燃焼フラグＦＣｍｂが２であるか否かを判定する。燃焼フラグＦＣｍｂが２でない（ＦＣｍｂ≠２）、すなわち、リーン運転条件と判定されたときは、ステップ２８に進み、エンジン回転速度Ｎｅと目標トルクＴＴＣから、例えば図中記載のマップを参照して目標燃空比ＴＦＢＹＡを求める。
一方、燃焼フラグＦＣｍｂが２（ＦＣｍｂ＝２）、すなわち、理論空燃比運転時は、ステップ２９に進み目標燃空比ＴＦＢＹＡに１を代入する。
【００５０】
ステップ３０では、エンジン回転速度Ｎｅと目標燃空比ＴＦＢＹＡから例えば図中記載のマップを参照して機関効率ＩＴＡを算出する。
ステップ３１では、機関効率ＩＴＡ、目標トルクＴＴＣ、目標燃空比ＴＦＢＹＡ、から次式により目標新気量Ｑを算出する。
Ｑ＝ＴＴＣ／ＴＦＢＹＡ／ＩＴＡ
そして、ＥＣＵ２２は、算出した目標新気量Ｑに基づいてスロットルバルブ開度を調節して吸入空気量Ｑａを制御し、燃料噴射弁１０は、以上のようにして設定された目標燃空比ＴＦＢＹＡ、吸入空気量Ｑａに基づいて算出した燃料噴射量（基本燃料噴射量）の他に、前記要求還元剤量ｄＦｎ分に相当する燃料を噴射する。
【００５１】
本実施形態によれば、脱離ＮＯｘ還元剤供給時には目標燃空比ＴＦＢＹＡを理論空燃比とするので、還元剤と使用されることなく排気中の残存酸素によって消費される燃料（還元剤）を低減でき、燃費の悪化を抑制できる。なお、目標燃空比ＴＦＢＹＡを理論空燃比よりもリッチとしてもよい。
また、要求還元剤量ｄＦｎを、ＮＯｘ脱離量ｄｄｎ、エンジンからのＮＯｘ排出量Ｖｎ、ＮＯｘトラップ量ｄｔｎに基づいて、すなわち、排気中のＮＯｘ総量から算出するので、触媒２３からＮＯｘが脱離するときだけでなく、ＮＯｘトラップ量が所定量以上となり、触媒２３のＮＯｘトラップ性能が低下したときにおいても、前記要求還元剤量ｄＦｎ分に相当する還元剤を供給すれば、トラップされないＮＯｘを還元浄化し、ＮＯｘの大気中への排出を抑制できる。
【００５２】
なお、本実施形態の構成（図４）に代えて第１実施形態の構成（図１）としてもよい。かかる場合は、要求還元剤量ｄＦｎ分の還元剤を還元剤供給装置２１により供給するようにしてもよい。
本発明の第３実施形態について説明する。
システム構成は第２実施形態（図４）と同一であり、還元剤量の算出についても第２実施形態（図５）と同一であるが、還元剤供給時に触媒２３からのＮＯｘ脱離を促進させるよう制御を行う点が異なる。なお、第１実施形態と同一の構成としてもよい。
【００５３】
本実施形態に係る制御フローを図１０、１１に示す。
ステップ４１からステップ４９までは、図８、９に示すフローチャートにおけるステップ２１からステップ２９までと同様であるので説明を省略する。
ステップ５０では、点火時期ＡＤＶを算出する。
なお、本実施形態では、点火時期ＡＤＶをＭＢＴ（出力、燃料消費率が最良となる点火時期）に設定しており、エンジン回転速度Ｎｅ、目標トルクＴＴＣ、目標空燃比ＴＦＢＹＡからマップを参照して、あるいは、計算によって求める。
【００５４】
ステップ５１では、要求還元剤量ｄＦｎが０であるか否かを判定する。
要求還元剤量ｄＦｎが０であれば、ステップ５２に進みエンジン回転速度Ｎｅと目標燃空比ＴＦＢＹＡから、例えば図中記載のマップを参照して機関効率ＩＴＡを算出する。
一方、要求還元剤量ｄＦｎが０でなければ、ステップ５３に進みエンジン回転速度Ｎｅ、目標トルクＴＴＣから、例えば図中記載のマップを参照して点火遅角量ｒＡＤＶを算出する。
【００５５】
ステップ５４では、ステップ５０で算出した点火時期ＡＤＶに点火遅角量ｒＡＤＶを加算して点火時期を遅角する。
ステップ５５では、ステップ５２と同様に、エンジン回転速度Ｎｅと目標燃空比ＴＦＢＹＡから、例えば図中記載のマップを参照して機関効率ＩＴＡ'を算出する。ここで、ステップ５５で算出される機関効率ＩＴＡ'は、ステップ５２で算出される機関効率ＩＴＡと比較して、同一Ｎｅ、ＴＦＢＹＡにおいて若干低い値となる。これは点火時期を遅角させることにより効率が低下するからである。
【００５６】
そして、ステップ５６では、機関効率ＩＴＡ（ＩＴＡ'）、目標燃空比ＴＦＢＹＡ、目標トルクＴＴＣを用いて、図８、９に示すフローチャートのステップ３１と同様にして目標新気量Ｑを算出する。
以上のように、本実施形態では、還元剤供給時に点火時期の遅角並びに吸入空気の増量（目標新気量の増量）が行われるため、排気流量、排気温度（触媒温度）が上昇する結果、触媒２３からのＮＯｘ脱離が促進される（図３参照）。
【００５７】
また、前記第２実施形態と同様に、ＮＯｘトラップ量が所定値（ＮＯｘトラップ性能が低下する量）以上となったときにおいても、還元剤を供給するよう構成してもよい。このようにすれば、触媒２３のＮＯｘトラップ性能が限界に近づいた場合に、ＮＯｘ脱離を促進して速やかにＮＯｘ脱離、触媒再生を実施でき、ＮＯｘトラップ性能を高いレベルに維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るシステム構成を示す図。
【図２】触媒からのＮＯｘ脱離状態推定及び還元剤供給制御を示すフローチャート。
【図３】触媒からのＮＯｘ脱離特性を示す図。（Ａ）触媒温度ＴｃとＮＯｘ脱離率の関係を示す図、（Ｂ）触媒を通過する排気流量とＮＯｘ脱離率の関係を示す図、（Ｃ）すでに触媒にトラップされているＮＯｘ量とＮＯｘ脱離率の関係を示す図。
【図４】本発明の第２実施形態に係るシステム構成を示す図。
【図５】同じく脱離ＮＯｘ還元のために還元剤量演算を示すフローチャート。
【図６】エンジンの運転状態と排気中のＮＯｘ濃度の関係を示す図。（Ａ）エンジン回転速度Ｎｅ及びエンジン負荷によるＮＯｘ濃度マップ、（Ｂ）空燃比Ａ／ＦとＮＯｘ濃度の関係を示す図、（Ｃ）エンジン水温ＴｗとＮＯｘ濃度の関係を示す図。
【図７】触媒のＮＯｘトラップ特性を示す図。（Ａ）触媒温度ＴｃとＮＯｘトラップ率の関係を示す図、（Ｂ）触媒を通過する排気流量とＮＯｘトラップ率の関係を示す図、（Ｃ）すでに触媒にトラップされているＮＯｘ量とＮＯｘトラップ率の関係を示す図。
【図８】目標空燃比及び目標新気量演算を示すフローチャート（その１）。
【図９】目標空燃比及び目標新気量演算を示すフローチャート（その２）。
【図１０】本発明の第３実施形態に係るエンジン制御を示すフローチャート（その１）。
【図１１】本発明の第３実施形態に係るエンジン制御を示すフローチャート（その２）。
【符号の説明】
１ エンジン
３ エアフローメータ
４ スロットルバルブ
６ 吸気通路
１０ 燃料噴射弁
１１ 点火プラグ
１３ 排気ポート
１４ ＥＧＲ通路
１７ 空燃比センサ
１８ ゼオライト含有排気浄化触媒
１９ 触媒温度センサ
２０ 貴金属含有排気浄化触媒
２１ 還元剤供給装置
２２ エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
２３ ゼオライト・貴金属含有排気浄化触媒
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気中のＮＯｘを還元浄化する内燃機関に排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球温暖化抑制等の観点から内燃機関の燃費向上の必要性が高まり、特定の運転領域では希薄燃焼を行う、すなわち、理論空燃比よりもリーンで運転される内燃機関が普及しつつある。
このような内燃機関の排気通路には、従来から広く用いられている三元触媒の他に、ＮＯｘを一時的に吸着（トラップ）し、トラップしたＮＯｘを所定の条件で脱離させるＮＯｘトラップ触媒を用いるものが知られており、代表的なＮＯｘトラップ触媒としては、特許２６００４９２号公報に記載されたものがある。
【０００３】
このＮＯｘトラップ触媒は、アルカリ金属、アルカリ土類又は希土類のうち少なくとも１つと貴金属が担持されたものであり、活性状態において、リーン運転時にＮＯｘをトラップし、理論空燃比又はリッチ運転時にトラップしたＮＯｘを脱離させて還元するものである。そして、前記ＮＯｘトラップ触媒は所定温度以上で活性化するため、機関運転中は、常時ＮＯｘトラップ触媒に排気を流通させることで、温度低下によるトラップ性能の低下を防止している。
【０００４】
しかし、冷機始動直後のように排気温度も低いときは、ＮＯｘトラップ触媒が活性化するには十分な暖気が必要となり、それまでの間はＮＯｘを十分にトラップできず冷機時の排気浄化性能が十分に得られないといった問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、本願発明者らは、ゼオライト単体からなる触媒又はゼオライトを含む触媒が、前記従来のＮＯｘトラップ触媒の活性化温度よりも低い温度（例えば、２００℃以下）において、酸素介在下でＮＯｘをトラップすることに着目し、これを内燃機関の排気浄化触媒として利用して冷機時における排気浄化性能を確保することを検討している。
【０００６】
しかし、かかる触媒においては、触媒温度の上昇や触媒を通過する排気流量の増加により一旦トラップされたＮＯｘが脱離する特性を有するため（図３参照）、脱離したＮＯｘを確実に浄化する必要があった。
本発明は、上記従来の問題に鑑みなされたものであって、従来よりも低い温度においてＮＯｘをトラップする排気浄化触媒を用いると共に、かかる触媒から脱離したＮＯｘを確実に還元浄化できる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そのため、請求項１に係る発明は、排気通路内に介装されたゼオライトを含む排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒に吸着されているＮＯｘ吸着量に基づいて前記排気浄化触媒に吸着されたＮＯｘが脱離する状態にあるか否かを推定するとともに、前記ＮＯｘ吸着量が多いほどＮＯｘ脱離量が多いと推定するＮＯｘ脱離推定手段と、ＮＯｘ脱離推定手段によりＮＯｘが脱離する状態にあると推定されたときに、推定されたＮＯｘ脱離量に基づいて設定された量の還元剤を前記排気通路内に供給する還元剤供給手段と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る発明は、排気通路内に介装されたゼオライトを含む排気浄化触媒と、機関の排気流量に基づいて前記排気浄化触媒に吸着されたＮＯｘが脱離する状態にあるか否かを推定するとともに、前記機関の排気流量が多いほどＮＯｘ脱離量が多いと推定するＮＯｘ脱離推定手段と、ＮＯｘ脱離推定手段によりＮＯｘが脱離する状態にあると推定されたときに、推定されたＮＯｘ脱離量に基づいて設定された量の還元剤を前記排気通路内に供給する還元剤供給手段と、を備えることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、前記排気浄化触媒の下流側に、貴金属を含む第２の排気浄化触媒を備えることを特徴とする。
請求項４に係る発明は、前記排気浄化触媒が、貴金属を含むことを特徴とする。
【０００９】
請求項５に係る発明は、前記還元剤供給手段が、前記排気浄化触媒又は前記第２の排気浄化触媒よりも上流側に設けられることを特徴とする。
請求項６に係る発明は、前記還元剤供給手段が、機関に噴射する燃料量を増加させることにより前記排気通路内に還元剤を供給することを特徴とする。
【００１０】
請求項７に係る発明は、前記還元剤供給手段により還元剤が供給されるときに、排気空燃比を理論空燃比又はリッチにすることを特徴とする。
【００１１】
請求項８に係る発明は、前記排気浄化触媒に吸着されたＮＯｘの脱離を促進する脱離促進手段を備え、前記ＮＯｘ脱離推定手段によりＮＯｘが脱離する状態にあると推定されたときに、ＮＯｘの脱離を促進させることを特徴とする。
【００１２】
請求項９に係る発明は、前記脱離促進手段が、前記排気浄化触媒に吸着されているＮＯｘ吸着量が所定量以上となったときに、ＮＯｘの脱離を促進させることを特徴とする。
請求項１０に係る発明は、前記脱離促進手段が、排気温度及び排気流量の少なくとも一方を変化させることにより、ＮＯｘの脱離を促進させることを特徴とする。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１、２に係る発明によれば、ゼオライトを含む排気浄化触媒により、低温においても排気中のＮＯｘを吸着し、吸着したＮＯｘが脱離する状態にあると推定したときに還元剤を供給するので、脱離したＮＯｘを還元浄化して、ＮＯｘが大気中へ排出されるのを抑制できる。ここで、ゼオライトを含む排気浄化触媒は、すでに吸着されているＮＯｘ吸着量、触媒を通過する排気流量により影響を受け、これらの変化によって一旦トラップしたＮＯｘを脱離する特性を有するので、ＮＯｘセンサ等の装置を設けなくとも、ＮＯｘ吸着量又は排気流量を検出することで、排気浄化触媒からのＮＯｘ脱離を推定できる。そして、推定したＮＯｘ脱離量に応じた量の還元剤を過不足なく供給するので、還元剤の供給過多による余剰還元剤や還元剤の供給不足による未浄化ＮＯｘの大気中への排出を抑制できる。
【００１４】
請求項３に係る発明によれば、前記ゼオライトを含む排気浄化触媒の下流側に貴金属を含む第２の排気浄化触媒を備えるので、脱離ＮＯｘと供給された還元剤との反応が貴金属（触媒）により促進され、ＮＯｘの還元浄化効率が向上し、ＮＯｘが大気中へ排出されるのをより効果的に抑制できる。
【００１５】
請求項４に係る発明によれば、前記ゼオライトを含む排気浄化触媒に貴金属を含ませることで、貴金属を含む触媒を別に設ける場合に比べ、貴金属を含む触媒がより高温度の上流側に配置されることになるので、該触媒の活性化が早まり、排気浄化性能をより向上させることができる。
【００１６】
また、排気通路に介装する触媒が１つで済むので、コンパクトでありレイアウト上の制限が少なく、コスト的にも有利である。
請求項５に係る発明によれば、還元剤供給手段を前記排気浄化触媒又は前記第２の排気浄化触媒の上流側に設けるので、機関の運転状態を変化させることなく、要求される量の還元剤を供給して脱離ＮＯｘを還元浄化できる。また、ドライバビリティ確保のための制御適合等も不要である。
【００１７】
請求項６に係る発明によれば、機関に噴射する燃料量を増加させることにより、該増加分を還元剤として供給するので、特別な装置を追加することなく、通常運転時に使用する燃料噴射装置をそのまま利用して還元剤を供給できる。ここで、運転状態に基づいて算出された燃料噴射量に還元剤用の所定量の燃料を加算して通常の燃料噴射時に噴射するようにしてもよいが、還元剤用の所定量の燃料を通常の燃料噴射時とは異なるタイミング（例えば、排気行程や膨張行程）で追加噴射すれば運転性に与える影響を軽減できる。
【００１８】
請求項７に係る発明によれば、還元剤供給時の空燃比を、理論空燃比又はリッチとするので、供給した還元剤が、脱離ＮＯｘに到達する前に排気中に含まれる余剰酸素によって消費されることを防止できるので、還元剤供給量を少なくできる。これにより、還元剤として燃料を供給する際の燃費悪化を最小限に押えることができる。
【００２１】
請求項８に係る発明によれば、前記排気浄化触媒がＮＯｘ脱離状態にあると推定されたときに、脱離を促進するので、排気浄化触媒を速やかに再生して初期状態に復帰させることができる。
請求項９に係る発明によれば、前記排気浄化触媒がＮＯｘ脱離状態にないときであっても、吸着されているＮＯｘ量が所定量以上となったときにＮＯｘの脱離を促進するので、ＮＯｘ吸着性能の低下を防止できる。
【００２２】
請求項１０に係る発明によれば、排気温度又は排気流量の少なくとも一方を変化させることにより（例えば排気温度の上昇、排気流量の増加）、容易に排気浄化触媒からのＮＯｘ脱離を促進することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
まず、本発明の第１実施形態について説明する。
第１実施形態のシステム構成を示す図１において、機関（エンジン）１の吸気通路６には、エアクリーナ２、エアフローメータ３、スロットルバルブ４、コレクタ５が設けられ、エアフローメータ３は吸入空気量を計量し、スロットルバルブ４はそのバルブ開度が制御され吸入空気量を制御する。
【００２４】
エンジン１の各気筒には、燃焼室７内に燃料を噴射する燃料噴射弁１０、点火を行う点火プラグ１１が設けられており、吸気バルブ８を介して吸入された空気に対して前記燃料噴射弁１０から燃料を噴射して混合気を形成し、該混合気を前記燃焼室７内で圧縮し、点火プラグ１１による火花点火によって着火する。
エンジン１の排気は、排気バルブ１２を介して燃焼室７から排気ポート１３に排出される。排気ポート１３にはＥＧＲ通路１４が連結され、コレクタ５に排気の一部を還流する。還流される排気流量（ＥＧＲ流量）は、ＥＧＲ通路１４中に設けたＥＧＲバルブ１５により制御される。
【００２５】
排気ポート１３の下流側に接続されたエキゾーストマニホールド１６には空燃比センサ１７が設けられており、排気空燃比を検出する。
空燃比センサ１７の下流側の排気通路には、還元剤（例えば、炭化水素）を排気通路内に供給する還元剤供給装置２１が、その下流側にはゼオライト（例えば、βゼオライト。Ａ型ゼオライト、Ｙ型ゼオライト、Ｘ型ゼオライト、ＺＳＭ−５、モルデナイト、フェリエライト）を含む排気浄化触媒（以下、ゼオライト触媒という）１８が、更にその下流側には貴金属（例えば、白金、パラジウム、ロジウム）を含む第２の排気浄化触媒（以下、貴金属触媒という）２０が設けられている。
【００２６】
また、前記ゼオライト触媒１８には温度センサ１９が設けられており、ゼオライト触媒１８の温度（又は排気温度）を検出する。
エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２２には、エアフローメータ３、空燃比センサ１７、温度センサ１９からの信号の他、図示しないクランク角センサ、冷却水温度センサ、アクセル開度センサ等からの信号が入力され、ＥＣＵ２２は、これら入力された信号に基づいてスロットル開度、燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期、ＥＧＲ流量、還元剤供給等の制御を行う。
【００２７】
次に、ＥＣＵ２２で実行される前記ゼオライト触媒１８からのＮＯｘ脱離推定及び脱離したＮＯｘを還元浄化するための還元剤供給制御について図２のフローチャートに基づいて説明する。
ステップ１（図中、Ｓ１と記す。以下同様）では、ゼオライト触媒１８の温度Ｔｃを読み込む。
【００２８】
ステップ２では、ゼオライト触媒１８の温度（触媒温度）Ｔｃが所定温度ＴｃＬ以上であるか否かを判定する。ここで、所定温度ＴｃＬは、ＮＯｘ脱離判定用の定数（すなわち、ゼオライト触媒１８にトラップされたＮＯｘが脱離を開始する温度）であり、あらかじめ実験等により求めた値を設定する。
なお、触媒温度Ｔｃとゼオライト触媒１８からのＮＯｘ脱離（率）とは、図３（Ａ）に示すような関係にあることが実験により求められている。
【００２９】
触媒温度Ｔｃが所定温度ＴｃＬ以上であれば、ＮＯｘが脱離する状態にあると判断し、ステップ３に進む。
ステップ３では、還元剤の導入量累積値ｔＦｎ（前回の制御におけるステップ５で算出する）が所定量ｔＦｎ１以下であるか否かを判定する。
ここで、所定量ｔＦｎ１は還元剤導入量の上限を規定する定数であり、例えば、ゼオライト触媒１８がトラップできる量のＮＯｘを還元するために必要十分な還元剤量である。導入量累積値ｔＦｎが所定量ｔＦｎ１以下であれば、ステップ４に進む。
【００３０】
ステップ４では、目標還元剤量ｄＦｎを演算する。
目標還元剤量ｄＦｎの演算方法としては、目標還元剤量ｄＦｎをあらかじめ設定した定数として与える方法や図３（Ａ）の関係（ゼオライト触媒温度ＴｃとＮＯｘ脱離率との関係）に基づいて、触媒温度Ｔｃに対するＮＯｘ脱離量を推定し、推定したＮＯｘ脱離量を還元できる還元剤量をあらかじめテーブルデータ化しておき、ステップ１で読み込んだ触媒温度Ｔｃに基づいてテーブル検索する方法等があるがいずれでの方法で求めてもよい。
【００３１】
ステップ５では、次式により還元剤の導入量累積値の更新値ｔＦｎ（+1）を算出する。
ｔＦｎ（+1）＝ｔＦｎ＋ｄＦｎ
ステップ６では、目標還元剤量ｄＦｎ分の還元剤を還元剤供給装置２１から排気通路内に供給する。
【００３２】
一方、ステップ２において触媒温度Ｔｃが所定温度ＴｃＬ未満のとき（すなわち、ＮＯｘ脱離状態にないと判定したとき）、又は、ステップ３において供給量累積値ｔＦｎが所定値ｔＦｎ１を超えているとき（すなわち、ＮＯｘ脱離量に対して必要十分な還元剤が供給されているとき）は、ステップ７で目標還元剤量ｄＦｎを０として（ｄＦｎ＝０）、ステップ８に進み、還元剤導入量累積値ｔＦｎをリセットする（ｔＦｎ＝０）。この場合、還元剤の供給は行わない。
【００３３】
以上の制御により、ゼオライト触媒を備えた内燃機関において、簡易な構成によりゼオライト触媒からのＮＯｘ脱離状態を推定し、ＮＯｘ脱離時には所定量の還元剤を導入するので、脱離したＮＯｘをゼオライト触媒及び貴金属触媒にて還元浄化することができ、ＮＯｘの大気中への放出を防止できる。
本発明の第２実施形態について説明する。
【００３４】
第２実施形態のシステム構成を図４に示す。
本実施形態の構成は、図１に示した第１実施形態の構成とほぼ同じであるが（同じものについては、同一の番号を付す）、排気浄化触媒を１つとした点及び還元剤供給装置を備えていない点が異なる。
すなわち、本実施形態における排気浄化触媒２３は、ゼオライトと共に貴金属を含んでおり、内層に前記ゼオライト触媒１８と同一成分を有し、表層に前記貴金属触媒１９と同一の成分を有するものとした。なお、ゼオライト中に貴金属粉を混在させたものとしてもよい。
【００３５】
このように構成することで、貴金属を含む触媒をより高温度の上流側に配置できるので、触媒の活性化を早めて排気浄化効率を高めることができる。また、貴金属を含む触媒を別に設ける場合に比べ、コンパクトでありコストメリットもある。
また、還元剤供給装置２１を備えていないので、還元剤の供給は、燃料噴射弁１０から噴射される燃料を増量噴射又は追加噴射することにより行う。
【００３６】
次に、本実施形態におけるＮＯｘ脱離量の推定及び脱離ＮＯｘ還元浄化のために供給する還元剤量の演算制御を図５のフローチャートに基づいて説明する。
ステップ１１では、目標燃空比ＴＦＢＹＡ（空気過剰率λの逆数であり、ＴＦＢＹＡ＝１で理論空燃比、ＴＦＢＹＡ＜１でリーンを意味する）、エンジン回転速度Ｎｅ、吸入空気量Ｑａ、エンジン水温Ｔｗ、排気浄化触媒２３の触媒温度Ｔｃ'を読み込む。
【００３７】
ステップ１２では、エンジン１から排出されるＮＯｘ排出量Ｖｎを以下のようにして推定する。
すなわち、排気中のＮＯｘ濃度は、エンジン１の運転状態（エンジン回転速度Ｎｅ、負荷、空燃比Ａ／Ｆ、エンジン水温Ｔｗ）に対して、図６に示すような関係にあるので、これらをあらかじめデータテーブル化しておき、ステップ１１で読み込んだ値に基づいてテーブル検索して推定する。
【００３８】
また、別の推定方法として、触媒２３の上流側にＮＯｘセンサを設けて直接排気中のＮＯｘ濃度を検出し、これに吸入空気量Ｑａを乗じてＮＯｘ排出量を算出するようにしてもよい。
ステップ１３では、触媒２３がトラップするＮＯｘ量（ＮＯｘトラップ量）ｄｔｎを以下のようにして推定する。
【００３９】
すなわち、ＮＯｘトラップ率は、触媒２３を通過する排気流量、触媒温度Ｔｃ、既に触媒２３にトラップされているＮＯｘ量に対して、図７に示すような関係にあることが実験により求められているので、これらの関係をあらかじめテーブルデータ化しておき、ステップ１１で読み込んだデータや前回の制御時にステップ１６で求めたトラップされているＮＯｘ総量ｔｎに基づいてテーブル検索して推定する。
【００４０】
また、別の方法として、触媒２３（ゼオライト触媒と貴金属触媒とを併用する場合には、ゼオライト触媒）の上流側、下流側にＮＯｘセンサを設けて直接ＮＯｘ濃度を検出し、上流側ＮＯｘ濃度と下流側ＮＯｘ濃度との差に吸入空気量Ｑａを乗じＮＯｘトラップ量を算出するようにしてもよい。
ステップ１４では、前回制御時に算出したＮＯｘトラップ量積算値ｔｎに、ステップ１３で求めたＮＯｘトラップ量ｄｔｎを加算して、触媒２３にトラップされているＮＯｘ総量ｔｎ'（＝ｔｎ＋ｄｔｎ）を算出する。
【００４１】
ステップ１５では、触媒２３から脱離するＮＯｘ量（ＮＯｘ脱離量）ｄｄｎを以下のようにして推定する。
すなわち、ＮＯｘ脱離量ｄｄｎは、触媒温度Ｔｃ'、ＮＯｘトラップ量ｄｔｎ、触媒２３を通過する通過ガス流量によって、図３（Ａ）〜（Ｂ）に示すように変化するので、これらをあらかじめテーブルデータ化しておき、ステップ１１で読み込んだ値、ステップ１３で推定した値に基づいてテーブル検索して推定する。
【００４２】
なお、ＮＯｘ脱離量の推定には、前記パラメータのうちいずれか１つを用いてテーブル検索を行っても推定できるが、複数のパラメータを用いることでより高精度な推定ができる。
ステップ１６では、ステップ１４で算出した触媒２３にトラップされているＮＯｘ総量ｔｎ'からステップ１５で推定したＮＯｘ脱離量ｄｄｎを減算し、脱離後にトラップされているＮＯｘ総量ｔｎ（+1）（＝ｔｎ'―ｄｄｎ）を算出する。
【００４３】
ステップ１７では、脱離ＮＯｘの還元に必要な要求還元剤量ｄＦｎを以下のようにして算出する。
すなわち、触媒２３下流側の排気中のＮＯｘの総量は、ｄｄｎ（ＮＯｘ脱離量）＋Ｖｎ（エンジンからのＮＯｘ排出量）―ｄｔｎ（ＮＯｘトラップ量）で表すことができる。従って、この値に単位変換のための定数Ｃを乗じることで要求還元剤量ｄＦｎを算出する。
【００４４】
ｄＦｎ＝Ｃ×（ｄｄｎ＋Ｖｎ＋ｄｔｎ）
以上により、脱離ＮＯｘの還元に必要な還元剤量を算出する。
なお、本実施形態では、還元剤供給のための特別な装置（還元剤供給装置）を設けておらず、還元剤としての追加供給燃料を燃料噴射弁より噴射する構成としているので、以下に示す制御により求めた目標燃空比ＴＦＢＹＡ及び吸入空気量Ｑａに基づいて算出される燃料噴射量（基本燃料噴射量）に対して、脱離ＮＯｘ還元のための燃料（要求還元剤量ｄＦｎ）を加算して噴射するようにしている。
【００４５】
ここで、要求還元剤量ｄＦｎに相当する燃料は、前記基本燃料噴射量に加算して一度に噴射するようにしてもよく、また、追加噴射という形で例えば膨張行程、排気行程に別噴射するようにしてもよい。
目標燃空比ＴＦＢＹＡの演算及び吸入空気量Ｑａの制御フローを図８、９に示す。
【００４６】
ステップ２１では、アクセル開度Ａｐｓ、エンジン回転速度Ｎｅ、吸入空気量Ｑａ、エンジン水温Ｔｗ、触媒温度Ｔｃ'、要求還元剤量ｄＦｎを読み込む。
ステップ２２では、ステップ２１で読み込んだアクセル開度Ａｐｓから、例えば図中記載のテーブルを検索して目標トルクＴＴＣを算出する。
ステップ２３では、ステップ２１で読み込んだエンジン回転速度Ｎｅとステップ２２で算出した目標トルクＴＴＣから、例えば図中記載のマップを参照して燃焼フラグＦＣｍｂを求める。ここで、燃焼フラグＦＣｍｂが０の領域では成層リーン燃焼、１の領域では均質リーン燃焼、２の領域では理論空燃比での燃焼を行う。
【００４７】
ステップ２４では、脱離ＮＯｘ還元のために還元剤が要求されているか否か（要求還元剤量ｄＦｎが０であるか否か）を判定する。要求還元剤量ｄＦｎが０であれば、ステップ２５に進む。
ステップ２５では、エンジン水温Ｔｗが所定温度ＴｗＬ以上であるか否かを判定し、エンジン水温Ｔｗが所定温度ＴｗＬ以上であればステップ２７に進む。
【００４８】
ここで、ステップ２４において要求還元剤量ｄＦｎが０でないとき（すなわち、ＮＯｘ脱離状態にあるとき）はステップ２６に進み燃焼フラグＦＣｍｂに２を代入して理論空燃比での運転を行う。
また、ステップ２５においてエンジン温度Ｔｗが所定温度ＴｗＬ未満のときも、リーン燃焼では安定が得られないと判断し、ステップ６に進み燃焼フラグＦＣｍｂに２を代入してリーン燃焼を禁止し理論空燃比での運転を行う。
【００４９】
ステップ２７では、燃焼フラグＦＣｍｂが２であるか否かを判定する。燃焼フラグＦＣｍｂが２でない（ＦＣｍｂ≠２）、すなわち、リーン運転条件と判定されたときは、ステップ２８に進み、エンジン回転速度Ｎｅと目標トルクＴＴＣから、例えば図中記載のマップを参照して目標燃空比ＴＦＢＹＡを求める。
一方、燃焼フラグＦＣｍｂが２（ＦＣｍｂ＝２）、すなわち、理論空燃比運転時は、ステップ２９に進み目標燃空比ＴＦＢＹＡに１を代入する。
【００５０】
ステップ３０では、エンジン回転速度Ｎｅと目標燃空比ＴＦＢＹＡから例えば図中記載のマップを参照して機関効率ＩＴＡを算出する。
ステップ３１では、機関効率ＩＴＡ、目標トルクＴＴＣ、目標燃空比ＴＦＢＹＡ、から次式により目標新気量Ｑを算出する。
Ｑ＝ＴＴＣ／ＴＦＢＹＡ／ＩＴＡ
そして、ＥＣＵ２２は、算出した目標新気量Ｑに基づいてスロットルバルブ開度を調節して吸入空気量Ｑａを制御し、燃料噴射弁１０は、以上のようにして設定された目標燃空比ＴＦＢＹＡ、吸入空気量Ｑａに基づいて算出した燃料噴射量（基本燃料噴射量）の他に、前記要求還元剤量ｄＦｎ分に相当する燃料を噴射する。
【００５１】
本実施形態によれば、脱離ＮＯｘ還元剤供給時には目標燃空比ＴＦＢＹＡを理論空燃比とするので、還元剤と使用されることなく排気中の残存酸素によって消費される燃料（還元剤）を低減でき、燃費の悪化を抑制できる。なお、目標燃空比ＴＦＢＹＡを理論空燃比よりもリッチとしてもよい。
また、要求還元剤量ｄＦｎを、ＮＯｘ脱離量ｄｄｎ、エンジンからのＮＯｘ排出量Ｖｎ、ＮＯｘトラップ量ｄｔｎに基づいて、すなわち、排気中のＮＯｘ総量から算出するので、触媒２３からＮＯｘが脱離するときだけでなく、ＮＯｘトラップ量が所定量以上となり、触媒２３のＮＯｘトラップ性能が低下したときにおいても、前記要求還元剤量ｄＦｎ分に相当する還元剤を供給すれば、トラップされないＮＯｘを還元浄化し、ＮＯｘの大気中への排出を抑制できる。
【００５２】
なお、本実施形態の構成（図４）に代えて第１実施形態の構成（図１）としてもよい。かかる場合は、要求還元剤量ｄＦｎ分の還元剤を還元剤供給装置２１により供給するようにしてもよい。
本発明の第３実施形態について説明する。
システム構成は第２実施形態（図４）と同一であり、還元剤量の算出についても第２実施形態（図５）と同一であるが、還元剤供給時に触媒２３からのＮＯｘ脱離を促進させるよう制御を行う点が異なる。なお、第１実施形態と同一の構成としてもよい。
【００５３】
本実施形態に係る制御フローを図１０、１１に示す。
ステップ４１からステップ４９までは、図８、９に示すフローチャートにおけるステップ２１からステップ２９までと同様であるので説明を省略する。
ステップ５０では、点火時期ＡＤＶを算出する。
なお、本実施形態では、点火時期ＡＤＶをＭＢＴ（出力、燃料消費率が最良となる点火時期）に設定しており、エンジン回転速度Ｎｅ、目標トルクＴＴＣ、目標空燃比ＴＦＢＹＡからマップを参照して、あるいは、計算によって求める。
【００５４】
ステップ５１では、要求還元剤量ｄＦｎが０であるか否かを判定する。
要求還元剤量ｄＦｎが０であれば、ステップ５２に進みエンジン回転速度Ｎｅと目標燃空比ＴＦＢＹＡから、例えば図中記載のマップを参照して機関効率ＩＴＡを算出する。
一方、要求還元剤量ｄＦｎが０でなければ、ステップ５３に進みエンジン回転速度Ｎｅ、目標トルクＴＴＣから、例えば図中記載のマップを参照して点火遅角量ｒＡＤＶを算出する。
【００５５】
ステップ５４では、ステップ５０で算出した点火時期ＡＤＶに点火遅角量ｒＡＤＶを加算して点火時期を遅角する。
ステップ５５では、ステップ５２と同様に、エンジン回転速度Ｎｅと目標燃空比ＴＦＢＹＡから、例えば図中記載のマップを参照して機関効率ＩＴＡ'を算出する。ここで、ステップ５５で算出される機関効率ＩＴＡ'は、ステップ５２で算出される機関効率ＩＴＡと比較して、同一Ｎｅ、ＴＦＢＹＡにおいて若干低い値となる。これは点火時期を遅角させることにより効率が低下するからである。
【００５６】
そして、ステップ５６では、機関効率ＩＴＡ（ＩＴＡ'）、目標燃空比ＴＦＢＹＡ、目標トルクＴＴＣを用いて、図８、９に示すフローチャートのステップ３１と同様にして目標新気量Ｑを算出する。
以上のように、本実施形態では、還元剤供給時に点火時期の遅角並びに吸入空気の増量（目標新気量の増量）が行われるため、排気流量、排気温度（触媒温度）が上昇する結果、触媒２３からのＮＯｘ脱離が促進される（図３参照）。
【００５７】
また、前記第２実施形態と同様に、ＮＯｘトラップ量が所定値（ＮＯｘトラップ性能が低下する量）以上となったときにおいても、還元剤を供給するよう構成してもよい。このようにすれば、触媒２３のＮＯｘトラップ性能が限界に近づいた場合に、ＮＯｘ脱離を促進して速やかにＮＯｘ脱離、触媒再生を実施でき、ＮＯｘトラップ性能を高いレベルに維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るシステム構成を示す図。
【図２】触媒からのＮＯｘ脱離状態推定及び還元剤供給制御を示すフローチャート。
【図３】触媒からのＮＯｘ脱離特性を示す図。（Ａ）触媒温度ＴｃとＮＯｘ脱離率の関係を示す図、（Ｂ）触媒を通過する排気流量とＮＯｘ脱離率の関係を示す図、（Ｃ）すでに触媒にトラップされているＮＯｘ量とＮＯｘ脱離率の関係を示す図。
【図４】本発明の第２実施形態に係るシステム構成を示す図。
【図５】同じく脱離ＮＯｘ還元のために還元剤量演算を示すフローチャート。
【図６】エンジンの運転状態と排気中のＮＯｘ濃度の関係を示す図。（Ａ）エンジン回転速度Ｎｅ及びエンジン負荷によるＮＯｘ濃度マップ、（Ｂ）空燃比Ａ／ＦとＮＯｘ濃度の関係を示す図、（Ｃ）エンジン水温ＴｗとＮＯｘ濃度の関係を示す図。
【図７】触媒のＮＯｘトラップ特性を示す図。（Ａ）触媒温度ＴｃとＮＯｘトラップ率の関係を示す図、（Ｂ）触媒を通過する排気流量とＮＯｘトラップ率の関係を示す図、（Ｃ）すでに触媒にトラップされているＮＯｘ量とＮＯｘトラップ率の関係を示す図。
【図８】目標空燃比及び目標新気量演算を示すフローチャート（その１）。
【図９】目標空燃比及び目標新気量演算を示すフローチャート（その２）。
【図１０】本発明の第３実施形態に係るエンジン制御を示すフローチャート（その１）。
【図１１】本発明の第３実施形態に係るエンジン制御を示すフローチャート（その２）。
【符号の説明】
１ エンジン
３ エアフローメータ
４ スロットルバルブ
６ 吸気通路
１０ 燃料噴射弁
１１ 点火プラグ
１３ 排気ポート
１４ ＥＧＲ通路
１７ 空燃比センサ
１８ ゼオライト含有排気浄化触媒
１９ 触媒温度センサ
２０ 貴金属含有排気浄化触媒
２１ 還元剤供給装置
２２ エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
２３ ゼオライト・貴金属含有排気浄化触媒
Claims (10)
- 排気通路内に介装されたゼオライトを含む排気浄化触媒と、
前記排気浄化触媒に吸着されているＮＯｘ吸着量に基づいて前記排気浄化触媒に吸着されたＮＯｘが脱離する状態にあるか否かを推定するとともに、前記ＮＯｘ吸着量が多いほどＮＯｘ脱離量が多いと推定するＮＯｘ脱離推定手段と、
ＮＯｘ脱離推定手段によりＮＯｘが脱離する状態にあると推定されたときに、推定されたＮＯｘ脱離量に基づいて設定された量の還元剤を前記排気通路内に供給する還元剤供給手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 排気通路内に介装されたゼオライトを含む排気浄化触媒と、
機関の排気流量に基づいて前記排気浄化触媒に吸着されたＮＯｘが脱離する状態にあるか否かを推定するとともに、前記機関の排気流量が多いほどＮＯｘ脱離量が多いと推定するＮＯｘ脱離推定手段と、
ＮＯｘ脱離推定手段によりＮＯｘが脱離する状態にあると推定されたときに、推定されたＮＯｘ脱離量に基づいて設定された量の還元剤を前記排気通路内に供給する還元剤供給手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置 - 前記排気浄化触媒の下流側に、貴金属を含む第２の排気浄化触媒を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記排気浄化触媒は、貴金属を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記還元剤供給手段は、前記排気浄化触媒又は前記第２の排気浄化触媒よりも上流側に設けられることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記還元剤供給手段は、機関に噴射する燃料量を増加させることにより前記排気通路内に還元剤を供給することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記還元剤供給手段により還元剤が供給されるときに、排気空燃比を理論空燃比又はリッチにすることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記排気浄化触媒に吸着されたＮＯｘの脱離を促進する脱離促進手段を備え、前記ＮＯｘ脱離推定手段によりＮＯｘが脱離する状態にあると推定されたときに、ＮＯｘの脱離を促進させることを特徴とする請求項１から請求項７記載のいずれか１つに内燃機関の排気浄化装置。
- 前記脱離促進手段は、前記排気浄化触媒に吸着されているＮＯｘ吸着量が所定量以上となったときに、ＮＯｘの脱離を促進させることを特徴とする請求項８記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記脱離促進手段は、排気温度及び排気流量の少なくとも一方を変化させることにより、ＮＯｘの脱離を促進させることを特徴とする請求項８又は請求項９記載の内燃機関の排気浄化装置。
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