JP3750380B2 - 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、内燃機関から排出される排気ガス中の有害物質を浄化させる内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関が理論空燃比よりもリーンな空燃比（リーン空燃比という）で燃焼されたときの排気ガス中に含まれる窒素酸化物NOxを一時的に吸蔵し、内燃機関が理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチな空燃比（リッチ空燃比という）で燃焼されたときに吸蔵したNOxを還元浄化するNOx吸蔵還元触媒を有する排気浄化装置が知られている。このNOx吸蔵還元触媒は、三元触媒としての機能も有し、理論空燃比やリッチ空燃比で燃焼された後の排気ガスに含まれる炭化水素HCや一酸化炭素COを還元剤として吸蔵したNOxを還元浄化させる（このとき、HC,COは酸化浄化される）。このようなNOx吸蔵還元触媒を有する排気浄化触媒としては、国際公開公報WO93/25806号に記載のものなどが知られている。
【０００３】
NOx吸蔵還元触媒は、吸蔵できるNOx量に限りがある。そこで、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたNOx量を推定し、推定されたNOx量が一定の許容基準値を超えたときにリッチスパイクを行うようにしている。上述した国際公開公報WO93/25806号に記載の排気浄化触媒も同様である。リッチスパイクとは、内燃機関の空燃比を積極的にリッチ空燃比にして、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたNOxを排気ガス中のHC,COによって還元させると共にHC,CO自体を酸化させて排気ガス中のNOx,HC,COを浄化する機関運転方法である。なお、上述した国際公開公報WO93/25806号に記載の排気浄化触媒においては、機関負荷と機関回転数から、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されると思われるNOx量を推定している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、機関負荷と機関回転数に基づいてNOx吸蔵還元触媒での還元浄化を行うと、大気圧の変化などによって吸入空気量が変化するので、大気圧が変化した場合などには、NOx吸蔵還元触媒での還元浄化を精度良く行うことができず、エミッションを悪化させてしまうことがあった。
【０００５】
特に、排出された排気ガスを吸気系に還流させて排気ガス中のNOx量を低減させる排気ガス還流機構を採用している場合、排気ガス還流機構の多くは吸気管負圧を利用しているので、大気圧の変化により吸気管負圧が変化すると排出されるNOx量も変化する。このように排気ガス還流機構を採用している場合、高地走行などによって大気圧が減少すると、排気ガス還流機構による排気ガスの還流量が減少して排気ガス中のNOx量が推定値よりも増加するので、NOx吸蔵還元触媒での還元浄化を精度良く行うことができず、エミッションを悪化させてしまうことがあり得る。
【０００６】
従って、本発明の目的は、大気圧が変化しても、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されているNOxを精度良く還元浄化させて、エミッションの悪化を抑制することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気通路に配置され、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気に含まれる窒素酸化物NOxを吸蔵し、流入する排気の空燃比が理論空燃比又はリッチのときに、吸蔵したNOxを還元浄化するNOx吸蔵還元触媒を有する排気浄化装置において、内燃機関の運転状態から、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたNOx量を推定するNOx量推定手段と、大気圧を検出する大気圧検出手段と、大気圧検出手段によって検出された大気圧に基づいて、NOx量推定手段によって推定されるNOx量を補正するNOx量補正手段とを備えていることを特徴とする。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、NOx量推定手段によって推定されたNOx吸蔵還元触媒に吸蔵されるNOx量を、大気圧検出手段によって検出した大気圧によって補正するので、大気圧の影響による排気ガス中のNOx量の増減分をも考慮して、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたNOx量を正確に推定することができる。このため、正確に推定されたNOx吸蔵量に基づいて、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されている窒素酸化物 NOxを精度良く還元浄化させてエミッションの悪化を抑制することができる。
【０００９】
またさらに、請求項１に記載の発明は、 NOx量推定手段によって推定された後にNOx量補正手段によって補正されたNOx量が許容基準値を超えたときに内燃機関の空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比に切り替えてリッチスパイクを行うリッチスパイク実行手段と、大気圧検出手段により検出された大気圧に応じてリッチスパイクの実行条件を変更する実行条件変更手段とを備えている。
【００１０】
このため、請求項１に記載の発明によれば、大気圧検出手段により検出された大気圧に応じてリッチスパイクの実行条件を変更させつつ、リッチスパイク実行手段によって吸蔵した窒素酸化物 NOxを浄化させるので、より効率的に排気ガス中の窒素酸化物NOxを浄化させることができる。また、リッチスパイクの実行頻度を制御することも可能となる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、内燃機関の排気通路に配置され、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気に含まれる窒素酸化物NOxを吸蔵し、流入する排気の空燃比が理論空燃比又はリッチのときに、吸蔵したNOxを還元浄化するNOx吸蔵還元触媒を有する排気浄化装置において、大気圧を検出する大気圧検出手段と、機関の運転状態に応じて定められたリッチスパイク実行条件に従って内燃機関の空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比に切り替えてリッチスパイクを行うリッチスパイク実行手段と、大気圧検出手段により検出された大気圧に応じてリッチスパイクの実行条件を変更する実行条件変更手段とを備えていることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、大気圧検出手段により検出された大気圧に応じてリッチスパイクの実行条件を変更させつつ、リッチスパイク実行手段によって吸蔵した窒素酸化物 NOxを浄化させるので、より効率的に排気ガス中のNOxを浄化させることができ、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されている窒素酸化物 NOxを精度良く還元浄化させてエミッションの悪化を抑制することができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、実行条件変更手段が、許容基準値を可変制御することを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、実行条件変更手段によって許容基準値を可変制御するので、大気圧の状態に応じてNOx吸蔵量を変更することができる。このため、より効率的に排気ガス中の窒素酸化物NOxを浄化させることができる。例えば、大気圧状態が排気ガス中のNOxを増加させるような状態の場合は、許容基準値を通常よりも大きくし、リッチスパイクの回数を制限しつつ、リッチスパイクが実行されたときには吸蔵された窒素酸化物 NOxを確実に浄化させるようにすることができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の発明において、実行条件変更手段が、リッチスパイクを行う時間を可変制御することを特徴とする。
【００１６】
請求項４に記載の発明によれば、実行条件変更手段によってリッチスパイクを行う時間を可変制御するので、大気圧の状態に応じて浄化し得るNOx量を変更することができる。このため、より効率的に排気ガス中の窒素酸化物NOxを浄化させることができる。特に、許容基準値も可変制御している場合は、NOx吸蔵量が変化するため、変化したNOx吸蔵量に応じてリッチスパイクを行う時間を可変制御して、吸蔵された窒素酸化物 NOxを確実に浄化させることができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の発明において、実行条件変更手段が、リッチスパイク時の空燃比を制御することを特徴とする。
【００１８】
請求項５に記載の発明によれば、実行条件変更手段によってリッチスパイク時の空燃比を制御するので、大気圧の状態に応じて窒素酸化物 NOxを浄化する際の還元剤となる排気ガス中のHC,COの量を変更することができる。このため、より効率的に排気ガス中の窒素酸化物NOxを浄化させることができる。特に、許容基準値も可変制御している場合は、NOx吸蔵量が変化するため、変化したNOx吸蔵量に応じてリッチスパイク時の空燃比を制御して、窒素酸化物 NOxを浄化するために必要なHC,COの量を最適にし、吸蔵された窒素酸化物 NOxを確実に浄化させることができる。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、排気ガスを内燃機関の吸気系に還流させる排気ガス還流手段をさらに備えており、NOx量補正手段が、大気圧検出手段によって検出された大気圧と排気ガス還流手段によって還流された排気ガスの還流量とに基づいて、NOx量推定手段によって推定されるNOx量を補正することを特徴とする。
【００２０】
請求項６に記載の発明によれば、NOx 量推定手段によって推定された NOx 吸蔵還元触媒に吸蔵される NOx 量を、大気圧検出手段によって検出した大気圧によって補正するので、大気圧の影響による排気ガス中の NOx 量の増減分をも考慮して、 NOx 吸蔵還元触媒に吸蔵された NOx 量を正確に推定することができる。このため、正確に推定された NOx 吸蔵量に基づいて、 NOx 吸蔵還元触媒に吸蔵されている窒素酸化物 NOx を精度良く還元浄化させてエミッションの悪化を抑制することができる。さらに、請求項６に記載の発明は、NOx吸蔵還元触媒による浄化に加えて、排気ガス還流手段も用いて排気ガス中のNOx量自体を低減させて、NOxによる大気汚染を抑止している。このとき、大気圧の影響による排気ガス中のNOx量の増減分のみならず、排気ガス還流手段による排気ガスの還流量による排気ガス中のNOx量の増減分をも考慮して、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたNOx量を正確に推定することができる。このため、正確に推定されたNOx吸蔵量に基づいて、排気ガス中のNOx吸蔵還元触媒を確実に浄化させることができる。
【００２１】
特に、排気ガス還流手段が吸気管負圧を利用している場合は、吸気管負圧が大気圧の影響を受けるため、大気圧の影響が排気ガスの還流量にも影響を与える。このため、大気圧と排気ガスの還流量との双方を考慮することによって、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されるNOx量をより高精度に推定することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の内燃機関の排気浄化装置の第一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２３】
本実施形態の排気浄化触媒は、NOx吸蔵還元触媒１を有している。NOx吸蔵還元触媒１は、内燃機関であるエンジンの排気通路２上に配設されている。NOx吸蔵還元触媒１については、追って詳述する。NOx吸蔵還元触媒１の上流側の排気通路２上には、通常の三元触媒である始動時触媒３も配設されている。始動時触媒３は、エンジンの燃焼室に近いので排気ガスによって昇温されやすく、エンジン始動直後、より早期に触媒活性温度にまで上昇して排気ガス中の有害物質を浄化するように配設されたものである。
【００２４】
排気通路２上の始動時触媒３の上流側と始動時触媒３の下流側（NOx吸蔵還元触媒１の上流側）とには、排気ガス中の酸素濃度を検出することによって、エンジンの空燃比を検出する酸素センサ４が取り付けられている。なお、エンジンの空燃比を検出するのに、酸素センサ以外の空燃比センサ、例えば空燃比をリニアに測定可能な限界電流式酸素センサを用いても良い。また、排気通路２から、吸気通路５にかけて、排気ガス還流通路（以下、EGR通路という:Exhaust Gas Recirculation）６が形成されている。EGR通路６上には、この通路を開閉させるEGR弁７が配設されている。さらに、吸気通路５上には、吸気管圧力を検出する圧力センサ８が取り付けられている。
【００２５】
本実施形態の排気浄化触媒が取り付けられているエンジンは、燃料をシリンダ９内に直接噴射させる筒内噴射型エンジンである。このため、噴射口をシリンダ９内に配置させたインジェクタ１０が、シリンダ９の上部に配設されている。シリンダ９上部には、シリンダ９内の混合気に点火させる点火プラグ１１、吸気通路５とシリンダ９との間を開閉する吸気バルブ１２、排気通路２とシリンダ９との間を開閉する排気バルブ１３も配設されている。点火プラグ１１には、イグニッションコイル１４が接続されている。
【００２６】
上述したエンジンは、その吸排気バルブ１２，１３の開閉タイミングを連続的に変化させることのできる可変バルブタイミング機構１５も有している。ピストン１６の位置は、クランクポジションセンサ１７によって検出されており、これと連動して点火プラグ１１の点火タイミングや吸排気バルブ１２，１３の開閉タイミングが制御される。クランクポジションセンサ１７は、ピストン１６の位置の検出のみならず、エンジンの回転数も検出できる。
【００２７】
上述した酸素センサ４、EGR弁７、圧力センサ８、インジェクタ１０、イグニッションコイル１４、可変バルブタイミング機構１５、クランクポジションセンサ１７は、電子制御ユニット(ECU)１８に接続されている。ECU１８には、大気圧検出手段である大気圧センサ１９も接続されている。なお、ECU１８には、アクセル開度を検出するアクセルポジションセンサ２０などの他の各種センサや吸気量を調節するスロットル弁２１を駆動するスロットルモータ２２などの各種装置も接続されており、エンジンはECU１８によって総合的に制御される。ECU１８は、CPU,ROM,RAMなどで構成されるマイクロコンピュータであり、イグニッションキーをオフにした後もバッテリにより記憶内容が消去されずに保持されるバックアップRAMも備えている。
【００２８】
ECU１８は、クランクポジションセンサ１７などと共に、NOx吸蔵還元触媒１に吸蔵されるNOx量を推定するNOx量推定手段としても機能する。また、ECU１８は、吸気管圧力とエンジン回転数とから決定される基本燃料噴射量を酸素センサ４の出力によって空燃比フィードバック制御によって補正して空燃比を制御する空燃比制御も司っている。このため、ECU１８は、圧力センサ８やクランクポジションセンサ１７などと共に、リッチスパイク実行手段としても機能する。なお、基本燃料噴射量は、アクセルポジションセンサ２０によって検出されるアクセル開度とクランクポジションセンサ１７によって検出されるエンジン回転数とから決定される場合もある。
【００２９】
さらに、ECU１８は、このように、空燃比を制御することができるので、リッチスパイク時の空燃比やリッチスパイクを行う時間を制御して、リッチスパイク条件を変更する実行条件変更手段としても機能する。またさらに、ECU１８は、各種センサや各種装置類と共に、リッチスパイクの実行要否の判定基準となる許容基準値（追って詳述する）を可変制御することによっても実行条件変更手段として機能し、NOx量推定手段として推定したNOx量を補正するNOx量補正手段としても機能する。
【００３０】
上述したエンジンは、インジェクタ１０からの燃料噴射量などを制御することによって、リーン空燃比、理論空燃比、リッチ空燃比による燃焼を運転状況に合わせて選択的に実行することができる。また、上述したエンジンにおいては、ピストン上面形状などにも工夫がされており、燃料噴射量、噴射タイミング、バルブ開閉タイミングなどを制御することによって、いわゆる成層燃焼を行うこともできる。
【００３１】
NOx吸蔵還元触媒１について説明する。
【００３２】
NOx吸蔵還元触媒１は、表面にアルミナの薄膜層がコーティングされた担体上に、白金やパラジウムやロジウムなどの貴金属の他に、アルカリ金属（カリウム，ナトリウム，リチウム，セシウムなど）、アルカリ土類金属（バリウム，カルシウムなど）又は希土類元素（ランタン，イットリウムなど）などをもさらに担持させ、エンジンがリーン空燃比で運転されたときに排気ガス中に含まれるNOxを吸蔵させることができるようにしたものである。
【００３３】
このため、NOx吸蔵還元触媒１は、通常の三元触媒としての機能、即ち、理論空燃比近傍で燃焼されたときの排気ガス内のHC,CO,NOxを浄化する機能に加えて、排気ガス中に含まれる還元されないNOxを吸蔵することができる。リーン空燃比で燃焼された排気ガス中には還元剤となるHC,COがほとんど含まれないためNOxは還元されにくく、この還元されないNOxがNOx吸蔵還元触媒１に一時的に吸蔵される。
【００３４】
NOx吸蔵還元触媒１に吸蔵されたNOxは、リッチ空燃比（あるいは理論空燃比近傍）で燃焼されたときの排気ガス中のHC,COによって還元されて浄化される（このときHC,COは同時に酸化されて浄化される）。このために、NOx吸蔵還元触媒１にある程度NOxが吸蔵されたと判断されたときは、リッチ空燃比で短時間エンジンを運転して吸蔵されたNOxを還元させる、いわゆるリッチスパイク運転を行う。
【００３５】
NOx吸蔵還元触媒１に吸蔵されているNOxの推定吸蔵量は、ECU１８内のRAM内におけるカウンタ値をカウントアップ又はカウントダウンすることによって、演算・記憶される。このNOx吸蔵量は、エンジンの運転が停止されるときには、バックアップRAM内に記憶され、必要時に取り出される。
【００３６】
エンジンがリーン空燃比で運転されればNOxカウンタ値はカウントアップされ、NOxカウンタ値が許容基準値となったところでリッチスパイクが行われる。なお、本実施形態においては、この許容基準値は固定値とされている。また、リッチスパイク運転に関わらず、エンジンがリッチ空燃比又は理論空燃比で運転されれば（例えば、加速時など）、NOx吸蔵還元触媒１に吸蔵されたNOxは浄化されるので、この場合は、NOxカウンタ値はカウントダウンされる。
【００３７】
NOx吸蔵還元触媒１に吸蔵されるNOx量の推定について、図２に示すフローチャートに基づいて説明する。図２に示されるフローチャートは、このNOxカウンタをカウントアップする際のフローチャートである。このフローチャートは、エンジンの運転中、一定時間毎（例えば、数ミリ秒毎）に繰り返し行われている。
【００３８】
まず、エンジンがリーン空燃比で運転されているか否かを判定する（ステップ１００）。リーン空燃比で運転されているか否かは、酸素センサ４の出力などから判断しても良いし、圧力センサ８によって検出された吸気管負圧から算出される吸入空気量やECU１８によって算出されるインジェクタ１０からの燃料噴射量などから判断しても良い。リーン空燃比による運転でない場合、即ち、ステップ１００が否定された場合は、排出ガス中のNOxがNOx吸蔵還元触媒１に吸蔵されないので、このルーチンを終了する。
【００３９】
エンジンがリーン空燃比で運転されている、即ち、ステップ１００が肯定された場合は、NOx吸蔵還元触媒１にNOxが吸蔵されるので、そのNOx量を推定すべく、まずエンジン回転数と燃料噴射量がECU１８内に読み込まれる（ステップ１０１）。エンジン回転数は、クランクポジションセンサ１７によって検出される。また、燃料噴射量はインジェクタ１０に対して噴射指令を出すべくECU１８によって算出されるので、この算出値から得られる。
【００４０】
読み込んだエンジン回転数と燃料噴射量とに基づいて、上述したNOxカウンタ用の基本推定吸蔵量をマップから求める（ステップ１０２）。排出されるNOx量は、エンジン回転数が高くなるほど増加し、燃料噴射量が多くなるほど増加する傾向があるので、まず、エンジン回転数と燃料噴射量とから基本推定吸蔵量を決定する。ステップ１０２で使用するマップを図３に示す。燃料噴射量（ここではマップ横軸）とエンジン回転数（ここではNE1〜NE3の各折れ線）とが決まれば、基本推定吸蔵量（ここではマップ縦軸）が決定される。回転数、燃料噴射量の他に吸入空気量、吸気管圧力、点火時期、排気温度、触媒温度を考慮して基本推定吸蔵量を算出又は補正しても良い。次に、このステップ１０２において得られた基本推定吸蔵量を大気圧に応じて補正すべく、大気圧センサ１９によって大気圧を検出し、ECU１８内に読み込む（ステップ１０３）。
【００４１】
次いで、読み込んだ大気圧に基づいて、上述した基本推定吸蔵量を補正するための補正係数をマップから求める（ステップ１０４）。ここで使用するマップを図４に示す。大気圧（ここではマップ横軸）が決まれば、補正係数（ここではマップ縦軸）が決定される。本実施形態においては、さらに、エンジン負荷（ここではKL1〜KL3の各折れ線）もパラメータとしている。エンジン負荷は、基本燃料噴射量や、圧力センサ８によって検出される吸気管負圧などから判断すれば良い。
【００４２】
ステップ１０２によって得られた基本推定吸蔵量にステップ１０４で得られた補正係数を掛けて補正後のカウンタ値を算出し、NOxカウンタを更新する（ステップ１０５）。なお、本実施形態においては、補正係数を基本推定吸蔵量に対して掛け合わせる値として得たが、加減算する値として得ても良い。次いで、新たに得られたNOxカウンタ値が許容基準値（本実施形態においては固定値）よりも大きいか否かを判定する（ステップ１０６）。
【００４３】
ステップ１０６において、新たに得られたNOxカウンタ値が許容基準値以下である場合は、まだNOx吸蔵還元触媒１にNOxを吸蔵する余裕が残っているとして、このルーチンを終了する。一方、新たに得られたNOxカウンタ値が許容基準値よりも大きい場合は、リッチスパイクを実施し（ステップ１０７）、NOx吸蔵還元触媒１に吸蔵されたNOxを浄化する。リッチスパイクが行われたときは、NOxカウンタがリセットされる（あるいは、リッチスパイクの経過と共にNOxカウンタが減じられる）。
【００４４】
なお、本実施形態においては、予め許容基準値が決定されており、この許容基準値は、NOx吸蔵還元触媒１のNOx吸蔵限界量の半分程度に設定されている。運転状況によってはNOxカウンタ値が許容基準値よりも大きくなってもリッチスパイクを行えない場合や、NOx吸蔵還元触媒毎の個体差による吸蔵限界量のバラツキ・経時変化を考慮して、許容基準値を吸蔵限界量の半分程度としている。
【００４５】
また、リッチスパイクを行う際には、大気圧に応じて、リッチスパイク条件を種々変更している。ここでは、リッチスパイク時の空燃比とリッチスパイクを行う時間又は単位時間あたりのリッチスパイクの実行回数（リッチスパイク周期）を制御している。このように、リッチスパイクの条件を変更することによって、より効率的に排気ガス中のNOxを浄化させることができる。
【００４６】
次に、本発明の内燃機関の排気浄化装置の第二実施形態について説明する。
【００４７】
本実施形態の排気浄化装置の構成は、上述した第一実施形態の図１に示されるものと同一であるため、その説明を省略する。本実施形態においては、上述した第一実施形態の排気浄化装置とは、許容基準値を可変制御する点のみが異なる。
【００４８】
以下、NOx吸蔵還元触媒１に吸蔵されるNOx量の推定について、図５に示すフローチャートに基づいて説明する。
【００４９】
ステップ２００〜２０４までは、上述した第一実施形態におけるステップ１００〜１０４と同一であるので、その説明を省略する。
【００５０】
ステップ２０４に続いて、ステップ２０３で読み込んだ大気圧に基づいて、許容基準値をマップから求める（ステップ２０５）。ここで使用するマップを図６に示す。大気圧（ここではマップ横軸）が決まれば、許容基準値（ここではマップ縦軸）が決定される。大気圧によってはNOxの吸蔵量が多くなるので、リッチスパイクが頻繁に行われるようになる場合がある。リッチスパイク時には、エンジンの出力トルク変動などに起因するショックが僅かではあるが発生する。許容基準値を大きめにすれば、リッチスパイクを頻繁に行わなくて済み、ショックの発生を抑止することができる。例えば、通常は許容基準値をNOx吸蔵還元触媒１の吸蔵限界値の半分程度としておき、大気圧の状況によってリッチスパイクが頻繁となるようであれば、許容基準値をNOx吸蔵還元触媒１の吸蔵限界値の七割程度にまで大きくするようなことができる。
【００５１】
ステップ２０６は、第一実施形態におけるステップ１０５と同一である。ステップ２０６に次いで、新たに得られたNOxカウンタ値がステップ２０５で算出された許容基準値よりも大きいか否かを判定する（ステップ２０７）。ステップ２０７において、新たに得られたNOxカウンタ値が許容基準値以下である場合は、まだNOx吸蔵還元触媒１にNOxを吸蔵する余裕が残っているとして、このルーチンを終了する。一方、新たに得られたNOxカウンタ値が許容基準値よりも大きい場合は、リッチスパイクを実施し（ステップ２０８）、NOx吸蔵還元触媒１に吸蔵されたNOxを浄化する。リッチスパイクが行われたときは、NOxカウンタがリセットされる。
【００５２】
また、第一実施形態と同様に、リッチスパイクを行う際には、大気圧に応じて、リッチスパイク条件を種々変更している。ここでは、リッチスパイク時の空燃比とリッチスパイクを行う時間又はリッチスパイクの実行回数を制御している。ここではさらに、リッチスパイクの実行条件として、リッチスパイクの実行要否の判定基準となる許容基準値も可変性御している。このように、リッチスパイクの条件を変更することによって、より効率的に排気ガス中のNOxを浄化させることができる。
【００５３】
次に、本発明の内燃機関の排気浄化装置の第三実施形態について説明する。
【００５４】
本実施形態の排気浄化装置の構成は、上述した第一実施形態の図１に示されるものと同一であるため、その説明を省略する。本実施形態においては、上述した第一実施形態の排気浄化装置とは、補正係数の算出の仕方が異なる。本実施形態においては、大気圧のみならず、EGR機構によって還流された排気ガスの還流量によっても基本推定吸蔵量を補正する。
【００５５】
まず、EGR機構について簡単に説明する。
【００５６】
EGR機構は、主として、排気ガスを吸気系に再度還流させることによって燃焼温度を下げ、生成されるNOx量を低減させることを目的としている。本実施形態においては、排気ガスを還流させるために、吸気通路５に発生する負圧、即ち、吸気管負圧を利用している。EGR通路６を電子制御により開閉されるEGR弁７を用いて開通又は遮断させており、EGR弁７を開くと、吸気管負圧によって排気通路２内の排気ガスが吸気通路５側に還流される。このように、EGR通路６を設けて排気ガスを還流させる方式を、外部EGR方式という。
【００５７】
一方、吸排気バルブ１２，１３の開閉タイミングを制御することによって、排気ガスをシリンダ９内又は吸気通路５側に還流させる内部EGR方式もある。この方式は、燃焼後に排気バルブ１３を開いて排気する際に一時的に吸気バルブ１２も開き、排気ガスを吸気管負圧によってシリンダ９内や吸気通路５側に還流させる方式である。吸排気バルブ１２，１３の開閉タイミングは、可変バルブタイミング機構１５によって制御される。このように、外部EGR方式及び内部EGR方式では、共に吸気管負圧を利用して排気ガスを還流させている。
【００５８】
排気ガスの還流量が変われば、その分新たに吸入される空気量も変わるし、燃焼温度も変わるため、排出されるNOx量、即ち、NOx吸蔵還元触媒１に吸蔵されるNOx量も変化する。また、EGR機構は吸気管負圧を利用するが、この吸気管負圧が大気圧の影響を受けるので、大気圧が変わると、EGR機構による排気ガスの還流量が変わる。
【００５９】
例えば、高地走行の場合などのように大気圧が低くなると、還流される排気ガス量は減少する。この結果、EGR機構を採用している場合、高地走行時には排出されるNOx量（即ち、NOx吸蔵還元触媒１に吸蔵されるNOx量）は増加する。このような場合を考慮して、本実施形態においては、大気圧に加えてEGR機構による排気ガスの還流量によっても、基本推定吸蔵量を補正する。
【００６０】
以下、NOx吸蔵還元触媒１に吸蔵されるNOx量の推定について、図７に示すフローチャートに基づいて説明する。
【００６１】
ステップ３００〜３０３までは、上述した第一実施形態におけるステップ１００〜１０３と同一であるので、その説明を省略する。
【００６２】
ステップ３０３に続いて、排気ガスの還流量を算出する（ステップ３０４）。排気ガスの還流量は、圧力センサ８によって検出された吸気管負圧とEGR弁７の開度及び開放時間から算出しても良いし、外部EGRに関してであれば、EGR通路６上に流量計を設置し、この出力から算出しても良い。内部EGRに関してであれば、圧力センサ８によって検出された吸気管負圧と吸排気バルブ１２，１３の開放オーバーラップ時間から算出しても良い。
【００６３】
ステップ３０３で読み込んだ大気圧とステップ３０４で算出した排気ガスの還流量とに基づいて、補正係数を算出する（ステップ３０５）。このとき、大気圧と還流量とから一つの補正係数が算出されても良いし、大気圧から一つの補正係数が算出されると共に還流量からもう一つの補正係数が算出されても良い。
【００６４】
次いで、算出された補正係数を用いて、ステップ３０２で算出した基本推定吸蔵量を補正してNOxカウンタを更新する（ステップ３０６）。ステップ３０７及び３０８に関しては、上述した第一実施形態におけるステップ１０６及び１０７と同一であるため、説明を省略する。なお、本実施形態においては、許容基準値を固定としたが、上述した第二実施形態のように大気圧に応じて（あるいは大気圧と排気ガスの還流量とに応じて）許容基準値を可変制御しても良い。
【００６５】
このように、EGR機構を併用し、大気圧のみならず排気ガスの還流量によってもNOx吸蔵量を補正するようにすれば、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたNOx量をより高精度に推定することができ、排気ガス中のNOx吸蔵還元触媒を確実に浄化させることができる。
【００６６】
本発明の内燃機関の排気浄化装置は、上述した実施形態のものに限定されない。例えば、上述した実施形態においては、検出された大気圧に応じてNOx吸蔵量を補正したが、NOx量を推定することなく、単純に大気圧の大きさに応じてリッチスパイク実行条件を変更するような内燃機関の排気浄化装置であっても良い。例えば、リッチスパイク運転を行う周期を予め実験によって求めてこの実行周期に基づいてリッチスパイク運転を行うようにした排気浄化触媒において、検出された大気圧に応じてこの実行周期を補正するような場合である。このように、吸蔵されているNOx量を推定しなくても、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されているNOxを精度良く還元浄化させて、エミッションの悪化を抑制することができる。なお、上述した実行周期に代えて、リーン運転中に「機関負荷」、「吸入空気量」、「燃料噴射量」が低い状態が継続した時間を用いても良い。
【００６７】
また、上述した実施形態においては、EGR機構を併用した例を説明したが、請求項１〜５に記載の発明は、EGR機構を有しないエンジンに対しても適用可能である。また、上述した実施形態においては、NOx吸蔵還元触媒１に吸蔵されるNOx量の基本推定吸蔵量をエンジン回転数と燃料噴射量とから推定したが、他の検出量から推定しても良い。たとえば、圧力センサ８によって検出される吸気管負圧を推定に用いても良い。
【００６８】
【発明の効果】
本発明の内燃機関の排気浄化装置は、NOx量推定手段によって推定したNOx吸蔵量を、大気圧検出手段によって検出された大気圧に応じて、NOx量補正手段を用いて補正するため、正確に推定されたNOx吸蔵量に基づいて、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されているNOx吸蔵還元触媒を精度良く還元浄化させてエミッションの悪化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 エンジン及び本発明の内燃機関の排気浄化装置の第一実施形態の構成を示す断面図である。
【図２】 本発明の内燃機関の排気浄化装置の第一実施形態におけるNOx吸蔵量検出ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】 燃料噴射量、エンジン回転数及びNOx基本推定吸蔵量の関係を示したマップ概略図である。
【図４】 大気圧、エンジン負荷及びNOx推定吸蔵量の補正係数の関係を示したマップ概略図である。
【図５】 本発明の内燃機関の排気浄化装置の第二実施形態における吸蔵NOx量検出ルーチンを示すフローチャートである。
【図６】 大気圧及びNOx推定吸蔵量の許容基準値の関係を示したマップ概略図である。
【図７】 本発明の内燃機関の排気浄化装置の第三実施形態における吸蔵NOx量検出ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…NOx吸蔵還元触媒、６…EGR通路（排気ガス還流手段）、７…EGR弁（排気ガス還流手段）、１８…ECU（NOx量推定手段、リッチスパイク実行手段、NOx量補正手段、実行条件変更手段）、１９…大気圧センサ（大気圧検出手段）。
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関から排出される排気ガス中の有害物質を浄化させる内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関が理論空燃比よりもリーンな空燃比（リーン空燃比という）で燃焼されたときの排気ガス中に含まれる窒素酸化物NOxを一時的に吸蔵し、内燃機関が理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチな空燃比（リッチ空燃比という）で燃焼されたときに吸蔵したNOxを還元浄化するNOx吸蔵還元触媒を有する排気浄化装置が知られている。このNOx吸蔵還元触媒は、三元触媒としての機能も有し、理論空燃比やリッチ空燃比で燃焼された後の排気ガスに含まれる炭化水素HCや一酸化炭素COを還元剤として吸蔵したNOxを還元浄化させる（このとき、HC,COは酸化浄化される）。このようなNOx吸蔵還元触媒を有する排気浄化触媒としては、国際公開公報WO93/25806号に記載のものなどが知られている。
【０００３】
NOx吸蔵還元触媒は、吸蔵できるNOx量に限りがある。そこで、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたNOx量を推定し、推定されたNOx量が一定の許容基準値を超えたときにリッチスパイクを行うようにしている。上述した国際公開公報WO93/25806号に記載の排気浄化触媒も同様である。リッチスパイクとは、内燃機関の空燃比を積極的にリッチ空燃比にして、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたNOxを排気ガス中のHC,COによって還元させると共にHC,CO自体を酸化させて排気ガス中のNOx,HC,COを浄化する機関運転方法である。なお、上述した国際公開公報WO93/25806号に記載の排気浄化触媒においては、機関負荷と機関回転数から、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されると思われるNOx量を推定している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、機関負荷と機関回転数に基づいてNOx吸蔵還元触媒での還元浄化を行うと、大気圧の変化などによって吸入空気量が変化するので、大気圧が変化した場合などには、NOx吸蔵還元触媒での還元浄化を精度良く行うことができず、エミッションを悪化させてしまうことがあった。
【０００５】
特に、排出された排気ガスを吸気系に還流させて排気ガス中のNOx量を低減させる排気ガス還流機構を採用している場合、排気ガス還流機構の多くは吸気管負圧を利用しているので、大気圧の変化により吸気管負圧が変化すると排出されるNOx量も変化する。このように排気ガス還流機構を採用している場合、高地走行などによって大気圧が減少すると、排気ガス還流機構による排気ガスの還流量が減少して排気ガス中のNOx量が推定値よりも増加するので、NOx吸蔵還元触媒での還元浄化を精度良く行うことができず、エミッションを悪化させてしまうことがあり得る。
【０００６】
従って、本発明の目的は、大気圧が変化しても、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されているNOxを精度良く還元浄化させて、エミッションの悪化を抑制することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気通路に配置され、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気に含まれる窒素酸化物NOxを吸蔵し、流入する排気の空燃比が理論空燃比又はリッチのときに、吸蔵したNOxを還元浄化するNOx吸蔵還元触媒を有する排気浄化装置において、内燃機関の運転状態から、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたNOx量を推定するNOx量推定手段と、大気圧を検出する大気圧検出手段と、大気圧検出手段によって検出された大気圧に基づいて、NOx量推定手段によって推定されるNOx量を補正するNOx量補正手段とを備えていることを特徴とする。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、NOx量推定手段によって推定されたNOx吸蔵還元触媒に吸蔵されるNOx量を、大気圧検出手段によって検出した大気圧によって補正するので、大気圧の影響による排気ガス中のNOx量の増減分をも考慮して、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたNOx量を正確に推定することができる。このため、正確に推定されたNOx吸蔵量に基づいて、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されている窒素酸化物 NOxを精度良く還元浄化させてエミッションの悪化を抑制することができる。
【０００９】
またさらに、請求項１に記載の発明は、 NOx量推定手段によって推定された後にNOx量補正手段によって補正されたNOx量が許容基準値を超えたときに内燃機関の空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比に切り替えてリッチスパイクを行うリッチスパイク実行手段と、大気圧検出手段により検出された大気圧に応じてリッチスパイクの実行条件を変更する実行条件変更手段とを備えている。
【００１０】
このため、請求項１に記載の発明によれば、大気圧検出手段により検出された大気圧に応じてリッチスパイクの実行条件を変更させつつ、リッチスパイク実行手段によって吸蔵した窒素酸化物 NOxを浄化させるので、より効率的に排気ガス中の窒素酸化物NOxを浄化させることができる。また、リッチスパイクの実行頻度を制御することも可能となる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、内燃機関の排気通路に配置され、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気に含まれる窒素酸化物NOxを吸蔵し、流入する排気の空燃比が理論空燃比又はリッチのときに、吸蔵したNOxを還元浄化するNOx吸蔵還元触媒を有する排気浄化装置において、大気圧を検出する大気圧検出手段と、機関の運転状態に応じて定められたリッチスパイク実行条件に従って内燃機関の空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比に切り替えてリッチスパイクを行うリッチスパイク実行手段と、大気圧検出手段により検出された大気圧に応じてリッチスパイクの実行条件を変更する実行条件変更手段とを備えていることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、大気圧検出手段により検出された大気圧に応じてリッチスパイクの実行条件を変更させつつ、リッチスパイク実行手段によって吸蔵した窒素酸化物 NOxを浄化させるので、より効率的に排気ガス中のNOxを浄化させることができ、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されている窒素酸化物 NOxを精度良く還元浄化させてエミッションの悪化を抑制することができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、実行条件変更手段が、許容基準値を可変制御することを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、実行条件変更手段によって許容基準値を可変制御するので、大気圧の状態に応じてNOx吸蔵量を変更することができる。このため、より効率的に排気ガス中の窒素酸化物NOxを浄化させることができる。例えば、大気圧状態が排気ガス中のNOxを増加させるような状態の場合は、許容基準値を通常よりも大きくし、リッチスパイクの回数を制限しつつ、リッチスパイクが実行されたときには吸蔵された窒素酸化物 NOxを確実に浄化させるようにすることができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の発明において、実行条件変更手段が、リッチスパイクを行う時間を可変制御することを特徴とする。
【００１６】
請求項４に記載の発明によれば、実行条件変更手段によってリッチスパイクを行う時間を可変制御するので、大気圧の状態に応じて浄化し得るNOx量を変更することができる。このため、より効率的に排気ガス中の窒素酸化物NOxを浄化させることができる。特に、許容基準値も可変制御している場合は、NOx吸蔵量が変化するため、変化したNOx吸蔵量に応じてリッチスパイクを行う時間を可変制御して、吸蔵された窒素酸化物 NOxを確実に浄化させることができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の発明において、実行条件変更手段が、リッチスパイク時の空燃比を制御することを特徴とする。
【００１８】
請求項５に記載の発明によれば、実行条件変更手段によってリッチスパイク時の空燃比を制御するので、大気圧の状態に応じて窒素酸化物 NOxを浄化する際の還元剤となる排気ガス中のHC,COの量を変更することができる。このため、より効率的に排気ガス中の窒素酸化物NOxを浄化させることができる。特に、許容基準値も可変制御している場合は、NOx吸蔵量が変化するため、変化したNOx吸蔵量に応じてリッチスパイク時の空燃比を制御して、窒素酸化物 NOxを浄化するために必要なHC,COの量を最適にし、吸蔵された窒素酸化物 NOxを確実に浄化させることができる。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、排気ガスを内燃機関の吸気系に還流させる排気ガス還流手段をさらに備えており、NOx量補正手段が、大気圧検出手段によって検出された大気圧と排気ガス還流手段によって還流された排気ガスの還流量とに基づいて、NOx量推定手段によって推定されるNOx量を補正することを特徴とする。
【００２０】
請求項６に記載の発明によれば、NOx 量推定手段によって推定された NOx 吸蔵還元触媒に吸蔵される NOx 量を、大気圧検出手段によって検出した大気圧によって補正するので、大気圧の影響による排気ガス中の NOx 量の増減分をも考慮して、 NOx 吸蔵還元触媒に吸蔵された NOx 量を正確に推定することができる。このため、正確に推定された NOx 吸蔵量に基づいて、 NOx 吸蔵還元触媒に吸蔵されている窒素酸化物 NOx を精度良く還元浄化させてエミッションの悪化を抑制することができる。さらに、請求項６に記載の発明は、NOx吸蔵還元触媒による浄化に加えて、排気ガス還流手段も用いて排気ガス中のNOx量自体を低減させて、NOxによる大気汚染を抑止している。このとき、大気圧の影響による排気ガス中のNOx量の増減分のみならず、排気ガス還流手段による排気ガスの還流量による排気ガス中のNOx量の増減分をも考慮して、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたNOx量を正確に推定することができる。このため、正確に推定されたNOx吸蔵量に基づいて、排気ガス中のNOx吸蔵還元触媒を確実に浄化させることができる。
【００２１】
特に、排気ガス還流手段が吸気管負圧を利用している場合は、吸気管負圧が大気圧の影響を受けるため、大気圧の影響が排気ガスの還流量にも影響を与える。このため、大気圧と排気ガスの還流量との双方を考慮することによって、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されるNOx量をより高精度に推定することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の内燃機関の排気浄化装置の第一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２３】
本実施形態の排気浄化触媒は、NOx吸蔵還元触媒１を有している。NOx吸蔵還元触媒１は、内燃機関であるエンジンの排気通路２上に配設されている。NOx吸蔵還元触媒１については、追って詳述する。NOx吸蔵還元触媒１の上流側の排気通路２上には、通常の三元触媒である始動時触媒３も配設されている。始動時触媒３は、エンジンの燃焼室に近いので排気ガスによって昇温されやすく、エンジン始動直後、より早期に触媒活性温度にまで上昇して排気ガス中の有害物質を浄化するように配設されたものである。
【００２４】
排気通路２上の始動時触媒３の上流側と始動時触媒３の下流側（NOx吸蔵還元触媒１の上流側）とには、排気ガス中の酸素濃度を検出することによって、エンジンの空燃比を検出する酸素センサ４が取り付けられている。なお、エンジンの空燃比を検出するのに、酸素センサ以外の空燃比センサ、例えば空燃比をリニアに測定可能な限界電流式酸素センサを用いても良い。また、排気通路２から、吸気通路５にかけて、排気ガス還流通路（以下、EGR通路という:Exhaust Gas Recirculation）６が形成されている。EGR通路６上には、この通路を開閉させるEGR弁７が配設されている。さらに、吸気通路５上には、吸気管圧力を検出する圧力センサ８が取り付けられている。
【００２５】
本実施形態の排気浄化触媒が取り付けられているエンジンは、燃料をシリンダ９内に直接噴射させる筒内噴射型エンジンである。このため、噴射口をシリンダ９内に配置させたインジェクタ１０が、シリンダ９の上部に配設されている。シリンダ９上部には、シリンダ９内の混合気に点火させる点火プラグ１１、吸気通路５とシリンダ９との間を開閉する吸気バルブ１２、排気通路２とシリンダ９との間を開閉する排気バルブ１３も配設されている。点火プラグ１１には、イグニッションコイル１４が接続されている。
【００２６】
上述したエンジンは、その吸排気バルブ１２，１３の開閉タイミングを連続的に変化させることのできる可変バルブタイミング機構１５も有している。ピストン１６の位置は、クランクポジションセンサ１７によって検出されており、これと連動して点火プラグ１１の点火タイミングや吸排気バルブ１２，１３の開閉タイミングが制御される。クランクポジションセンサ１７は、ピストン１６の位置の検出のみならず、エンジンの回転数も検出できる。
【００２７】
上述した酸素センサ４、EGR弁７、圧力センサ８、インジェクタ１０、イグニッションコイル１４、可変バルブタイミング機構１５、クランクポジションセンサ１７は、電子制御ユニット(ECU)１８に接続されている。ECU１８には、大気圧検出手段である大気圧センサ１９も接続されている。なお、ECU１８には、アクセル開度を検出するアクセルポジションセンサ２０などの他の各種センサや吸気量を調節するスロットル弁２１を駆動するスロットルモータ２２などの各種装置も接続されており、エンジンはECU１８によって総合的に制御される。ECU１８は、CPU,ROM,RAMなどで構成されるマイクロコンピュータであり、イグニッションキーをオフにした後もバッテリにより記憶内容が消去されずに保持されるバックアップRAMも備えている。
【００２８】
ECU１８は、クランクポジションセンサ１７などと共に、NOx吸蔵還元触媒１に吸蔵されるNOx量を推定するNOx量推定手段としても機能する。また、ECU１８は、吸気管圧力とエンジン回転数とから決定される基本燃料噴射量を酸素センサ４の出力によって空燃比フィードバック制御によって補正して空燃比を制御する空燃比制御も司っている。このため、ECU１８は、圧力センサ８やクランクポジションセンサ１７などと共に、リッチスパイク実行手段としても機能する。なお、基本燃料噴射量は、アクセルポジションセンサ２０によって検出されるアクセル開度とクランクポジションセンサ１７によって検出されるエンジン回転数とから決定される場合もある。
【００２９】
さらに、ECU１８は、このように、空燃比を制御することができるので、リッチスパイク時の空燃比やリッチスパイクを行う時間を制御して、リッチスパイク条件を変更する実行条件変更手段としても機能する。またさらに、ECU１８は、各種センサや各種装置類と共に、リッチスパイクの実行要否の判定基準となる許容基準値（追って詳述する）を可変制御することによっても実行条件変更手段として機能し、NOx量推定手段として推定したNOx量を補正するNOx量補正手段としても機能する。
【００３０】
上述したエンジンは、インジェクタ１０からの燃料噴射量などを制御することによって、リーン空燃比、理論空燃比、リッチ空燃比による燃焼を運転状況に合わせて選択的に実行することができる。また、上述したエンジンにおいては、ピストン上面形状などにも工夫がされており、燃料噴射量、噴射タイミング、バルブ開閉タイミングなどを制御することによって、いわゆる成層燃焼を行うこともできる。
【００３１】
NOx吸蔵還元触媒１について説明する。
【００３２】
NOx吸蔵還元触媒１は、表面にアルミナの薄膜層がコーティングされた担体上に、白金やパラジウムやロジウムなどの貴金属の他に、アルカリ金属（カリウム，ナトリウム，リチウム，セシウムなど）、アルカリ土類金属（バリウム，カルシウムなど）又は希土類元素（ランタン，イットリウムなど）などをもさらに担持させ、エンジンがリーン空燃比で運転されたときに排気ガス中に含まれるNOxを吸蔵させることができるようにしたものである。
【００３３】
このため、NOx吸蔵還元触媒１は、通常の三元触媒としての機能、即ち、理論空燃比近傍で燃焼されたときの排気ガス内のHC,CO,NOxを浄化する機能に加えて、排気ガス中に含まれる還元されないNOxを吸蔵することができる。リーン空燃比で燃焼された排気ガス中には還元剤となるHC,COがほとんど含まれないためNOxは還元されにくく、この還元されないNOxがNOx吸蔵還元触媒１に一時的に吸蔵される。
【００３４】
NOx吸蔵還元触媒１に吸蔵されたNOxは、リッチ空燃比（あるいは理論空燃比近傍）で燃焼されたときの排気ガス中のHC,COによって還元されて浄化される（このときHC,COは同時に酸化されて浄化される）。このために、NOx吸蔵還元触媒１にある程度NOxが吸蔵されたと判断されたときは、リッチ空燃比で短時間エンジンを運転して吸蔵されたNOxを還元させる、いわゆるリッチスパイク運転を行う。
【００３５】
NOx吸蔵還元触媒１に吸蔵されているNOxの推定吸蔵量は、ECU１８内のRAM内におけるカウンタ値をカウントアップ又はカウントダウンすることによって、演算・記憶される。このNOx吸蔵量は、エンジンの運転が停止されるときには、バックアップRAM内に記憶され、必要時に取り出される。
【００３６】
エンジンがリーン空燃比で運転されればNOxカウンタ値はカウントアップされ、NOxカウンタ値が許容基準値となったところでリッチスパイクが行われる。なお、本実施形態においては、この許容基準値は固定値とされている。また、リッチスパイク運転に関わらず、エンジンがリッチ空燃比又は理論空燃比で運転されれば（例えば、加速時など）、NOx吸蔵還元触媒１に吸蔵されたNOxは浄化されるので、この場合は、NOxカウンタ値はカウントダウンされる。
【００３７】
NOx吸蔵還元触媒１に吸蔵されるNOx量の推定について、図２に示すフローチャートに基づいて説明する。図２に示されるフローチャートは、このNOxカウンタをカウントアップする際のフローチャートである。このフローチャートは、エンジンの運転中、一定時間毎（例えば、数ミリ秒毎）に繰り返し行われている。
【００３８】
まず、エンジンがリーン空燃比で運転されているか否かを判定する（ステップ１００）。リーン空燃比で運転されているか否かは、酸素センサ４の出力などから判断しても良いし、圧力センサ８によって検出された吸気管負圧から算出される吸入空気量やECU１８によって算出されるインジェクタ１０からの燃料噴射量などから判断しても良い。リーン空燃比による運転でない場合、即ち、ステップ１００が否定された場合は、排出ガス中のNOxがNOx吸蔵還元触媒１に吸蔵されないので、このルーチンを終了する。
【００３９】
エンジンがリーン空燃比で運転されている、即ち、ステップ１００が肯定された場合は、NOx吸蔵還元触媒１にNOxが吸蔵されるので、そのNOx量を推定すべく、まずエンジン回転数と燃料噴射量がECU１８内に読み込まれる（ステップ１０１）。エンジン回転数は、クランクポジションセンサ１７によって検出される。また、燃料噴射量はインジェクタ１０に対して噴射指令を出すべくECU１８によって算出されるので、この算出値から得られる。
【００４０】
読み込んだエンジン回転数と燃料噴射量とに基づいて、上述したNOxカウンタ用の基本推定吸蔵量をマップから求める（ステップ１０２）。排出されるNOx量は、エンジン回転数が高くなるほど増加し、燃料噴射量が多くなるほど増加する傾向があるので、まず、エンジン回転数と燃料噴射量とから基本推定吸蔵量を決定する。ステップ１０２で使用するマップを図３に示す。燃料噴射量（ここではマップ横軸）とエンジン回転数（ここではNE1〜NE3の各折れ線）とが決まれば、基本推定吸蔵量（ここではマップ縦軸）が決定される。回転数、燃料噴射量の他に吸入空気量、吸気管圧力、点火時期、排気温度、触媒温度を考慮して基本推定吸蔵量を算出又は補正しても良い。次に、このステップ１０２において得られた基本推定吸蔵量を大気圧に応じて補正すべく、大気圧センサ１９によって大気圧を検出し、ECU１８内に読み込む（ステップ１０３）。
【００４１】
次いで、読み込んだ大気圧に基づいて、上述した基本推定吸蔵量を補正するための補正係数をマップから求める（ステップ１０４）。ここで使用するマップを図４に示す。大気圧（ここではマップ横軸）が決まれば、補正係数（ここではマップ縦軸）が決定される。本実施形態においては、さらに、エンジン負荷（ここではKL1〜KL3の各折れ線）もパラメータとしている。エンジン負荷は、基本燃料噴射量や、圧力センサ８によって検出される吸気管負圧などから判断すれば良い。
【００４２】
ステップ１０２によって得られた基本推定吸蔵量にステップ１０４で得られた補正係数を掛けて補正後のカウンタ値を算出し、NOxカウンタを更新する（ステップ１０５）。なお、本実施形態においては、補正係数を基本推定吸蔵量に対して掛け合わせる値として得たが、加減算する値として得ても良い。次いで、新たに得られたNOxカウンタ値が許容基準値（本実施形態においては固定値）よりも大きいか否かを判定する（ステップ１０６）。
【００４３】
ステップ１０６において、新たに得られたNOxカウンタ値が許容基準値以下である場合は、まだNOx吸蔵還元触媒１にNOxを吸蔵する余裕が残っているとして、このルーチンを終了する。一方、新たに得られたNOxカウンタ値が許容基準値よりも大きい場合は、リッチスパイクを実施し（ステップ１０７）、NOx吸蔵還元触媒１に吸蔵されたNOxを浄化する。リッチスパイクが行われたときは、NOxカウンタがリセットされる（あるいは、リッチスパイクの経過と共にNOxカウンタが減じられる）。
【００４４】
なお、本実施形態においては、予め許容基準値が決定されており、この許容基準値は、NOx吸蔵還元触媒１のNOx吸蔵限界量の半分程度に設定されている。運転状況によってはNOxカウンタ値が許容基準値よりも大きくなってもリッチスパイクを行えない場合や、NOx吸蔵還元触媒毎の個体差による吸蔵限界量のバラツキ・経時変化を考慮して、許容基準値を吸蔵限界量の半分程度としている。
【００４５】
また、リッチスパイクを行う際には、大気圧に応じて、リッチスパイク条件を種々変更している。ここでは、リッチスパイク時の空燃比とリッチスパイクを行う時間又は単位時間あたりのリッチスパイクの実行回数（リッチスパイク周期）を制御している。このように、リッチスパイクの条件を変更することによって、より効率的に排気ガス中のNOxを浄化させることができる。
【００４６】
次に、本発明の内燃機関の排気浄化装置の第二実施形態について説明する。
【００４７】
本実施形態の排気浄化装置の構成は、上述した第一実施形態の図１に示されるものと同一であるため、その説明を省略する。本実施形態においては、上述した第一実施形態の排気浄化装置とは、許容基準値を可変制御する点のみが異なる。
【００４８】
以下、NOx吸蔵還元触媒１に吸蔵されるNOx量の推定について、図５に示すフローチャートに基づいて説明する。
【００４９】
ステップ２００〜２０４までは、上述した第一実施形態におけるステップ１００〜１０４と同一であるので、その説明を省略する。
【００５０】
ステップ２０４に続いて、ステップ２０３で読み込んだ大気圧に基づいて、許容基準値をマップから求める（ステップ２０５）。ここで使用するマップを図６に示す。大気圧（ここではマップ横軸）が決まれば、許容基準値（ここではマップ縦軸）が決定される。大気圧によってはNOxの吸蔵量が多くなるので、リッチスパイクが頻繁に行われるようになる場合がある。リッチスパイク時には、エンジンの出力トルク変動などに起因するショックが僅かではあるが発生する。許容基準値を大きめにすれば、リッチスパイクを頻繁に行わなくて済み、ショックの発生を抑止することができる。例えば、通常は許容基準値をNOx吸蔵還元触媒１の吸蔵限界値の半分程度としておき、大気圧の状況によってリッチスパイクが頻繁となるようであれば、許容基準値をNOx吸蔵還元触媒１の吸蔵限界値の七割程度にまで大きくするようなことができる。
【００５１】
ステップ２０６は、第一実施形態におけるステップ１０５と同一である。ステップ２０６に次いで、新たに得られたNOxカウンタ値がステップ２０５で算出された許容基準値よりも大きいか否かを判定する（ステップ２０７）。ステップ２０７において、新たに得られたNOxカウンタ値が許容基準値以下である場合は、まだNOx吸蔵還元触媒１にNOxを吸蔵する余裕が残っているとして、このルーチンを終了する。一方、新たに得られたNOxカウンタ値が許容基準値よりも大きい場合は、リッチスパイクを実施し（ステップ２０８）、NOx吸蔵還元触媒１に吸蔵されたNOxを浄化する。リッチスパイクが行われたときは、NOxカウンタがリセットされる。
【００５２】
また、第一実施形態と同様に、リッチスパイクを行う際には、大気圧に応じて、リッチスパイク条件を種々変更している。ここでは、リッチスパイク時の空燃比とリッチスパイクを行う時間又はリッチスパイクの実行回数を制御している。ここではさらに、リッチスパイクの実行条件として、リッチスパイクの実行要否の判定基準となる許容基準値も可変性御している。このように、リッチスパイクの条件を変更することによって、より効率的に排気ガス中のNOxを浄化させることができる。
【００５３】
次に、本発明の内燃機関の排気浄化装置の第三実施形態について説明する。
【００５４】
本実施形態の排気浄化装置の構成は、上述した第一実施形態の図１に示されるものと同一であるため、その説明を省略する。本実施形態においては、上述した第一実施形態の排気浄化装置とは、補正係数の算出の仕方が異なる。本実施形態においては、大気圧のみならず、EGR機構によって還流された排気ガスの還流量によっても基本推定吸蔵量を補正する。
【００５５】
まず、EGR機構について簡単に説明する。
【００５６】
EGR機構は、主として、排気ガスを吸気系に再度還流させることによって燃焼温度を下げ、生成されるNOx量を低減させることを目的としている。本実施形態においては、排気ガスを還流させるために、吸気通路５に発生する負圧、即ち、吸気管負圧を利用している。EGR通路６を電子制御により開閉されるEGR弁７を用いて開通又は遮断させており、EGR弁７を開くと、吸気管負圧によって排気通路２内の排気ガスが吸気通路５側に還流される。このように、EGR通路６を設けて排気ガスを還流させる方式を、外部EGR方式という。
【００５７】
一方、吸排気バルブ１２，１３の開閉タイミングを制御することによって、排気ガスをシリンダ９内又は吸気通路５側に還流させる内部EGR方式もある。この方式は、燃焼後に排気バルブ１３を開いて排気する際に一時的に吸気バルブ１２も開き、排気ガスを吸気管負圧によってシリンダ９内や吸気通路５側に還流させる方式である。吸排気バルブ１２，１３の開閉タイミングは、可変バルブタイミング機構１５によって制御される。このように、外部EGR方式及び内部EGR方式では、共に吸気管負圧を利用して排気ガスを還流させている。
【００５８】
排気ガスの還流量が変われば、その分新たに吸入される空気量も変わるし、燃焼温度も変わるため、排出されるNOx量、即ち、NOx吸蔵還元触媒１に吸蔵されるNOx量も変化する。また、EGR機構は吸気管負圧を利用するが、この吸気管負圧が大気圧の影響を受けるので、大気圧が変わると、EGR機構による排気ガスの還流量が変わる。
【００５９】
例えば、高地走行の場合などのように大気圧が低くなると、還流される排気ガス量は減少する。この結果、EGR機構を採用している場合、高地走行時には排出されるNOx量（即ち、NOx吸蔵還元触媒１に吸蔵されるNOx量）は増加する。このような場合を考慮して、本実施形態においては、大気圧に加えてEGR機構による排気ガスの還流量によっても、基本推定吸蔵量を補正する。
【００６０】
以下、NOx吸蔵還元触媒１に吸蔵されるNOx量の推定について、図７に示すフローチャートに基づいて説明する。
【００６１】
ステップ３００〜３０３までは、上述した第一実施形態におけるステップ１００〜１０３と同一であるので、その説明を省略する。
【００６２】
ステップ３０３に続いて、排気ガスの還流量を算出する（ステップ３０４）。排気ガスの還流量は、圧力センサ８によって検出された吸気管負圧とEGR弁７の開度及び開放時間から算出しても良いし、外部EGRに関してであれば、EGR通路６上に流量計を設置し、この出力から算出しても良い。内部EGRに関してであれば、圧力センサ８によって検出された吸気管負圧と吸排気バルブ１２，１３の開放オーバーラップ時間から算出しても良い。
【００６３】
ステップ３０３で読み込んだ大気圧とステップ３０４で算出した排気ガスの還流量とに基づいて、補正係数を算出する（ステップ３０５）。このとき、大気圧と還流量とから一つの補正係数が算出されても良いし、大気圧から一つの補正係数が算出されると共に還流量からもう一つの補正係数が算出されても良い。
【００６４】
次いで、算出された補正係数を用いて、ステップ３０２で算出した基本推定吸蔵量を補正してNOxカウンタを更新する（ステップ３０６）。ステップ３０７及び３０８に関しては、上述した第一実施形態におけるステップ１０６及び１０７と同一であるため、説明を省略する。なお、本実施形態においては、許容基準値を固定としたが、上述した第二実施形態のように大気圧に応じて（あるいは大気圧と排気ガスの還流量とに応じて）許容基準値を可変制御しても良い。
【００６５】
このように、EGR機構を併用し、大気圧のみならず排気ガスの還流量によってもNOx吸蔵量を補正するようにすれば、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたNOx量をより高精度に推定することができ、排気ガス中のNOx吸蔵還元触媒を確実に浄化させることができる。
【００６６】
本発明の内燃機関の排気浄化装置は、上述した実施形態のものに限定されない。例えば、上述した実施形態においては、検出された大気圧に応じてNOx吸蔵量を補正したが、NOx量を推定することなく、単純に大気圧の大きさに応じてリッチスパイク実行条件を変更するような内燃機関の排気浄化装置であっても良い。例えば、リッチスパイク運転を行う周期を予め実験によって求めてこの実行周期に基づいてリッチスパイク運転を行うようにした排気浄化触媒において、検出された大気圧に応じてこの実行周期を補正するような場合である。このように、吸蔵されているNOx量を推定しなくても、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されているNOxを精度良く還元浄化させて、エミッションの悪化を抑制することができる。なお、上述した実行周期に代えて、リーン運転中に「機関負荷」、「吸入空気量」、「燃料噴射量」が低い状態が継続した時間を用いても良い。
【００６７】
また、上述した実施形態においては、EGR機構を併用した例を説明したが、請求項１〜５に記載の発明は、EGR機構を有しないエンジンに対しても適用可能である。また、上述した実施形態においては、NOx吸蔵還元触媒１に吸蔵されるNOx量の基本推定吸蔵量をエンジン回転数と燃料噴射量とから推定したが、他の検出量から推定しても良い。たとえば、圧力センサ８によって検出される吸気管負圧を推定に用いても良い。
【００６８】
【発明の効果】
本発明の内燃機関の排気浄化装置は、NOx量推定手段によって推定したNOx吸蔵量を、大気圧検出手段によって検出された大気圧に応じて、NOx量補正手段を用いて補正するため、正確に推定されたNOx吸蔵量に基づいて、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されているNOx吸蔵還元触媒を精度良く還元浄化させてエミッションの悪化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 エンジン及び本発明の内燃機関の排気浄化装置の第一実施形態の構成を示す断面図である。
【図２】 本発明の内燃機関の排気浄化装置の第一実施形態におけるNOx吸蔵量検出ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】 燃料噴射量、エンジン回転数及びNOx基本推定吸蔵量の関係を示したマップ概略図である。
【図４】 大気圧、エンジン負荷及びNOx推定吸蔵量の補正係数の関係を示したマップ概略図である。
【図５】 本発明の内燃機関の排気浄化装置の第二実施形態における吸蔵NOx量検出ルーチンを示すフローチャートである。
【図６】 大気圧及びNOx推定吸蔵量の許容基準値の関係を示したマップ概略図である。
【図７】 本発明の内燃機関の排気浄化装置の第三実施形態における吸蔵NOx量検出ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…NOx吸蔵還元触媒、６…EGR通路（排気ガス還流手段）、７…EGR弁（排気ガス還流手段）、１８…ECU（NOx量推定手段、リッチスパイク実行手段、NOx量補正手段、実行条件変更手段）、１９…大気圧センサ（大気圧検出手段）。
Claims (6)
- 内燃機関の排気通路に配置され、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気に含まれる窒素酸化物NOxを吸蔵し、流入する排気の空燃比が理論空燃比又はリッチのときに、吸蔵したNOxを還元浄化するNOx吸蔵還元触媒を有する排気浄化装置において、
前記内燃機関の運転状態から、前記NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたNOx量を推定するNOx量推定手段と、
大気圧を検出する大気圧検出手段と、
前記大気圧検出手段によって検出された大気圧に基づいて、前記NOx量推定手段によって推定されるNOx量を補正するNOx量補正手段と、
前記 NOx 量推定手段によって推定された後に前記 NOx 量補正手段によって補正された NOx 量が許容基準値を超えたときに内燃機関の空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比に切り替えてリッチスパイクを行うリッチスパイク実行手段と、
前記大気圧検出手段により検出された大気圧に応じて前記リッチスパイクの実行条件を変更する実行条件変更手段とを備えていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 内燃機関の排気通路に配置され、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気に含まれる窒素酸化物NOxを吸蔵し、流入する排気の空燃比が理論空燃比又はリッチのときに、吸蔵したNOxを還元浄化するNOx吸蔵還元触媒を有する排気浄化装置において、
大気圧を検出する大気圧検出手段と、
機関の運転状態に応じて定められたリッチスパイク実行条件に従って内燃機関の空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比に切り替えてリッチスパイクを行うリッチスパイク実行手段と、
前記大気圧検出手段により検出された大気圧に応じて前記リッチスパイクの実行条件を変更する実行条件変更手段とを備えていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 前記実行条件変更手段が、前記許容基準値を可変制御する、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記実行条件変更手段が、前記リッチスパイクを行う時間を可変制御する、請求項１〜３の何れか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記実行条件変更手段が、前記リッチスパイク時の空燃比を制御する、請求項１〜４の何れか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 排気ガスを前記内燃機関の吸気系に還流させる排気ガス還流手段をさらに備えており、
前記NOx量補正手段が、前記大気圧検出手段によって検出された大気圧と前記排気ガス還流手段によって還流された排気ガスの還流量とに基づいて、前記NOx量推定手段によって推定されるNOx量を補正する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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