JP3838139B2 - 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、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車等に搭載される内燃機関、特に酸素過剰状態の混合気（所謂、リーン空燃比の混合気）を燃焼可能とするディーゼル機関やリーンバーン・ガソリン機関では、該内燃機関の排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯx）を浄化する技術が望まれている。
【０００３】
このような要求に対し、内燃機関の排気系にＮＯx吸蔵剤を配置する技術が提案されている。このＮＯx吸蔵剤の一つとして、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中の窒素酸化物（ＮＯx）を吸蔵（吸収、吸着）し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していた窒素酸化物（ＮＯx）を窒素（Ｎ2）に還元する吸蔵還元型ＮＯx触媒が知られている。
【０００４】
吸蔵還元型ＮＯx触媒が内燃機関の排気系に配置されると、内燃機関が希薄燃焼運転されて排気の空燃比が高くなるときは排気中の窒素酸化物（ＮＯx）が吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵され、吸蔵還元型ＮＯx触媒に流入する排気の空燃比が低くなったときは吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されていた窒素酸化物（ＮＯx）が窒素（Ｎ2）に還元される。
【０００５】
ところで、吸蔵還元型ＮＯx触媒には燃料に含まれる硫黄分が燃焼して生成される硫黄酸化物（ＳＯx）もＮＯxと同じメカニズムで吸蔵される。このように吸蔵されたＳＯxはＮＯxよりも放出されにくく、ＮＯx触媒内に蓄積される。これをＳＯx被毒といい、ＮＯx浄化率が低下するため、適宜の時期にＳＯx被毒から回復させる被毒回復処理を施す必要がある。この被毒回復処理は、ＮＯx触媒を高温（例えば６００乃至６５０℃程度）にしつつ酸素濃度を低下させた排気をＮＯx触媒に流通させて行われている。
【０００６】
ところで、適切な時期にＳＯx被毒回復処理を施すことができないと、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵能力を低下させエミッションが悪化する虞がある。従って、ＳＯx被毒回復処理を施す時期を適切に設定することが重要となる。
【０００７】
このＳＯx被毒回復処理を施す時期を判定する技術が知られている。例えば、特開２０００−５１６６２号公報記載の発明では、空燃比、燃料中の硫黄成分含有量、触媒温度の少なくとも一つに応じてＳＯxがＮＯx触媒に吸蔵される度合いを算出し、この値及び燃料噴射量に基づいてＳＯx吸蔵量を算出することができる。このようにして求めたＳＯx吸蔵量に基づいてＳＯx被毒回復制御を行うことが可能である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記公報に記載された発明では、予め求められた燃料中の硫黄成分含有量を用いてＳＯxの吸蔵度合いを算出するため、燃料が変わり該燃料中の硫黄成分含有量が変動すると精度の良い判定が困難となる。
【０００９】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気浄化装置において、ＳＯx被毒回復時期を判定する技術を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために本発明の内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を採用した。即ち、
排気の空燃比がリーンのときにＮＯxを吸蔵し、還元剤の存在下で吸蔵していたＮＯxを還元するＮＯx触媒と、
前記ＮＯx触媒へ還元剤を供給してＮＯxを還元させるＮＯx還元手段と、
前記ＮＯx触媒にＮＯxが吸蔵されているか否かを判定するＮＯx吸蔵判定手段と、
前記ＮＯx触媒にＳＯx被毒が発生しているか否かを判定するＳＯx被毒判定手段と、
前記ＮＯx触媒から流出する排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、
前記ＳＯx被毒判定手段によりＳＯx被毒が発生していないと判定された場合であって前記ＮＯx還元手段が前記ＮＯx触媒へ還元剤を供給したときの前記酸素濃度検出手段により検出される排気中の酸素濃度を記憶する酸素濃度記憶手段と、
前記ＮＯx還元手段により前記ＮＯx触媒へ還元剤が供給されているときであって前記ＮＯx吸蔵判定手段によりＮＯxが吸蔵されていないと判定された場合に前記酸素濃度検出手段により検出される酸素濃度と前記酸素濃度記憶手段により記憶されている酸素濃度とを比較してＮＯx触媒のＳＯx被毒量を推定するＳＯx被毒量推定手段と、
を具備することを特徴とする。
【００１１】
本発明の最大の特徴は、内燃機関の排気浄化装置において、還元剤供給時にＮＯx触媒から流出する排気中の酸素濃度とＳＯx被毒量との間に相関があることから、ＳＯx被毒が発生していないときの還元剤供給時の酸素濃度と、現在の還元剤供給時の酸素濃度と、に基づいてＳＯx被毒量を推定することにある。
【００１２】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、ＮＯx触媒に排気中のＳＯxが吸蔵されてＳＯx被毒が発生する。ここで、ＮＯx触媒のＳＯx被毒量が多くなるほど、吸蔵されたＮＯxを還元するための還元剤供給時にＮＯx触媒から流出する排気中の酸素濃度は高くなる。排気中の酸素濃度を用いてＳＯx被毒量を推定するために、酸素濃度記憶手段は、ＳＯx被毒が発生していないときの還元剤供給時にＮＯx触媒から流出する排気中の酸素濃度を記憶する。そして、ＳＯx被毒量推定手段は、ＮＯxを全て還元した後の還元剤供給時にＮＯx触媒から流出する排気の酸素濃度を検出しつつ、この検出値を酸素濃度記憶手段に記憶されている酸素濃度と比較して、どれだけ酸素濃度が高くなっているかによりＮＯx触媒のＳＯx被毒量を推定することができる。ここで、ＮＯxを全て還元した後の酸素濃度を検出しているのは、ＮＯx触媒にＮＯxが吸蔵されているときよりも、ＮＯx触媒に吸蔵されたＮＯxを全て還元した後のほうが還元剤供給時のＮＯx触媒から流出する排気中の酸素濃度が低くなるためである。
【００１３】
本発明においては、前記ＮＯx触媒へ還元剤を供給しＳＯx被毒を回復させるＳＯx被毒回復手段を更に備え、前記ＳＯx被毒判定手段は、前記ＳＯx被毒回復手段がＳＯx被毒を回復させた直後において前記ＮＯx触媒にＳＯx被毒が発生していないと判定することができる。
【００１４】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、ＳＯx被毒回復手段は、例えば、ＮＯx触媒を昇温しつつ排気中の酸素濃度を低下させてＳＯx被毒の回復を行う。ＳＯx被毒の回復直後では、ＳＯx被毒はほとんど回復されているので、ＳＯx被毒判定手段は、このときにＳＯx被毒が発生していないと判定することが可能となる。
【００１５】
本発明においては、前記ＳＯx被毒判定手段は、前記ＮＯx触媒が新品状態のときに、前記ＮＯx触媒にＳＯx被毒が発生していないと判定することができる。
【００１６】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、ＮＯx触媒が新品状態のときにはＳＯx被毒は発生していない。従って、ＳＯx被毒判定手段は、このときにＳＯx被毒が発生していないと判定することが可能となる。
【００１７】
本発明においては、前記ＳＯx被毒回復手段によりＳＯx被毒が回復された直後で且つ前記ＮＯx還元手段により前記ＮＯx触媒へ還元剤が供給されているときであって、前記ＮＯx吸蔵判定手段によりＮＯxが吸蔵されていないと判定された場合に前記酸素濃度検出手段により検出される酸素濃度と前記酸素濃度記憶手段により記憶されている酸素濃度とを比較した値に平均化処理を行い、該平均化処理を行った値が所定値以上の場合に前記ＮＯx触媒が劣化していると判定することができる。
【００１８】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、ＮＯx触媒の熱劣化や回復できないＳＯx被毒等により、ＮＯx吸蔵能力が低下する。これに伴い、ＳＯx被毒回復手段によりＳＯx被毒の回復が行われた直後であっても、前記酸素濃度検出手段により検出される酸素濃度と前記酸素濃度記憶手段により記憶されている酸素濃度とはその偏差が大きくなっていく。従って、ＳＯx被毒回復直後であっても、前記酸素濃度検出手段により検出される酸素濃度と、前記酸素濃度記憶手段により記憶されている酸素濃度と、を比較した値が所定値以上の場合にはＮＯx触媒に劣化が発生していると判定することが可能となる。また、ＳＯx被毒回復手段によりＳＯx被毒の回復が行われた直後に前記酸素濃度検出手段により検出される酸素濃度と、前記酸素濃度記憶手段により記憶されている酸素濃度と、を比較した値に平均化処理を行うことにより、酸素濃度検出手段による検出値の変動分を除去することができ、精度の良い判定が可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。ここでは、本発明に係る内燃機関を車両駆動用のディーゼル機関に適用した場合を例に挙げて説明する。
【００２０】
図１は、本実施の形態に係るエンジンとその吸排気系の概略構成を示す図である。
【００２１】
図１に示すエンジン１は、４つの気筒を有する水冷式の４サイクル・ディーゼル機関である。
【００２２】
エンジン１には、吸気管２が接続されており、該吸気管２の途中には、該吸気管２内を流通する吸気の質量に対応した電気信号を出力するエアフローメータ３が取り付けられている。
【００２３】
一方、エンジン１には、排気管４が接続され、該排気管４は、下流にてマフラー（図示省略）に接続されている。
【００２４】
前記排気管４の途中には、吸蔵還元型ＮＯx触媒を担持したパティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタという。）２０が設けられている。フィルタ５より上流の排気管４には、該排気管４内を流通する排気の温度に対応した電気信号を出力する排気温度センサ６が取り付けられている。また、フィルタ５より下流の排気管４には、該排気管４内を流通する排気の空燃比（酸素濃度）に対応した電気信号を出力する空燃比センサ７が取り付けられている。
【００２５】
尚、本実施の形態では、フィルタ５より上流の排気管４を流通する排気中に還元剤たる燃料（軽油）を添加する還元剤供給機構を備え、この還元剤供給機構から排気中へ燃料を添加することにより、フィルタ５に流入する排気の酸素濃度を低下させるとともに還元剤の濃度を高めるようにした。
【００２６】
還元剤供給機構は、図１に示されるように、その噴孔が排気管４内に臨むように取り付けられ、ＥＣＵ１１からの信号により開弁して燃料を噴射する還元剤噴射弁８と、燃料を吐出する燃料ポンプ９と、燃料ポンプ９から吐出された燃料を前記還元剤噴射弁８へ導く還元剤供給路１０と、を備えて構成されている。
【００２７】
このような還元剤供給機構では、燃料ポンプ９から吐出された高圧の燃料が還元剤供給路１０を介して還元剤噴射弁８へ供給される。そして、ＥＣＵ１１からの信号により該還元剤噴射弁８が開弁して排気管４内へ還元剤としての燃料が噴射される。還元剤噴射弁８から排気管４内へ噴射された還元剤は、排気管４の上流から流れてきた排気の酸素濃度を低下させる。その後、ＥＣＵ１１からの信号により還元剤噴射弁８が閉弁し、排気管４内への還元剤の添加が停止される。
【００２８】
このようにして、フィルタ５に還元剤が供給された結果、フィルタ５に流入する排気は、比較的に短い周期で酸素濃度が変化することになる。そして、フィルタ５に流入した酸素濃度の低い排気は、フィルタ５に担持された吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されていた窒素酸化物（ＮＯx）を窒素（Ｎ2）に還元する。
【００２９】
以上述べたように構成されたエンジン１には、該エンジン１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）１１が併設されている。このＥＣＵ１１は、エンジン１の運転条件や運転者の要求に応じてエンジン１の運転状態を制御するユニットである。
【００３０】
ＥＣＵ１１には、各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号がＥＣＵ１１に入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ１１には、還元剤噴射弁８等が電気配線を介して接続され、制御することが可能になっている。また、前記ＥＣＵ１１は、各種アプリケーションプログラム及び各種制御マップを記憶し各種制御を行う。
【００３１】
例えば、ＮＯx浄化制御では、ＥＣＵ１１は、フィルタ５に流入する排気中の酸素濃度を比較的に短い周期でスパイク的に低くする、燃料添加制御（所謂リッチスパイク制御）を実行する。
【００３２】
燃料添加制御では、ＥＣＵ１１は、所定の周期毎に燃料添加制御実行条件が成立しているか否かを判別する。この燃料添加制御実行条件としては、例えば、フィルタ５に担持された吸蔵還元型ＮＯx触媒が活性状態にある、排気温度センサ６の出力信号値（排気温度）が所定の上限値以下である、後述するＳＯx被毒回復制御が実行されていない、等の条件を例示することができる。
【００３３】
上記したような燃料添加制御実行条件が成立していると判定された場合は、ＥＣＵ１１は、還元剤噴射弁８からスパイク的に還元剤たる燃料を噴射させるべく当該還元剤噴射弁８を制御することにより、フィルタ５に流入する排気の空燃比を一時的に所定の目標リッチ空燃比とする。
【００３４】
具体的には、ＥＣＵ１１は、記憶されている機関回転数、機関負荷（アクセル開度）、エアフローメータ３の出力信号値（吸入空気量）、空燃比センサ７の出力信号、燃料噴射量等を読み出す。
【００３５】
ＥＣＵ１１は、前記した機関回転数と機関負荷と吸入空気量と燃料噴射量とをパラメータとして還元剤添加量制御マップへアクセスし、排気の空燃比を予め設定された目標空燃比とする上で必要となる還元剤の添加量（目標添加量）を算出する。
【００３６】
続いて、ＥＣＵ１１は、前記目標添加量をパラメータとして還元剤噴射弁制御マップへアクセスし、還元剤噴射弁８から目標添加量の還元剤を噴射させる上で必要となる還元剤噴射弁８の開弁時間（目標開弁時間）を算出する。
【００３７】
還元剤噴射弁８の目標開弁時間が算出されると、ＥＣＵ１１は、還元剤噴射弁８を開弁させる。
【００３８】
ＥＣＵ１１は、還元剤噴射弁８を開弁させた時点から前記目標開弁時間が経過すると、還元剤噴射弁８を閉弁させる。
【００３９】
このように還元剤噴射弁８が目標開弁時間だけ開弁されると、目標添加量の燃料が還元剤噴射弁８から排気管４内へ噴射されることになる。そして、還元剤噴射弁８から噴射された還元剤は、排気管４の上流から流れてきた排気と混ざり合って目標空燃比の混合気を形成してフィルタ５に流入する。
【００４０】
この結果、フィルタ５に流入する排気の空燃比は、比較的に短い周期で酸素濃度が変化することになり、以て、フィルタ５に担持された吸蔵還元型ＮＯx触媒が窒素酸化物（ＮＯx）の吸蔵と還元とを交互に短周期的に繰り返すことになる。
【００４１】
このように、フィルタ５に流入する排気の空燃比をスパイク的に目標リッチ空燃比とし、吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵された窒素酸化物（ＮＯx）を還元することが可能となる。
【００４２】
次に、被毒回復制御では、ＥＣＵ１１は、フィルタ５に担持された吸蔵還元型ＮＯx触媒の酸化物による被毒を回復すべくＳＯx被毒回復処理を行うことになる。
【００４３】
ここで、エンジン１の燃料には硫黄（Ｓ）が含まれている場合があり、そのような燃料がエンジン１で燃焼されると、二酸化硫黄（ＳＯ2）や三酸化硫黄（ＳＯ3）などの硫黄酸化物（ＳＯx）が生成される。
【００４４】
硫黄酸化物（ＳＯx）は、排気とともにフィルタ５に流入し、窒素酸化物（ＮＯx）と同様のメカニズムによって吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵される。
【００４５】
具体的には、フィルタ５に流入する排気の酸素濃度が高いときには、流入排気ガス中の二酸化硫黄（ＳＯ2）や三酸化硫黄（ＳＯ3）等の硫黄酸化物（ＳＯx）が白金（Ｐｔ）の表面上で酸化され、硫酸イオン（ＳＯ4 2-）の形でフィルタ５に吸蔵される。更に、フィルタ５に吸蔵された硫酸イオン（ＳＯ4 2-）は、酸化バリウム（ＢａＯ）と結合して硫酸塩（ＢａＳＯ4）を形成する。
【００４６】
ところで、硫酸塩（ＢａＳＯ4）は、硝酸バリウム（Ｂａ（ＮＯ3）2）に比して安定していて分解し難く、フィルタ５に流入する排気の酸素濃度が低くなっても分解されずにフィルタ５内に残留してしまう。
【００４７】
フィルタ５における硫酸塩（ＢａＳＯ4）の量が増加すると、それに応じて窒素酸化物（ＮＯx）の吸蔵に関与することができる酸化バリウム（ＢａＯ）の量が減少するため、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵能力が低下する、所謂ＳＯx被毒が発生する。
【００４８】
フィルタ５のＳＯx被毒を回復する方法としては、フィルタ５の雰囲気温度をおよそ６００乃至６５０℃の高温域まで昇温させるとともに、フィルタ５に流入する排気の酸素濃度を低くすることにより、フィルタ５に吸蔵されている硫酸バリウム（ＢａＳＯ4）をＳＯ3 -やＳＯ4 -に熱分解し、次いでＳＯ3 -やＳＯ4 -を排気中の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）と反応させて気体状のＳＯ2 -に還元する方法を例示することができる。
【００４９】
そこで、本実施の形態に係るＳＯx被毒回復処理では、ＥＣＵ１１は、先ずフィルタ５の床温を高める触媒昇温制御を実行した上で、フィルタ５に流入する排気の酸素濃度を低くするようにした。
【００５０】
触媒昇温制御では、ＥＣＵ１１は、例えば、各気筒の膨張行程時に燃料噴射弁（図示省略）から副次的に燃料を噴射させるとともに還元剤噴射弁８から排気中へ燃料を添加させることにより、それらの未燃燃料成分をフィルタ５において酸化させ、酸化の際に発生する熱によってフィルタ５の床温を高めるようにしてもよい。
【００５１】
上記したような触媒昇温処理によりフィルタ５の床温が６００℃乃至６５０℃程度の高温域まで上昇すると、ＥＣＵ１１は、フィルタ５に流入する排気の酸素濃度を低下させるべく還元剤噴射弁８から燃料を噴射させる。
【００５２】
このように被毒回復処理が実行されると、フィルタ５の床温が高い状況下で、フィルタ５に流入する排気の酸素濃度が低くなるため、フィルタ５に吸蔵されている硫酸バリウム（ＢａＳＯ4）がＳＯ3 -やＳＯ4 -に熱分解され、それらＳＯ3 -やＳＯ4 -が排気中の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）と反応して還元され、以てフィルタ５のＳＯx被毒が回復されることになる。
【００５３】
ところで、前記したように吸蔵還元型ＮＯx触媒にＳＯxが所定量以上吸蔵されるとＮＯx吸蔵能力が低下して、エミッション悪化を誘引する。また、ＳＯx被毒量が少量にもかかわらずＳＯx被毒回復処理を頻繁に行うと、吸蔵還元型ＮＯx触媒の昇温に燃料を要することから燃費の悪化を誘引する。従って、ＳＯx回復処理の実行時期を適切に設定することが重要となる。
【００５４】
ここで、従来の内燃機関の排気浄化装置では、空燃比、触媒温度、燃料性状からＳＯxの被毒度合いを求め、ＳＯxの被毒量をＳＯxの被毒度合い及び燃料噴射量に基づいて推定していた。しかし、燃料中に含有される硫黄成分の量は燃料によって異なるため、硫黄成分量が異なる燃料が使用されると正確なＳＯx被毒量を推定することは困難であった。
【００５５】
そこで、本実施の形態では、ＮＯx還元のための燃料添加時にフィルタ５下流に設けた空燃比センサ７の出力信号に基づいて、実際にどれだけのＳＯxが吸蔵させているのかを精度良く検出する。
【００５６】
図２は、複数回燃料添加を行ったときの空燃比センサ７の出力信号及びＮＯx量の時間推移を指し示すタイムチャート図である。図２中領域Ａは、ＳＯx被毒が発生していないときの各値を示し、一方、図２中領域Ｂは、ＳＯx被毒が発生しているときの各値を示している。ここで、燃料添加が行われていないときの排気の空燃比は、領域Ａ及び領域Ｂで等しい。
【００５７】
図２に示されるように、ＮＯx還元のための燃料添加を行うと、フィルタ５下流の空燃比は低下し、このときの最小空燃比は理論空燃比近傍となる。しかし、吸蔵還元型ＮＯx触媒にＳＯx被毒が発生していると、ＳＯx被毒が発生していないときと比較して最小空燃比はリーン側へずれて大きくなる。このリーン空燃比側にずれる値とＳＯxの被毒量とには相関関係があるため、空燃比がどれだけリーン側へずれたかを検出すれば、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＳＯx被毒量を求めることができる。このときに、触媒新品時やＳＯx被毒を回復させた直後の燃料添加時の空燃比を基準として、どれだけ空燃比がずれているのかによりＳＯx被毒量を求める。
【００５８】
一方、吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されているＮＯx量が多い程、燃料添加時の触媒下流の最小空燃比は大きくなる。そこで、本実施の形態では、判定時の条件を揃えるために、吸蔵されているＮＯxを全て還元した後の燃料添加時に検出される最小空燃比に基づいてＳＯx被毒量の推定を行う。ここで、ＮＯxが全て還元された後であっても、リーン空燃比で運転されていればＮＯxは新たに吸蔵されるため、その後にも燃料添加が行われる。
【００５９】
また、本実施の形態では、燃料添加時の排気の空燃比の変動を除去するために、複数回の燃料添加時に検出されたフィルタ５下流の最小空燃比に平均化処理を加えてＳＯx被毒量を推定し、推定精度を高めている。
【００６０】
次に、ＳＯx被毒量の推定方法のフローについて説明する。
【００６１】
図３は、ＳＯx被毒回復制御実行条件の判定フローを示したフローチャート図である。
【００６２】
ステップＳ１０１では、ＮＯx還元のために燃料添加制御（リッチスパイク制御）が行われる。
【００６３】
ステップＳ１０２では、燃料添加制御により吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されていたＮＯxが全て還元されたか否か判定される。この判定では、予め定められた時間燃料添加が行われた場合にＮＯxの還元が完了したとしても良いし、また、燃料添加時の空燃比センサ７により検出される最小空燃比が略一定の値となった場合にＮＯxの還元が完了したと判定しても良い。
【００６４】
ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場合には、ステップＳ１０３へ進み、一方、否定判定がなされた場合には、ステップＳ１０１へ戻る。
【００６５】
ステップＳ１０３では、前回のＳＯx被毒回復制御完了直後の燃料添加制御時に検出された最小空燃比を読み込む。
【００６６】
ＳＯx被毒回復制御実行時にはＮＯxの放出後にＳＯxが放出されるため、ＳＯx被毒回復制御完了直後には、吸蔵還元型ＮＯx触媒にＮＯx及びＳＯxが吸蔵されていない状態となる。
【００６７】
ここで、ＳＯx被毒回復制御完了直後の燃料添加制御時に空燃比センサ７により検出される最小空燃比はＥＣＵ１１に記憶させておく。
【００６８】
また、フィルタ５の新品時には、ＳＯx被毒回復制御が行われていないため、この場合には、新品時の最小空燃比をＥＣＵ１１に記憶させておき、ステップＳ１０３で読み込むようにする。
【００６９】
ステップＳ１０４では、ステップＳ１０１で行われた燃料の添加によりフィルタ５から流出する排気の最小空燃比が検出される。ＥＣＵ１１は、空燃比センサ７の出力信号から最小空燃比を求めて記憶する。
【００７０】
ステップＳ１０５では、リーンずれ割合を算出する。ここで、リーンずれ割合とは、ステップＳ１０４で検出した最小空燃比をステップＳ１０３で読み込んだ最小空燃比で除した値であり、ＳＯx被毒の発生していないときの最小空燃比から実際の最小空燃比がどれだけの割合でずれているのかを示す値である。
【００７１】
ステップＳ１０６では、吸蔵還元型ＮＯx触媒の温度が所定温度以上であるか否か判定する。吸蔵還元型ＮＯx触媒には浄化能力が高くなる温度領域（以下、活性領域という。）があるため、吸蔵還元型ＮＯx触媒の温度がこの活性領域の範囲外である場合には排気の浄化率が低下してしまう。従って、ＳＯxの吸蔵量が同一であったとしても、吸蔵還元型ＮＯx触媒の温度が活性領域外であると空燃比センサ７の出力信号が変化してしまい、ＳＯx被毒量の判定が困難となってしまう。従って、吸蔵還元型ＮＯx触媒が活性化する温度（例えば、２５０℃）以上である場合に限りＳＯx被毒の判定を行うこととする。吸蔵還元型ＮＯx触媒の温度は、排気温度センサ６の出力信号により求められる。
【００７２】
ステップＳ１０６で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０７へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを終了させる。
【００７３】
ステップＳ１０７では、リーンずれ割合の平均化処理を行う。これは、ステップＳ１０４で検出された最小空燃比は変動することがあり、その変動した値に基づいてＳＯx吸蔵量を求めても正確な値が得られないためである。平均化処理は、例えば、数十乃至数千の重み付けによるなまし処理により行われ、次式により示すことができる。
【００７４】
平均化処理後のリーンずれ割合＝｛（ｎ−１）／ｎ｝・（前回平均化処理後のリーンずれ割合）＋（１／ｎ）・（今回算出したリーンずれ割合）
ここで、ｎは、数十乃至数千の値とする。
【００７５】
ステップＳ１０８では、ステップＳ１０７で平均化されたリーンずれ割合が判定値よりも大きいか否か判定する。判定値は、予め実験等により求まる値である。
【００７６】
ここで、図４は、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＳＯx被毒量とリーンずれ割合との関係を示した図である。例えば、ＳＯxの被毒量が１ｇのとき、即ち、リーンずれ割合が１．１のときにＳＯx被毒回復が必要であり、この値を判定値として用いることができる。
【００７７】
ステップＳ１０８で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０９へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを終了させる。
【００７８】
ステップＳ１０９では、ＳＯx被毒回復制御を行う。このＳＯx被毒回復制御完了後の燃料添加時に検出される最小空燃比が新たにＥＣＵ１１に記憶される。
【００７９】
このようにして、ＳＯx被毒回復を行う時期を判定することが可能となり、ＳＯxの吸蔵過多を抑制し、若しくは、不必要なＳＯx被毒回復による燃費の悪化を抑制することができる。
【００８０】
ここで、従来の内燃機関の排気浄化装置では、燃料消費量等から吸蔵還元型ＮＯx触媒のＳＯx被毒量を推定していた。しかし、燃料中に含有される硫黄成分の量は燃料によって異なるため、燃料が変更されると正確なＳＯx吸蔵量を推定することは困難であった。従って、最適な時期にＳＯx被毒回復が行われず、触媒能力が低下する虞があった。また、被毒回復を実施しても、実際にＳＯx被毒が回復されたか確認することができなかった。
【００８１】
これに対し、ＮＯxセンサをフィルタ５下流に設けてＮＯxの浄化率からＳＯx被毒再生時期を判定することも考えられる。
【００８２】
ここで、図５は、ＳＯx被毒量とＮＯx浄化率との関係を新品及び劣化品の吸蔵還元型ＮＯx触媒について夫々指し示した図である。
【００８３】
例えば、ＳＯx被毒量が１ｇの場合は、新品では９０パーセント以上のＮＯxを浄化することができるが、劣化品では７５パーセント程度しかＮＯxを浄化することができない。このように吸蔵還元型ＮＯx触媒の新品時と劣化時とではＮＯxの浄化率が異なり、劣化の度合いが小さいほどＳＯx被毒量が小さく検出される。従って、劣化の度合いが小さいほどＳＯx被毒回復の間隔が長くなってしまい、ＳＯx被毒量が過多となる虞がある。
【００８４】
また、ＮＯxセンサを設けるとコストアップとなってしまう。
【００８５】
その点、本実施の形態では、ＮＯx還元のための燃料添加時にフィルタ５下流に設けた空燃比センサ７の出力信号に基づいて、実際にどれだけのＳＯxが吸蔵させているのかを精度良く検出することができる。従って、ＳＯx被毒回復実行時期を精度良く求めることができる。
【００８６】
尚、本実施の形態では、ＳＯx被毒回復直後の燃料添加時の空燃比を基準として、ＳＯx被毒量を算出したが、これに代えて、フィルタ５が新品状態のときの燃料添加時の空燃比を基準としてＳＯx被毒量を算出しても良い。
【００８７】
更に、機関回転数及び機関負荷に基づいて基準となる空燃比を算出しても良い。
【００８８】
ここで、図６は、機関回転数、機関負荷及び最小空燃比の関係を示したマップである。このマップは、実験等により求めてＥＣＵ１１に記憶させておく。そして、ＥＣＵ１１は、機関回転数及び機関負荷を検出してこのマップに代入し、基準となる最小空燃比を算出することができる。
【００８９】
この場合、図３中ステップＳ１０３では、ステップＳ１０１で行われた燃料の添加のときにフィルタ５から流出する排気の最小空燃比の予測値が読み込まれる。
【００９０】
また、本実施の形態では、フィルタ５が新品状態のときの燃料添加時の空燃比を基準として、ＳＯx被毒回復処理実行直後の燃料添加時の最小空燃比のリーンずれ割合を求めることにより、吸蔵還元型ＮＯx触媒の劣化を判定することができる。
【００９１】
図７は、車両走行距離とＳＯx被毒回復直後のリーンずれ割合に平均化処理を施した値との関係を指し示した図である。ここで、実線は通常起こり得るリーンずれ割合の増加を示し、一方、破線は、熱劣化等による急激なリーンずれ割合の増加を示している。また、このときのリーンずれ割合とは、燃料添加時に実際に検出した最小空燃比をフィルタ５新品時の燃料添加時の最小空燃比で除した値であり、新品状態の最小空燃比からどれだけ実際の最小空燃比がずれているのかを示す値である。
【００９２】
吸蔵還元型ＮＯx触媒では、ＳＯx被毒回復制御を行っても完全にＳＯx被毒を回復させることは困難で、ある程度の硫黄成分は吸蔵還元型ＮＯx触媒に残留してしまう。また、吸蔵還元型ＮＯx触媒は、高温になると熱劣化を生じることがある。このような状態では、硫黄成分の残留や熱劣化によりＮＯxの吸蔵能力が低下し、大気中へＮＯxを放出させる虞がある。従って、触媒劣化を検出することは重要である。ここで、図７に示されるように、吸蔵還元型ＮＯx触媒が劣化するとＳＯx被毒回復直後であってもリーンずれ割合が大きくなる。従って、ＳＯx被毒回復直後にＮＯx還元のための燃料添加を行った場合に検出されるＳＯx被毒量は、回復困難な触媒劣化として検出することができる。本実施の形態では、ＳＯx被毒回復処理完了直後に燃料添加を行い、このときに検出されるＳＯx被毒量が予め実験等により求めた所定値よりも多い場合に触媒が劣化していると判定する。
【００９３】
更に、本実施の形態では、ＮＯx還元時に検出される空燃比から算出されるＳＯx被毒量と、燃料消費量から推定されるＳＯx被毒量との偏差により燃料中の硫黄成分含有量を推定して、この含有量が許容範囲以上の場合には、運転者に警告灯（図示省略）の点灯等により警告しても良い。
【００９４】
ここで、燃料中に含まれる硫黄成分量は、供給される燃料により異なることがあるが、この硫黄成分量が多くなると排気中のＳＯx量が多くなるため、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＳＯx被毒が進行する速度が速くなる。従って、ＳＯx被毒回復に必要となる燃料量が増加して燃費が悪化すると共に、回復されないＳＯx被毒量も多くなりフィルタの寿命を短縮してしまう。そこで、本実施の形態では、許容される硫黄成分量を定めておき、供給された燃料の硫黄成分量が許容される量よりも多い場合に警告することとした。
【００９５】
許容される硫黄成分量を含有する燃料が供給されたとした場合のＳＯx被毒量は、機関運転のために供給された燃料の消費量から求めることができる。この燃料消費量から求めたＳＯx被毒量よりも、前記した燃料添加時の最小空燃比から求めたＳＯx被毒量が多い場合には燃料中硫黄成分量が許容値よりも多いと考えられる。
【００９６】
このようにして、許容値よりも多量の硫黄成分を含有した燃料が供給されたと判定された場合には、運転者に警告し、吸蔵還元型ＮＯx触媒の寿命が短縮されることを抑制することができる。
【００９７】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、燃料添加時にＮＯx触媒下流の空燃比を検出してＳＯx被毒量を推定することができる。従って、ＳＯx被毒の回復時期を精度良く求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置を適用するエンジンとその吸排気系とを併せ示す概略構成図である。
【図２】 燃料添加時の空燃比センサの出力信号及びＮＯx量の時間推移を指し示すタイムチャート図である。
【図３】 ＳＯx被毒回復制御実行条件の判定フローを示したフローチャート図である。
【図４】 ＮＯx触媒のＳＯx被毒量（吸蔵量）とリーンずれ割合との関係を示した図である。
【図５】 ＳＯx被毒量とＮＯx浄化率との関係を新品及び劣化品のＮＯx触媒について夫々指し示した図である。
【図６】 機関回転数、機関負荷及び最小空燃比の関係を示したマップである。
【図７】 車両走行距離とＳＯx被毒回復直後のリーンずれ割合との関係を指し示した図である。
【符号の説明】
１・・・・エンジン
２・・・・吸気管
３・・・・エアフローメータ
４・・・・排気管
５・・・・パティキュレートフィルタ
６・・・・排気温度センサ
７・・・・空燃比センサ
８・・・・還元剤噴射弁
９・・・・燃料ポンプ
１０・・・還元剤供給路
１１・・・ＥＣＵ
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車等に搭載される内燃機関、特に酸素過剰状態の混合気（所謂、リーン空燃比の混合気）を燃焼可能とするディーゼル機関やリーンバーン・ガソリン機関では、該内燃機関の排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯx）を浄化する技術が望まれている。
【０００３】
このような要求に対し、内燃機関の排気系にＮＯx吸蔵剤を配置する技術が提案されている。このＮＯx吸蔵剤の一つとして、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中の窒素酸化物（ＮＯx）を吸蔵（吸収、吸着）し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していた窒素酸化物（ＮＯx）を窒素（Ｎ2）に還元する吸蔵還元型ＮＯx触媒が知られている。
【０００４】
吸蔵還元型ＮＯx触媒が内燃機関の排気系に配置されると、内燃機関が希薄燃焼運転されて排気の空燃比が高くなるときは排気中の窒素酸化物（ＮＯx）が吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵され、吸蔵還元型ＮＯx触媒に流入する排気の空燃比が低くなったときは吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されていた窒素酸化物（ＮＯx）が窒素（Ｎ2）に還元される。
【０００５】
ところで、吸蔵還元型ＮＯx触媒には燃料に含まれる硫黄分が燃焼して生成される硫黄酸化物（ＳＯx）もＮＯxと同じメカニズムで吸蔵される。このように吸蔵されたＳＯxはＮＯxよりも放出されにくく、ＮＯx触媒内に蓄積される。これをＳＯx被毒といい、ＮＯx浄化率が低下するため、適宜の時期にＳＯx被毒から回復させる被毒回復処理を施す必要がある。この被毒回復処理は、ＮＯx触媒を高温（例えば６００乃至６５０℃程度）にしつつ酸素濃度を低下させた排気をＮＯx触媒に流通させて行われている。
【０００６】
ところで、適切な時期にＳＯx被毒回復処理を施すことができないと、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵能力を低下させエミッションが悪化する虞がある。従って、ＳＯx被毒回復処理を施す時期を適切に設定することが重要となる。
【０００７】
このＳＯx被毒回復処理を施す時期を判定する技術が知られている。例えば、特開２０００−５１６６２号公報記載の発明では、空燃比、燃料中の硫黄成分含有量、触媒温度の少なくとも一つに応じてＳＯxがＮＯx触媒に吸蔵される度合いを算出し、この値及び燃料噴射量に基づいてＳＯx吸蔵量を算出することができる。このようにして求めたＳＯx吸蔵量に基づいてＳＯx被毒回復制御を行うことが可能である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記公報に記載された発明では、予め求められた燃料中の硫黄成分含有量を用いてＳＯxの吸蔵度合いを算出するため、燃料が変わり該燃料中の硫黄成分含有量が変動すると精度の良い判定が困難となる。
【０００９】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気浄化装置において、ＳＯx被毒回復時期を判定する技術を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために本発明の内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を採用した。即ち、
排気の空燃比がリーンのときにＮＯxを吸蔵し、還元剤の存在下で吸蔵していたＮＯxを還元するＮＯx触媒と、
前記ＮＯx触媒へ還元剤を供給してＮＯxを還元させるＮＯx還元手段と、
前記ＮＯx触媒にＮＯxが吸蔵されているか否かを判定するＮＯx吸蔵判定手段と、
前記ＮＯx触媒にＳＯx被毒が発生しているか否かを判定するＳＯx被毒判定手段と、
前記ＮＯx触媒から流出する排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、
前記ＳＯx被毒判定手段によりＳＯx被毒が発生していないと判定された場合であって前記ＮＯx還元手段が前記ＮＯx触媒へ還元剤を供給したときの前記酸素濃度検出手段により検出される排気中の酸素濃度を記憶する酸素濃度記憶手段と、
前記ＮＯx還元手段により前記ＮＯx触媒へ還元剤が供給されているときであって前記ＮＯx吸蔵判定手段によりＮＯxが吸蔵されていないと判定された場合に前記酸素濃度検出手段により検出される酸素濃度と前記酸素濃度記憶手段により記憶されている酸素濃度とを比較してＮＯx触媒のＳＯx被毒量を推定するＳＯx被毒量推定手段と、
を具備することを特徴とする。
【００１１】
本発明の最大の特徴は、内燃機関の排気浄化装置において、還元剤供給時にＮＯx触媒から流出する排気中の酸素濃度とＳＯx被毒量との間に相関があることから、ＳＯx被毒が発生していないときの還元剤供給時の酸素濃度と、現在の還元剤供給時の酸素濃度と、に基づいてＳＯx被毒量を推定することにある。
【００１２】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、ＮＯx触媒に排気中のＳＯxが吸蔵されてＳＯx被毒が発生する。ここで、ＮＯx触媒のＳＯx被毒量が多くなるほど、吸蔵されたＮＯxを還元するための還元剤供給時にＮＯx触媒から流出する排気中の酸素濃度は高くなる。排気中の酸素濃度を用いてＳＯx被毒量を推定するために、酸素濃度記憶手段は、ＳＯx被毒が発生していないときの還元剤供給時にＮＯx触媒から流出する排気中の酸素濃度を記憶する。そして、ＳＯx被毒量推定手段は、ＮＯxを全て還元した後の還元剤供給時にＮＯx触媒から流出する排気の酸素濃度を検出しつつ、この検出値を酸素濃度記憶手段に記憶されている酸素濃度と比較して、どれだけ酸素濃度が高くなっているかによりＮＯx触媒のＳＯx被毒量を推定することができる。ここで、ＮＯxを全て還元した後の酸素濃度を検出しているのは、ＮＯx触媒にＮＯxが吸蔵されているときよりも、ＮＯx触媒に吸蔵されたＮＯxを全て還元した後のほうが還元剤供給時のＮＯx触媒から流出する排気中の酸素濃度が低くなるためである。
【００１３】
本発明においては、前記ＮＯx触媒へ還元剤を供給しＳＯx被毒を回復させるＳＯx被毒回復手段を更に備え、前記ＳＯx被毒判定手段は、前記ＳＯx被毒回復手段がＳＯx被毒を回復させた直後において前記ＮＯx触媒にＳＯx被毒が発生していないと判定することができる。
【００１４】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、ＳＯx被毒回復手段は、例えば、ＮＯx触媒を昇温しつつ排気中の酸素濃度を低下させてＳＯx被毒の回復を行う。ＳＯx被毒の回復直後では、ＳＯx被毒はほとんど回復されているので、ＳＯx被毒判定手段は、このときにＳＯx被毒が発生していないと判定することが可能となる。
【００１５】
本発明においては、前記ＳＯx被毒判定手段は、前記ＮＯx触媒が新品状態のときに、前記ＮＯx触媒にＳＯx被毒が発生していないと判定することができる。
【００１６】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、ＮＯx触媒が新品状態のときにはＳＯx被毒は発生していない。従って、ＳＯx被毒判定手段は、このときにＳＯx被毒が発生していないと判定することが可能となる。
【００１７】
本発明においては、前記ＳＯx被毒回復手段によりＳＯx被毒が回復された直後で且つ前記ＮＯx還元手段により前記ＮＯx触媒へ還元剤が供給されているときであって、前記ＮＯx吸蔵判定手段によりＮＯxが吸蔵されていないと判定された場合に前記酸素濃度検出手段により検出される酸素濃度と前記酸素濃度記憶手段により記憶されている酸素濃度とを比較した値に平均化処理を行い、該平均化処理を行った値が所定値以上の場合に前記ＮＯx触媒が劣化していると判定することができる。
【００１８】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、ＮＯx触媒の熱劣化や回復できないＳＯx被毒等により、ＮＯx吸蔵能力が低下する。これに伴い、ＳＯx被毒回復手段によりＳＯx被毒の回復が行われた直後であっても、前記酸素濃度検出手段により検出される酸素濃度と前記酸素濃度記憶手段により記憶されている酸素濃度とはその偏差が大きくなっていく。従って、ＳＯx被毒回復直後であっても、前記酸素濃度検出手段により検出される酸素濃度と、前記酸素濃度記憶手段により記憶されている酸素濃度と、を比較した値が所定値以上の場合にはＮＯx触媒に劣化が発生していると判定することが可能となる。また、ＳＯx被毒回復手段によりＳＯx被毒の回復が行われた直後に前記酸素濃度検出手段により検出される酸素濃度と、前記酸素濃度記憶手段により記憶されている酸素濃度と、を比較した値に平均化処理を行うことにより、酸素濃度検出手段による検出値の変動分を除去することができ、精度の良い判定が可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。ここでは、本発明に係る内燃機関を車両駆動用のディーゼル機関に適用した場合を例に挙げて説明する。
【００２０】
図１は、本実施の形態に係るエンジンとその吸排気系の概略構成を示す図である。
【００２１】
図１に示すエンジン１は、４つの気筒を有する水冷式の４サイクル・ディーゼル機関である。
【００２２】
エンジン１には、吸気管２が接続されており、該吸気管２の途中には、該吸気管２内を流通する吸気の質量に対応した電気信号を出力するエアフローメータ３が取り付けられている。
【００２３】
一方、エンジン１には、排気管４が接続され、該排気管４は、下流にてマフラー（図示省略）に接続されている。
【００２４】
前記排気管４の途中には、吸蔵還元型ＮＯx触媒を担持したパティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタという。）２０が設けられている。フィルタ５より上流の排気管４には、該排気管４内を流通する排気の温度に対応した電気信号を出力する排気温度センサ６が取り付けられている。また、フィルタ５より下流の排気管４には、該排気管４内を流通する排気の空燃比（酸素濃度）に対応した電気信号を出力する空燃比センサ７が取り付けられている。
【００２５】
尚、本実施の形態では、フィルタ５より上流の排気管４を流通する排気中に還元剤たる燃料（軽油）を添加する還元剤供給機構を備え、この還元剤供給機構から排気中へ燃料を添加することにより、フィルタ５に流入する排気の酸素濃度を低下させるとともに還元剤の濃度を高めるようにした。
【００２６】
還元剤供給機構は、図１に示されるように、その噴孔が排気管４内に臨むように取り付けられ、ＥＣＵ１１からの信号により開弁して燃料を噴射する還元剤噴射弁８と、燃料を吐出する燃料ポンプ９と、燃料ポンプ９から吐出された燃料を前記還元剤噴射弁８へ導く還元剤供給路１０と、を備えて構成されている。
【００２７】
このような還元剤供給機構では、燃料ポンプ９から吐出された高圧の燃料が還元剤供給路１０を介して還元剤噴射弁８へ供給される。そして、ＥＣＵ１１からの信号により該還元剤噴射弁８が開弁して排気管４内へ還元剤としての燃料が噴射される。還元剤噴射弁８から排気管４内へ噴射された還元剤は、排気管４の上流から流れてきた排気の酸素濃度を低下させる。その後、ＥＣＵ１１からの信号により還元剤噴射弁８が閉弁し、排気管４内への還元剤の添加が停止される。
【００２８】
このようにして、フィルタ５に還元剤が供給された結果、フィルタ５に流入する排気は、比較的に短い周期で酸素濃度が変化することになる。そして、フィルタ５に流入した酸素濃度の低い排気は、フィルタ５に担持された吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されていた窒素酸化物（ＮＯx）を窒素（Ｎ2）に還元する。
【００２９】
以上述べたように構成されたエンジン１には、該エンジン１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）１１が併設されている。このＥＣＵ１１は、エンジン１の運転条件や運転者の要求に応じてエンジン１の運転状態を制御するユニットである。
【００３０】
ＥＣＵ１１には、各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号がＥＣＵ１１に入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ１１には、還元剤噴射弁８等が電気配線を介して接続され、制御することが可能になっている。また、前記ＥＣＵ１１は、各種アプリケーションプログラム及び各種制御マップを記憶し各種制御を行う。
【００３１】
例えば、ＮＯx浄化制御では、ＥＣＵ１１は、フィルタ５に流入する排気中の酸素濃度を比較的に短い周期でスパイク的に低くする、燃料添加制御（所謂リッチスパイク制御）を実行する。
【００３２】
燃料添加制御では、ＥＣＵ１１は、所定の周期毎に燃料添加制御実行条件が成立しているか否かを判別する。この燃料添加制御実行条件としては、例えば、フィルタ５に担持された吸蔵還元型ＮＯx触媒が活性状態にある、排気温度センサ６の出力信号値（排気温度）が所定の上限値以下である、後述するＳＯx被毒回復制御が実行されていない、等の条件を例示することができる。
【００３３】
上記したような燃料添加制御実行条件が成立していると判定された場合は、ＥＣＵ１１は、還元剤噴射弁８からスパイク的に還元剤たる燃料を噴射させるべく当該還元剤噴射弁８を制御することにより、フィルタ５に流入する排気の空燃比を一時的に所定の目標リッチ空燃比とする。
【００３４】
具体的には、ＥＣＵ１１は、記憶されている機関回転数、機関負荷（アクセル開度）、エアフローメータ３の出力信号値（吸入空気量）、空燃比センサ７の出力信号、燃料噴射量等を読み出す。
【００３５】
ＥＣＵ１１は、前記した機関回転数と機関負荷と吸入空気量と燃料噴射量とをパラメータとして還元剤添加量制御マップへアクセスし、排気の空燃比を予め設定された目標空燃比とする上で必要となる還元剤の添加量（目標添加量）を算出する。
【００３６】
続いて、ＥＣＵ１１は、前記目標添加量をパラメータとして還元剤噴射弁制御マップへアクセスし、還元剤噴射弁８から目標添加量の還元剤を噴射させる上で必要となる還元剤噴射弁８の開弁時間（目標開弁時間）を算出する。
【００３７】
還元剤噴射弁８の目標開弁時間が算出されると、ＥＣＵ１１は、還元剤噴射弁８を開弁させる。
【００３８】
ＥＣＵ１１は、還元剤噴射弁８を開弁させた時点から前記目標開弁時間が経過すると、還元剤噴射弁８を閉弁させる。
【００３９】
このように還元剤噴射弁８が目標開弁時間だけ開弁されると、目標添加量の燃料が還元剤噴射弁８から排気管４内へ噴射されることになる。そして、還元剤噴射弁８から噴射された還元剤は、排気管４の上流から流れてきた排気と混ざり合って目標空燃比の混合気を形成してフィルタ５に流入する。
【００４０】
この結果、フィルタ５に流入する排気の空燃比は、比較的に短い周期で酸素濃度が変化することになり、以て、フィルタ５に担持された吸蔵還元型ＮＯx触媒が窒素酸化物（ＮＯx）の吸蔵と還元とを交互に短周期的に繰り返すことになる。
【００４１】
このように、フィルタ５に流入する排気の空燃比をスパイク的に目標リッチ空燃比とし、吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵された窒素酸化物（ＮＯx）を還元することが可能となる。
【００４２】
次に、被毒回復制御では、ＥＣＵ１１は、フィルタ５に担持された吸蔵還元型ＮＯx触媒の酸化物による被毒を回復すべくＳＯx被毒回復処理を行うことになる。
【００４３】
ここで、エンジン１の燃料には硫黄（Ｓ）が含まれている場合があり、そのような燃料がエンジン１で燃焼されると、二酸化硫黄（ＳＯ2）や三酸化硫黄（ＳＯ3）などの硫黄酸化物（ＳＯx）が生成される。
【００４４】
硫黄酸化物（ＳＯx）は、排気とともにフィルタ５に流入し、窒素酸化物（ＮＯx）と同様のメカニズムによって吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵される。
【００４５】
具体的には、フィルタ５に流入する排気の酸素濃度が高いときには、流入排気ガス中の二酸化硫黄（ＳＯ2）や三酸化硫黄（ＳＯ3）等の硫黄酸化物（ＳＯx）が白金（Ｐｔ）の表面上で酸化され、硫酸イオン（ＳＯ4 2-）の形でフィルタ５に吸蔵される。更に、フィルタ５に吸蔵された硫酸イオン（ＳＯ4 2-）は、酸化バリウム（ＢａＯ）と結合して硫酸塩（ＢａＳＯ4）を形成する。
【００４６】
ところで、硫酸塩（ＢａＳＯ4）は、硝酸バリウム（Ｂａ（ＮＯ3）2）に比して安定していて分解し難く、フィルタ５に流入する排気の酸素濃度が低くなっても分解されずにフィルタ５内に残留してしまう。
【００４７】
フィルタ５における硫酸塩（ＢａＳＯ4）の量が増加すると、それに応じて窒素酸化物（ＮＯx）の吸蔵に関与することができる酸化バリウム（ＢａＯ）の量が減少するため、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵能力が低下する、所謂ＳＯx被毒が発生する。
【００４８】
フィルタ５のＳＯx被毒を回復する方法としては、フィルタ５の雰囲気温度をおよそ６００乃至６５０℃の高温域まで昇温させるとともに、フィルタ５に流入する排気の酸素濃度を低くすることにより、フィルタ５に吸蔵されている硫酸バリウム（ＢａＳＯ4）をＳＯ3 -やＳＯ4 -に熱分解し、次いでＳＯ3 -やＳＯ4 -を排気中の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）と反応させて気体状のＳＯ2 -に還元する方法を例示することができる。
【００４９】
そこで、本実施の形態に係るＳＯx被毒回復処理では、ＥＣＵ１１は、先ずフィルタ５の床温を高める触媒昇温制御を実行した上で、フィルタ５に流入する排気の酸素濃度を低くするようにした。
【００５０】
触媒昇温制御では、ＥＣＵ１１は、例えば、各気筒の膨張行程時に燃料噴射弁（図示省略）から副次的に燃料を噴射させるとともに還元剤噴射弁８から排気中へ燃料を添加させることにより、それらの未燃燃料成分をフィルタ５において酸化させ、酸化の際に発生する熱によってフィルタ５の床温を高めるようにしてもよい。
【００５１】
上記したような触媒昇温処理によりフィルタ５の床温が６００℃乃至６５０℃程度の高温域まで上昇すると、ＥＣＵ１１は、フィルタ５に流入する排気の酸素濃度を低下させるべく還元剤噴射弁８から燃料を噴射させる。
【００５２】
このように被毒回復処理が実行されると、フィルタ５の床温が高い状況下で、フィルタ５に流入する排気の酸素濃度が低くなるため、フィルタ５に吸蔵されている硫酸バリウム（ＢａＳＯ4）がＳＯ3 -やＳＯ4 -に熱分解され、それらＳＯ3 -やＳＯ4 -が排気中の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）と反応して還元され、以てフィルタ５のＳＯx被毒が回復されることになる。
【００５３】
ところで、前記したように吸蔵還元型ＮＯx触媒にＳＯxが所定量以上吸蔵されるとＮＯx吸蔵能力が低下して、エミッション悪化を誘引する。また、ＳＯx被毒量が少量にもかかわらずＳＯx被毒回復処理を頻繁に行うと、吸蔵還元型ＮＯx触媒の昇温に燃料を要することから燃費の悪化を誘引する。従って、ＳＯx回復処理の実行時期を適切に設定することが重要となる。
【００５４】
ここで、従来の内燃機関の排気浄化装置では、空燃比、触媒温度、燃料性状からＳＯxの被毒度合いを求め、ＳＯxの被毒量をＳＯxの被毒度合い及び燃料噴射量に基づいて推定していた。しかし、燃料中に含有される硫黄成分の量は燃料によって異なるため、硫黄成分量が異なる燃料が使用されると正確なＳＯx被毒量を推定することは困難であった。
【００５５】
そこで、本実施の形態では、ＮＯx還元のための燃料添加時にフィルタ５下流に設けた空燃比センサ７の出力信号に基づいて、実際にどれだけのＳＯxが吸蔵させているのかを精度良く検出する。
【００５６】
図２は、複数回燃料添加を行ったときの空燃比センサ７の出力信号及びＮＯx量の時間推移を指し示すタイムチャート図である。図２中領域Ａは、ＳＯx被毒が発生していないときの各値を示し、一方、図２中領域Ｂは、ＳＯx被毒が発生しているときの各値を示している。ここで、燃料添加が行われていないときの排気の空燃比は、領域Ａ及び領域Ｂで等しい。
【００５７】
図２に示されるように、ＮＯx還元のための燃料添加を行うと、フィルタ５下流の空燃比は低下し、このときの最小空燃比は理論空燃比近傍となる。しかし、吸蔵還元型ＮＯx触媒にＳＯx被毒が発生していると、ＳＯx被毒が発生していないときと比較して最小空燃比はリーン側へずれて大きくなる。このリーン空燃比側にずれる値とＳＯxの被毒量とには相関関係があるため、空燃比がどれだけリーン側へずれたかを検出すれば、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＳＯx被毒量を求めることができる。このときに、触媒新品時やＳＯx被毒を回復させた直後の燃料添加時の空燃比を基準として、どれだけ空燃比がずれているのかによりＳＯx被毒量を求める。
【００５８】
一方、吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されているＮＯx量が多い程、燃料添加時の触媒下流の最小空燃比は大きくなる。そこで、本実施の形態では、判定時の条件を揃えるために、吸蔵されているＮＯxを全て還元した後の燃料添加時に検出される最小空燃比に基づいてＳＯx被毒量の推定を行う。ここで、ＮＯxが全て還元された後であっても、リーン空燃比で運転されていればＮＯxは新たに吸蔵されるため、その後にも燃料添加が行われる。
【００５９】
また、本実施の形態では、燃料添加時の排気の空燃比の変動を除去するために、複数回の燃料添加時に検出されたフィルタ５下流の最小空燃比に平均化処理を加えてＳＯx被毒量を推定し、推定精度を高めている。
【００６０】
次に、ＳＯx被毒量の推定方法のフローについて説明する。
【００６１】
図３は、ＳＯx被毒回復制御実行条件の判定フローを示したフローチャート図である。
【００６２】
ステップＳ１０１では、ＮＯx還元のために燃料添加制御（リッチスパイク制御）が行われる。
【００６３】
ステップＳ１０２では、燃料添加制御により吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されていたＮＯxが全て還元されたか否か判定される。この判定では、予め定められた時間燃料添加が行われた場合にＮＯxの還元が完了したとしても良いし、また、燃料添加時の空燃比センサ７により検出される最小空燃比が略一定の値となった場合にＮＯxの還元が完了したと判定しても良い。
【００６４】
ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場合には、ステップＳ１０３へ進み、一方、否定判定がなされた場合には、ステップＳ１０１へ戻る。
【００６５】
ステップＳ１０３では、前回のＳＯx被毒回復制御完了直後の燃料添加制御時に検出された最小空燃比を読み込む。
【００６６】
ＳＯx被毒回復制御実行時にはＮＯxの放出後にＳＯxが放出されるため、ＳＯx被毒回復制御完了直後には、吸蔵還元型ＮＯx触媒にＮＯx及びＳＯxが吸蔵されていない状態となる。
【００６７】
ここで、ＳＯx被毒回復制御完了直後の燃料添加制御時に空燃比センサ７により検出される最小空燃比はＥＣＵ１１に記憶させておく。
【００６８】
また、フィルタ５の新品時には、ＳＯx被毒回復制御が行われていないため、この場合には、新品時の最小空燃比をＥＣＵ１１に記憶させておき、ステップＳ１０３で読み込むようにする。
【００６９】
ステップＳ１０４では、ステップＳ１０１で行われた燃料の添加によりフィルタ５から流出する排気の最小空燃比が検出される。ＥＣＵ１１は、空燃比センサ７の出力信号から最小空燃比を求めて記憶する。
【００７０】
ステップＳ１０５では、リーンずれ割合を算出する。ここで、リーンずれ割合とは、ステップＳ１０４で検出した最小空燃比をステップＳ１０３で読み込んだ最小空燃比で除した値であり、ＳＯx被毒の発生していないときの最小空燃比から実際の最小空燃比がどれだけの割合でずれているのかを示す値である。
【００７１】
ステップＳ１０６では、吸蔵還元型ＮＯx触媒の温度が所定温度以上であるか否か判定する。吸蔵還元型ＮＯx触媒には浄化能力が高くなる温度領域（以下、活性領域という。）があるため、吸蔵還元型ＮＯx触媒の温度がこの活性領域の範囲外である場合には排気の浄化率が低下してしまう。従って、ＳＯxの吸蔵量が同一であったとしても、吸蔵還元型ＮＯx触媒の温度が活性領域外であると空燃比センサ７の出力信号が変化してしまい、ＳＯx被毒量の判定が困難となってしまう。従って、吸蔵還元型ＮＯx触媒が活性化する温度（例えば、２５０℃）以上である場合に限りＳＯx被毒の判定を行うこととする。吸蔵還元型ＮＯx触媒の温度は、排気温度センサ６の出力信号により求められる。
【００７２】
ステップＳ１０６で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０７へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを終了させる。
【００７３】
ステップＳ１０７では、リーンずれ割合の平均化処理を行う。これは、ステップＳ１０４で検出された最小空燃比は変動することがあり、その変動した値に基づいてＳＯx吸蔵量を求めても正確な値が得られないためである。平均化処理は、例えば、数十乃至数千の重み付けによるなまし処理により行われ、次式により示すことができる。
【００７４】
平均化処理後のリーンずれ割合＝｛（ｎ−１）／ｎ｝・（前回平均化処理後のリーンずれ割合）＋（１／ｎ）・（今回算出したリーンずれ割合）
ここで、ｎは、数十乃至数千の値とする。
【００７５】
ステップＳ１０８では、ステップＳ１０７で平均化されたリーンずれ割合が判定値よりも大きいか否か判定する。判定値は、予め実験等により求まる値である。
【００７６】
ここで、図４は、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＳＯx被毒量とリーンずれ割合との関係を示した図である。例えば、ＳＯxの被毒量が１ｇのとき、即ち、リーンずれ割合が１．１のときにＳＯx被毒回復が必要であり、この値を判定値として用いることができる。
【００７７】
ステップＳ１０８で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０９へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを終了させる。
【００７８】
ステップＳ１０９では、ＳＯx被毒回復制御を行う。このＳＯx被毒回復制御完了後の燃料添加時に検出される最小空燃比が新たにＥＣＵ１１に記憶される。
【００７９】
このようにして、ＳＯx被毒回復を行う時期を判定することが可能となり、ＳＯxの吸蔵過多を抑制し、若しくは、不必要なＳＯx被毒回復による燃費の悪化を抑制することができる。
【００８０】
ここで、従来の内燃機関の排気浄化装置では、燃料消費量等から吸蔵還元型ＮＯx触媒のＳＯx被毒量を推定していた。しかし、燃料中に含有される硫黄成分の量は燃料によって異なるため、燃料が変更されると正確なＳＯx吸蔵量を推定することは困難であった。従って、最適な時期にＳＯx被毒回復が行われず、触媒能力が低下する虞があった。また、被毒回復を実施しても、実際にＳＯx被毒が回復されたか確認することができなかった。
【００８１】
これに対し、ＮＯxセンサをフィルタ５下流に設けてＮＯxの浄化率からＳＯx被毒再生時期を判定することも考えられる。
【００８２】
ここで、図５は、ＳＯx被毒量とＮＯx浄化率との関係を新品及び劣化品の吸蔵還元型ＮＯx触媒について夫々指し示した図である。
【００８３】
例えば、ＳＯx被毒量が１ｇの場合は、新品では９０パーセント以上のＮＯxを浄化することができるが、劣化品では７５パーセント程度しかＮＯxを浄化することができない。このように吸蔵還元型ＮＯx触媒の新品時と劣化時とではＮＯxの浄化率が異なり、劣化の度合いが小さいほどＳＯx被毒量が小さく検出される。従って、劣化の度合いが小さいほどＳＯx被毒回復の間隔が長くなってしまい、ＳＯx被毒量が過多となる虞がある。
【００８４】
また、ＮＯxセンサを設けるとコストアップとなってしまう。
【００８５】
その点、本実施の形態では、ＮＯx還元のための燃料添加時にフィルタ５下流に設けた空燃比センサ７の出力信号に基づいて、実際にどれだけのＳＯxが吸蔵させているのかを精度良く検出することができる。従って、ＳＯx被毒回復実行時期を精度良く求めることができる。
【００８６】
尚、本実施の形態では、ＳＯx被毒回復直後の燃料添加時の空燃比を基準として、ＳＯx被毒量を算出したが、これに代えて、フィルタ５が新品状態のときの燃料添加時の空燃比を基準としてＳＯx被毒量を算出しても良い。
【００８７】
更に、機関回転数及び機関負荷に基づいて基準となる空燃比を算出しても良い。
【００８８】
ここで、図６は、機関回転数、機関負荷及び最小空燃比の関係を示したマップである。このマップは、実験等により求めてＥＣＵ１１に記憶させておく。そして、ＥＣＵ１１は、機関回転数及び機関負荷を検出してこのマップに代入し、基準となる最小空燃比を算出することができる。
【００８９】
この場合、図３中ステップＳ１０３では、ステップＳ１０１で行われた燃料の添加のときにフィルタ５から流出する排気の最小空燃比の予測値が読み込まれる。
【００９０】
また、本実施の形態では、フィルタ５が新品状態のときの燃料添加時の空燃比を基準として、ＳＯx被毒回復処理実行直後の燃料添加時の最小空燃比のリーンずれ割合を求めることにより、吸蔵還元型ＮＯx触媒の劣化を判定することができる。
【００９１】
図７は、車両走行距離とＳＯx被毒回復直後のリーンずれ割合に平均化処理を施した値との関係を指し示した図である。ここで、実線は通常起こり得るリーンずれ割合の増加を示し、一方、破線は、熱劣化等による急激なリーンずれ割合の増加を示している。また、このときのリーンずれ割合とは、燃料添加時に実際に検出した最小空燃比をフィルタ５新品時の燃料添加時の最小空燃比で除した値であり、新品状態の最小空燃比からどれだけ実際の最小空燃比がずれているのかを示す値である。
【００９２】
吸蔵還元型ＮＯx触媒では、ＳＯx被毒回復制御を行っても完全にＳＯx被毒を回復させることは困難で、ある程度の硫黄成分は吸蔵還元型ＮＯx触媒に残留してしまう。また、吸蔵還元型ＮＯx触媒は、高温になると熱劣化を生じることがある。このような状態では、硫黄成分の残留や熱劣化によりＮＯxの吸蔵能力が低下し、大気中へＮＯxを放出させる虞がある。従って、触媒劣化を検出することは重要である。ここで、図７に示されるように、吸蔵還元型ＮＯx触媒が劣化するとＳＯx被毒回復直後であってもリーンずれ割合が大きくなる。従って、ＳＯx被毒回復直後にＮＯx還元のための燃料添加を行った場合に検出されるＳＯx被毒量は、回復困難な触媒劣化として検出することができる。本実施の形態では、ＳＯx被毒回復処理完了直後に燃料添加を行い、このときに検出されるＳＯx被毒量が予め実験等により求めた所定値よりも多い場合に触媒が劣化していると判定する。
【００９３】
更に、本実施の形態では、ＮＯx還元時に検出される空燃比から算出されるＳＯx被毒量と、燃料消費量から推定されるＳＯx被毒量との偏差により燃料中の硫黄成分含有量を推定して、この含有量が許容範囲以上の場合には、運転者に警告灯（図示省略）の点灯等により警告しても良い。
【００９４】
ここで、燃料中に含まれる硫黄成分量は、供給される燃料により異なることがあるが、この硫黄成分量が多くなると排気中のＳＯx量が多くなるため、吸蔵還元型ＮＯx触媒のＳＯx被毒が進行する速度が速くなる。従って、ＳＯx被毒回復に必要となる燃料量が増加して燃費が悪化すると共に、回復されないＳＯx被毒量も多くなりフィルタの寿命を短縮してしまう。そこで、本実施の形態では、許容される硫黄成分量を定めておき、供給された燃料の硫黄成分量が許容される量よりも多い場合に警告することとした。
【００９５】
許容される硫黄成分量を含有する燃料が供給されたとした場合のＳＯx被毒量は、機関運転のために供給された燃料の消費量から求めることができる。この燃料消費量から求めたＳＯx被毒量よりも、前記した燃料添加時の最小空燃比から求めたＳＯx被毒量が多い場合には燃料中硫黄成分量が許容値よりも多いと考えられる。
【００９６】
このようにして、許容値よりも多量の硫黄成分を含有した燃料が供給されたと判定された場合には、運転者に警告し、吸蔵還元型ＮＯx触媒の寿命が短縮されることを抑制することができる。
【００９７】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、燃料添加時にＮＯx触媒下流の空燃比を検出してＳＯx被毒量を推定することができる。従って、ＳＯx被毒の回復時期を精度良く求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置を適用するエンジンとその吸排気系とを併せ示す概略構成図である。
【図２】 燃料添加時の空燃比センサの出力信号及びＮＯx量の時間推移を指し示すタイムチャート図である。
【図３】 ＳＯx被毒回復制御実行条件の判定フローを示したフローチャート図である。
【図４】 ＮＯx触媒のＳＯx被毒量（吸蔵量）とリーンずれ割合との関係を示した図である。
【図５】 ＳＯx被毒量とＮＯx浄化率との関係を新品及び劣化品のＮＯx触媒について夫々指し示した図である。
【図６】 機関回転数、機関負荷及び最小空燃比の関係を示したマップである。
【図７】 車両走行距離とＳＯx被毒回復直後のリーンずれ割合との関係を指し示した図である。
【符号の説明】
１・・・・エンジン
２・・・・吸気管
３・・・・エアフローメータ
４・・・・排気管
５・・・・パティキュレートフィルタ
６・・・・排気温度センサ
７・・・・空燃比センサ
８・・・・還元剤噴射弁
９・・・・燃料ポンプ
１０・・・還元剤供給路
１１・・・ＥＣＵ
Claims (4)
- 排気の空燃比がリーンのときにＮＯxを吸蔵し、還元剤の存在下で吸蔵していたＮＯxを還元するＮＯx触媒と、
前記ＮＯx触媒へ還元剤を供給してＮＯxを還元させるＮＯx還元手段と、
前記ＮＯx触媒にＮＯxが吸蔵されているか否かを判定するＮＯx吸蔵判定手段と、
前記ＮＯx触媒にＳＯx被毒が発生しているか否かを判定するＳＯx被毒判定手段と、
前記ＮＯx触媒から流出する排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、
前記ＳＯx被毒判定手段によりＳＯx被毒が発生していないと判定された場合であって前記ＮＯx還元手段が前記ＮＯx触媒へ還元剤を供給したときの前記酸素濃度検出手段により検出される排気中の酸素濃度を記憶する酸素濃度記憶手段と、
前記ＮＯx還元手段により前記ＮＯx触媒へ還元剤が供給されているときであって前記ＮＯx吸蔵判定手段によりＮＯxが吸蔵されていないと判定された場合に前記酸素濃度検出手段により検出される酸素濃度と前記酸素濃度記憶手段により記憶されている酸素濃度とを比較してＮＯx触媒のＳＯx被毒量を推定するＳＯx被毒量推定手段と、
を具備することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 前記ＮＯx触媒へ還元剤を供給しＳＯx被毒を回復させるＳＯx被毒回復手段を更に備え、前記ＳＯx被毒判定手段は、前記ＳＯx被毒回復手段がＳＯx被毒を回復させた直後において前記ＮＯx触媒にＳＯx被毒が発生していないと判定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記ＳＯx被毒判定手段は、前記ＮＯx触媒が新品状態のときに、前記ＮＯx触媒にＳＯx被毒が発生していないと判定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記ＳＯx被毒回復手段によりＳＯx被毒が回復された直後で且つ前記ＮＯx還元手段により前記ＮＯx触媒へ還元剤が供給されているときであって、前記ＮＯx吸蔵判定手段によりＮＯxが吸蔵されていないと判定された場合に前記酸素濃度検出手段により検出される酸素濃度と前記酸素濃度記憶手段により記憶されている酸素濃度とを比較した値に平均化処理を行い、該平均化処理を行った値が所定値以上の場合に前記ＮＯx触媒が劣化していると判定することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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