JP3965770B2

JP3965770B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP3965770B2
Application number: JP11576498A
Authority: JP
Inventors: 淳田原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-04-24
Filing date: 1998-04-24
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2018-04-24
Also published as: JPH11303660A

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に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気通路に、流入排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を吸収し、流入排気中の酸素濃度が低下したときに吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収剤を配置し、機関をリーン空燃比で運転中に上記ＮＯｘ吸収剤に排気中のＮＯｘを吸収させる内燃機関の排気浄化装置が本願出願人により既に提案されている（国際公開公報第ＷＯ９３−２５８０６号参照）。同公報の排気浄化装置はＮＯｘ吸収剤に吸収されたＮＯｘ量を推定する推定手段を備えており、ＮＯｘ吸収剤のＮＯｘ吸収量を運転中常時監視している。そして、この吸収ＮＯｘ量が予め定められた量に到達したときにＮＯｘ吸収剤に流入する排気の酸素濃度を低下させてＮＯｘ吸収剤から吸収したＮＯｘを放出させるとともに、放出されたＮＯｘを排気中の未燃ＨＣ，ＣＯ等の還元成分により還元浄化している（なお、本明細書では上記ＮＯｘ吸収剤からの吸収したＮＯｘの放出と還元浄化とを行うための操作を「ＮＯｘ吸収剤の再生操作」と呼ぶ）。上記公報の排気浄化装置では、ＮＯｘ吸収剤のＮＯｘ吸収量が所定値に到達する毎に再生操作を行うことにより、ＮＯｘ吸収剤のＮＯｘ量が過度に増大してＮＯｘ吸収剤が吸収したＮＯｘにより飽和してしまうことが防止される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようにＮＯｘ吸収剤のＮＯｘ吸収量を推定し、機関運転中に推定したＮＯｘ吸収量が所定値に到達する毎にＮＯｘ吸収剤の再生操作を行う場合には、ＮＯｘ吸収剤に流入する排気ガス中の空燃比がリーン状態を維持し続ける運転状態から空燃比がリーン状態時に排気中のＮＯｘをＮＯｘ吸収剤に吸収し、吸収したＮＯｘ量が許容値を超えたと判断したときには吸収されたＮＯｘを放出還元するため空燃比をリッチとする再生操作を備えた運転状態へ変化した時にはＮＯｘ吸収剤から未浄化のＮＯｘが放出されたり、再生操作を行ってもＮＯｘ吸収剤に吸収されたＮＯｘをほぼ全量放出されない可能性が生じる。
【０００４】
通常、ＮＯｘ吸収剤に流入する排気ガス中の空燃比がリーン状態を維持し続けるとＮＯｘ吸収剤に付着する酸素量は徐々に増加する。そのため、空燃比がリーン状態を維持し続ける運転状態が所定以上続くと、ＮＯｘ吸収剤に多量の酸素が吸着している状態となる。この状態から通常の上記再生操作を行うと、空燃比がリッチの排気ガス中に含まれるＨＣ，ＣＯ成分等が吸着している酸素と反応することで費やされるため、ＮＯｘ吸収剤から一挙に放出されたＮＯｘを還元するために必要なＨＣ，ＣＯ成分等が不足することになり、ＮＯｘが浄化されないまま大気に放出される場合がある。また、ＮＯｘ吸収剤から一挙に放出されずにＮＯｘ吸収剤に吸着し続けたとしても吸収している実際のＮＯｘ吸収量と推定値との間に差異が生じ、再生操作のタイミングが不正確になり、排気性状が悪化する場合が生じる。
【０００５】
本発明は、上記問題に鑑み、ＮＯｘ吸収剤に流入する排気ガス中の空燃比がリーン状態を維持し続ける運転状態から再生操作を行うときには、空燃比のリッチ度合いを増やすことで未浄化のＮＯｘの放出や再生操作のタイミングのずれが生じることを防止す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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１によれば、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘを吸収しリッチ空燃比雰囲気下で吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収剤を内燃機関の排気通路に配置し、前記ＮＯｘ吸収剤に吸収されたＮＯｘ量が許容値を超えたと判断したときには吸収されたＮＯｘを放出還元するために該ＮＯｘ吸収剤に流入する排気の空燃比をリッチとする第１の運転状態と、、前記ＮＯｘ吸収剤の温度が該ＮＯｘ吸収剤にＮＯｘが吸収されない温度になる条件下で該ＮＯｘ吸収剤に流入する排気の空燃比をリーン状態に維持する第２の運転状態とを切り換え可能な内燃機関の排気浄化装置において、前記第２の運転状態が所定期間以上続いた後に前記第１の運転状態が行われる場合には、第１の運転状態中の空燃比をリッチとする頻度、空燃比のリッチ時間、空燃比のリッチ度合いのパラメータの少なくとも１つを増大側に補正するリッチ補正手段を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【０００７】
すなわち、請求項１の発明では、ＮＯｘ吸収剤に流入する排気ガス中の空燃比がリーン状態を維持し続ける第２の運転状態ではＮＯｘ吸収剤に酸素が多量に吸着されている。即ち、硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形でＮＯｘ吸収剤内に存在する以外にも多量の酸素がＮＯｘ吸収剤表面に吸着されている。そのため、この第２の運転状態から空燃比がリーン状態時に排気中のＮＯｘをＮＯｘ吸収剤に吸収し、吸収したＮＯｘ量が許容値を超えたと判断したときには吸収されたＮＯｘを放出還元するため空燃比をリッチとする第１の運転状態へ切り換わったときには、空燃比をリッチにする割合を増やす即ち空燃比をリッチとする頻度、空燃比のリッチ時間、空燃比のリッチ度合いを増やすことで、ＨＣ，ＣＯ成分等を増加させ、この増加分がＮＯｘ吸収剤に吸着している酸素と反応して酸化せしめられる。その結果、その後の再生操作を繰り返す運転中のＮＯｘ吸収剤の吸収ＮＯｘ量を正確に推定することが可能となり、再生操作のタイミングを正確に算出することが可能となる。また、再生操作を備えた運転状態へ変化した時にはＮＯｘ吸収剤から未浄化のＮＯｘが放出されたりすることがなく、ＮＯｘ吸収剤に吸収したＮＯｘを全て放出還元することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の排気浄化装置を自動車用内燃機関に適用した場合の実施形態の概略構成を示す図である。ここで、内燃機関とは、排出される排気ガスが酸素過剰となるガソリンエンジンであってもよいが、ここではディーゼルエンジンにおける実施形態を説明することにする。図１を参照すると、１はディーゼル機関本体、２はピストン、３は燃焼室、４は燃料噴射弁、５は吸気弁、６は吸気ボート、７は排気弁、８は排気ボートを夫々示す。吸気ボート６は対応する吸気マニホルド９および吸気ダクト１０を介してエアクリーナ１１に連結され、吸気ダクト１０内には吸気制御弁１２が配置される。この吸気制御弁１２は例えばステップモータのようなアクチュエータ１３により開閉制御される。一方、排気ボート８は排気マニホルド１４および排気管１５を介してＮＯｘ吸収剤１６を内蔵したケーシング１７に連結され、ケーシング１７の出口側に接続された排気管１８内には排気ガス温を検出するための温度センサ１９が配置される。
【０００９】
排気マニホルド１４からは再循環排気ガス（以下ＥＧＲガスと称す）導管２０が分岐され、このＥＧＲガス導管２０は吸気制御弁１２下流の吸気ダクト１０内に連結される。ＥＧＲガス導管２０内には例えばステップモータにより駆動されるＥＧＲ制御弁２１が配置される。ＥＧＲ制御弁２１が開弁すると排気マニホルド１４内の排気ガスがＥＧＲガス導管２０を介して吸気ダクト１０内に供給され、吸気ダクト１０内に供給された排気ガス、即ちＥＧＲガスは吸気マニホルド９を介して各気筒に分配される。
【００１０】
電子制御ユニット３０はディジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）Ｂ２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ボート３５および出力ボート３６を具備する。温度センサ１９はＮＯｘ吸収剤１６を通過した排気ガスに比例した出力電圧を発生し、この出力電圧はＡＤ変換器３７を介して入力ボート３５に入力される。また、アクセルペダル４０の足沓込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が設けられ、この負荷センサ４１の出力電圧がＡＤ変換器３８を介して入力ボート３５に入力される。更に入力ボート３５には機関回転数を表わす出力パルスを発生する回転数センサ４２が接続される。一方、出力ボート３６は夫々対応する駆動回路３９を介して燃料噴射弁４、了クチュェータ１３およびＥＧＲ制御弁２１に接続される。
【００１１】
燃料噴射弁４からの燃料噴射量Ｑは図２に示されるようにアクセルペダル４０の踏込み量Ｌおよび機関回転数Ｎに基いて制御される。なお、図２において各実線Ｑ１，Ｑ２，Ｑ８・・・（Ｑ，＜Ｑ２＜Ｑ３）は等噴射量を表わしており、従って図２からわかるように燃料噴射量Ｑはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌが大きくなるほど増大し、機関回転数Ｎが高くなるほど減少する。図２に示される燃料噴射量Ｑとアクセルペダル４０の踏込み量Ｌ、機関回転数Ｎとの関係は予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００１２】
一方、吸気制御弁１２は通常全開状態に保持されており、従って通常吸気ダクト１０内はほぼ大気圧となっている。一方、排気マニホルド１４内の平均圧力は大気圧よりも高くなっており、従ってＥＧＲ制御弁２１が開弁すると排気マニホルド１４内の圧力と吸気ダクト１０内の圧力との圧力差によりＥＧＲガスが吸気ダクト１０内に供給される。図３に示されるようにＥＧＲ制御弁２１の開度Ｓはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌと機関回転数Ｎに基いて制御され、図３に示されるようにこのＥＧＲ制御弁２１は機関低速低負荷運転時には全開せしめられ、機関高負荷運転時又は機関高速運転時には全閉せしめられる。また、これらＥＧＲ制御弁２１の全開領域と全閉領域との間ではＥＧＲ制御弁２１の開度Ｓ₁，Ｓ₂，Ｓ₃は全開領域から全閉領域に向けて徐々に小さくなる（Ｓ₁＞Ｓ₂＞Ｓ₃）。
【００１３】
ディーゼル機関においてＮＯｘの発生を抑制するためには燃焼室３内に再循環せしめられるＥＧＲガス量をできるだけ増大させることが好ましい。しかしながらＥＧＲガス量を増大しすぎると空気過剰率が小さくなりすぎて燃焼が悪化する。従ってＥＧＲガス量は通常燃焼が悪化しない範囲でできるだけ増大せしめられる。ところで機関低速低負荷運転時には空気過剰率が大きく、従ってこのときには多量のＥＧＲガスを再循環しうる。一方、機関低速低負荷運転時には排気マニホルド１４内の平均圧力は低く、従ってこのときできるだけ多くのＥＧＲガスを再楯環すべく図３に示されるようにＥＧＲ制御弁２１は全開せしめられる。
【００１４】
一方、機関高負荷運転時には空気過剰率が小さいためにこのときＥＧＲガスを再循環すると燃焼が悪化する。従って図３に示されるように機関高負荷運転時にはＥＧＲ制御弁２１は全閉せしめられる。また、機関高速運転時には排気マニホルド１４内の平均圧力が高くなり、従ってこのときＥＧＲ制御弁２１を開弁するとＥＧＲガスの再循環量が過剰になってしまう。従って機関高速運転時には図３に示されるようにＥＧＲ制御弁２１が全閉せしめられる。なお、図３からわかるように機関中負荷運転時或いは機関中速運転時には機関負荷が高くなるほど、或いは機関回転数が高くなるほどＥＧＲ制御弁２１の開度Ｓが減少せしめられる。このようにＥＧＲ制御弁２１の開度Ｓはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌ、即ち機関負荷と機関回転数Ｎとに応じて制御されるが空気過剰率は機関負荷および機関回転数にかかわらずに１．０以上となっている。即ち、燃焼室３内における平均空燃比は機関負荷および機関回転数にかかわらずにリーンとなっている。
【００１５】
再び図１に戻るとケーシング１７内に収容されているＮＯｘ吸収剤１６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くとも一つ、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されている。機関吸気通路およびＮＯｘ吸収剤１６上流の排気通路内に供給された空気および燃料（炭化水素）の比をＮＯｘ吸収剤１６への流入排気ガスの空燃比と称するとこのＮＯｘ吸収剤１６は流入排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯｘを吸収し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘの吸放出作用を行う。なお、ＮＯｘ吸収剤１６上流の排気通路内に燃料（炭化水素）或いは空気が供給されない場合には流入排気ガスの空燃比は燃焼室３内における平均空燃比に一致し、従ってこの場合にはＮＯｘ吸収剤１６は燃焼室３内における平均空燃比がリーンのときにはＮＯｘを吸収し、燃焼室３内の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯｘを放出することになる。図１に示すようなディーゼル機関では通常あらゆる運転状態において空気過剰率が１．０以上、即ち燃焼室３内における平均空燃比がりーンの状態で燃焼せしめられる。従ってこのとき排出されるＮＯｘはＮＯｘ吸収剤１６に吸収されることになる。
【００１６】
上述のＮＯｘ吸収剤１６を機関排気通路内に配置すればこのＮＯｘ吸収剤１６は実際にＮＯｘの吸放出作用を行うがこの吸放出作用の詳細なメカニズムについては明らかでない部分もある。しかしながらこの吸放出作用は図４に示すようなメカニズムで行われているものと考えられる。次にこのメカニズムについて担体上に白金ＰｔおよびバリウムＢａを担持させた場合を例にとって説明するが他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類、希土類を用いても同様なメカニズムとなる。
【００１７】
即ち、ディーゼル機関では排気ガス中に多量の酸素が存在し、これら酸素Ｏ₂は図４（Ａ）に示されるようにＯ₂ ^-の形で白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入排気ガス中のＮＯは白金Ｐｔの表面上でＯ₂ ^-と反応し、ＮＯ₂となる（２ＮＯ＋Ｏ₂→２ＮＯ₂）。次いで生成されたＮＯ₂の一部は白金Ｐｔ上で酸化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら図４（Ａ）に示されるように硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形で吸収剤内に拡散する。このようにしてＮＯｘがＮＯｘ吸収剤１６内に吸収される。
【００１８】
流入排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔの表面でＮＯ₂が生成され、吸収剤のＮＯｘ吸収能力が飽和しない限りＮＯ₂が吸収剤内に吸収されて硝酸イオンＮＯ₃ ^-が生成される。これに対して流入排気ガス中の酸素濃度が低下してＮＯ₂の生成量が低下すると反応が逆方向（ＮＯ₃ ^-→ＮＯ₂）に進み、斯くして吸収剤内の硝酸イオンＮＯ₃ ^-がＮＯ₂の形で吸収剤から放出される。即ち、流入排気ガス中の酸素濃度が低下するとＮＯｘ吸収剤１６からＮＯｘが放出されることになる。この場合、燃焼室３内における平均空燃比のりーンの度合が低くなれば流入排気ガス中の酸素濃度が低下し、従って燃焼室３内における平均空燃比のリーンの度合を低くすればたとえ燃焼室３内における平均空燃比がリーンであってもＮＯｘ吸収剤１６からＮＯｘが放出されることになる。
【００１９】
一方、このとき燃焼室３内における平均空燃比をリッチにすると機関からは多量の未燃ＨＣ，ＣＯが排出され、これら未燃ＨＣ，ＣＯは白金Ｐｔ上の酸素Ｏ₂−と反応して酸化せしめられる。また、燃焼室３内における平均空燃比がリッチになると排気ガス中の酸素濃度が極度に低下するために吸収剤からＮＯ₂が放出され、このＮＯ₂は図４（Ｂ）に示されるように未燃ＨＣ，ＣＯと反応して還元せしめられる。このようにして白金Ｐｔの表面上にＮＯ₂が存在しなくなると吸収剤から次から次へとＮＯ₂が放出される。従って燃焼室３内における平均空燃比をリッチにすると短時間のうちにＮＯｘ吸収剤１６からＮＯｘが放出されることになる。
【００２０】
即ち、燃焼室３内における平均空燃比をリッチにするとまず始めに未燃ＨＣ，ＣＯが白金Ｐｔ上のＯ₂ ^-とただちに反応して酸化せしめられ、次いで白金Ｐｔ上のＯ₂ ^-が消費されてもまだ未燃ＨＣ，ＣＯが残っていればこの未燃ＨＣ，ＣＯによって吸収剤から放出されたＮＯｘおよび機関から排出されたＮＯｘが還元せしめられる。従って燃焼室３内における平均空燃比をリッチにすれば短時間のうちにＮＯｘ吸収剤１６に吸収されているＮＯｘが放出され、しかもこの放出されたＮＯｘが還元されるために大気中にＮＯｘが排出されるのを阻止することができることになる。また、ＮＯｘ吸収剤１６は還元触媒の機能を有しているので燃焼室３内における平均空燃比を理論空燃比にしてもＮＯｘ吸収剤１６から放出されたＮＯｘが還元せしめられる。しかしながら燃焼室３内における平均空燃比を理論空燃比にした場合にはＮＯｘ吸収剤１６からＮＯｘが徐々にしか放出されないためにＮＯｘ吸収剤１６に吸収されている全ＮＯｘを放出させるには若干長い時間を要する。
【００２１】
上述したようにディーゼル機関では通常燃焼室３内における平均空燃比がリーンとなっているので機関が運転されるとＮＯｘがＮＯｘ吸収剤１６に吸収される。しかしながらＮＯｘ吸収剤１６のＮＯｘ吸収能力には限度があり、ＮＯｘ吸収剤１６のＮＯｘ吸収能力が飽和すればＮＯｘ吸収剤１６はもはやＮＯｘを吸収しえなくなる。従ってＮＯｘ吸収剤１６のＮＯｘ吸収能力が飽和する前にＮＯｘ吸収剤１６からＮＯｘを放出させる必要がある。そこで本発明による実施例ではＮＯｘ吸収剤１６に或る程度ＮＯｘが吸収された時点で燃焼室３内における平均空燃比をリッチにし、それによってＮＯｘ吸収剤１６からＮＯｘを放出させるようにしている。そこで次にＮＯｘ吸収剤１６からＮＯｘを放出するために燃焼室３内における平均空燃比をリッチにする方法について説明する。
【００２２】
機関低速運転時にアクセルペダル４０の踏込み量Ｌを変化させた場合のＥＧＲ制御弁２１の開度Ｓの変化が図５において破線で示されている。前述したようにＥＧＲ制御弁２１は機関低負荷運転時（図５の領域Ｉ）には全開せしめられ、機関高負荷運転時（図５の領域III）には全開せしめられ、機関中負荷運転時（図５の領域II）には機関負荷が増大するほど開度Ｓが減少せしめられることがわかる。一方、吸気制御弁１２は図５において破線で示されるように機関の運転状態にかわらずに全開状態に保持されている。
【００２３】
一方、図５において実線はＮＯｘ吸収剤１６からＮＯｘを放出すべく燃焼室３内における平均空燃比をリッチにする場合を示している。図５からわかるように燃焼室３内における平均空燃比をリッチにする場合には吸気制御弁１２がΔθだけ閉弁せしめられると共にＥＧＲ制御弁２１が開度ＳがΔＳだけ増大せしめられ、図５に示してはいないが同時に燃料噴射量ＱがΔＱだけ増大せしめられる。即ち、吸気制御弁１２を閉弁すれば燃焼室３内に供給される吸入空気量が減少するために燃焼室３内における平均空燃比は小さくなり、ＥＧＲ制御弁２１の開度Ｓを大きくすればＥＧＲガス量が増大して吸入空気量が減少するために燃焼室３内における平均空燃比は小さくなり、また燃料噴射量Ｑが増大せしめられれば当然のことながら燃焼室３内の平均空燃比が小さくなる。従って本発明では吸気制御弁１２、ＥＧＲ制御弁２１および燃料噴射量Ｑの三者を制御することにより燃焼室３内における平均空燃比をリッチにするようにしている。
【００２４】
ところでディーゼル機関では吸入空気量を減少させることによって燃焼室３内における平均空燃比をリッチにすると燃焼が悪化するために機関の出力トルクが低下する。従って吸入空気量を減少させることにより燃焼室３内における平均空燃比をリーンからりッチに切換えるとショックが発生することになる。そこで本発明による実施例では吸入空気量を減少させることにより燃焼室３内における平均空燃比をリーンからリッチに切換えるときには吸入空気量の減少による機関出力トルクの低下分だけ機関出力トルクを増大させるのに必要な追加燃料量ΔＱを算出し、この追加燃料量ΔＱだけ噴射燃料量を増量させるようにしている。このようにすると燃焼室３内における平均空燃比がリーンからリッチに切換えられても機関の出力トルクは変化せず、斯くしてショックが発生するのを阻止することができることになる。
【００２５】
次に図５を参照しつつ平均空燃比のリッチ制御についてもう少し詳しく説明する。図５に示されるように機関低負荷運転時ＩにはＥＧＲ制御弁２１は全開せしめられており、従ってこのときにはＥＧＲ制御弁２１を制御することによって燃焼室３内における平均空燃比を小さくすることはできない。従ってこのときには吸気制御弁１２の開度θを全開状態からΔθだけ減少せしめ、同時に燃料噴射量ＱをΔＱだけ増大せしめることによって燃焼室３内における平均空燃比がリーンからリッチに切換えられる。この燃料噴射量Ｑの増量分ΔＱは吸気制御弁１２の閉弁作用による機関出力トルクの低下分だけ機関出力トルクを増大させるのに必要な量であり、従って上述したように燃焼室３内における平均空燃比がリーンからりッチに切換えられてもショックが発生しないことになる。
【００２６】
一方、機関高負荷運転時IIIには空気過剰率は小さく、従ってこのときにはＥＧＲガス量のみを制御することによって燃焼室３内における平均空燃比をリーンからリッチに切換えることができる。従ってこのときには吸気制御弁１２を全開状態に保持した状態でＥＧＲ制御弁２１を開弁させると共に燃料噴射量ＱをΔＱだけ増加することによって燃焼室３内における平均空燃比をリーンからリッチに切換えるようにしている。なお、このときの燃料噴射量Ｑの増量分ΔＱはＥＧＲ制御弁２１の開弁作用による機関出力トルクの低下分だけ機関出力トルクを増大させるのに必要な量である。
【００２７】
一方、機関中負荷運転時IIには吸気制御弁１２がΔθだけ閉弁せしめられ、ＥＧＲ制御弁２１の開度ＳがΔＳだけ増大せしめられ、燃料噴射量ＱがΔＱだけ増大せしめられる。このときの燃料噴射量Ｑの増量分ΔＱは吸気制御弁１２の閉弁作用およびＥＧＲ制御弁２１の開弁作用による機関出力トルクの低下分だけ機関出力トルクを増大させるのに必要な量である。
【００２８】
ＮＯｘ吸収剤１６からＮＯｘを放出すべきときのＥＧＲ制御弁２１の開弁量ΔＳ、吸気制御弁１２の閉弁量Δθおよび燃料噴射量Ｑの増量分ΔＱは予め実験により求められ、夫々アクセルペダル４０の路込み量Ｌおよび機関回転数Ｎの関数として図６（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００２９】
ところで前述したようにＮＯｘ吸収剤１６からはＮＯｘ吸収能力が飽和する前にＮＯｘを放出させる必要がある。そのためにはＮＯｘ吸収剤１６にどの程度のＮＯｘが吸収されているかを推定する必要があり、次にこのＮＯｘ吸収量の推定方法について説明する。燃焼室３内における平均空燃比がリーンであるときには機関負荷が高くなるほど単位時間当り機関から排出されるＮＯｘ量が増大するために単位時間当りＮＯｘ吸収剤１６に吸収されるＮＯｘ量が増大し、また機関回転数が高くなるほど単位時間当り機関から排出されるＮＯｘ量が増大するために単位時短当りＮＯｘ吸収剤１６に吸収されるＮＯｘが増大する。従って単位時間当りＮＯｘ吸収剤１６に吸収されるＮＯｘ量は機関負荷と機関回転数の関数となる。この場合、機関負荷はアクセルペダル４０の踏込み量Ｌでもって代表することができるので単位時間当りＮＯｘ吸収剤１６に吸収されるＮＯｘ量はアクセルペダル４０の踏込み量Ｌと機関回転数Ｎの関数となる。従って本発明による実施例では単位時間当りＮＯｘ吸収剤１６に吸収されるＮＯｘ量ＮＯＸＡをアクセルペダル４０の踏込み量Ｌおよび機関回転数Ｎの関数として予め実験により求め、このＮＯｘ量ＮＯＸＡがＬおよびＮの関数として図７に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。なお、上述したように燃焼室３内における平均空燃比がリーンのときには単位時間当りのＮＯｘ吸収量がＮＯＸＡで表わされるのでＮＯｘ吸収剤１６に吸収されていると推定されるＮＯｘ量ΣＮＯＸは次式を用いて算出できることになる。
【００３０】
ΣＮＯＸ＝ΣＮＯＸ＋ＮＯＸＡ
図８は機関中速中負荷運転が継続して行われている場合を示している。図８に示されるように機関の運転が行われている間、ＮＯｘ吸収剤１６に吸収されていると推定されるＮＯｘ量ΣＮＯＸは徐々に増大する。本発明による実施例ではＮＯｘ量ΣＮＯＸが予め定められた許容値ＭＡＸを越えると燃焼室３内における平均空燃比が一時的にリーンからリッチに切換えられ、この間にＮＯｘ吸収剤１６に吸収されている全ＮＯｘがＮＯｘ吸収剤１６から放出される。なお、機関中速中負荷運転時に燃焼室３内における平均空燃比をリーンからリッチに切換える場合には前述したように図８に示される如くＥＧＲ制御弁２１の開度ＳがΔＳだけ増大せしめられ、吸気制御弁１２がΔθだけ閉弁せしめられ、燃料噴射量ＱがΔＱだけ増大せしめられる。
【００３１】
図９および図１０は燃料噴射の制御ルーチンを示しており、このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
図９および図１０を参照すると、まず初めにステップ９０において温度センサ１９により検出された排気ガス又はＮＯｘ吸収剤１６の温度が予め定められた温度ＴｏとＴ１の間であるか否かが判別される。Ｔ＜ＴｏのときにはＮＯｘ吸収剤１６の温度が低いと考えられ、このときにはＮＯｘ吸収剤１６が活性温度以下で、ＮＯｘ吸収剤１６にＮＯｘが吸収されなかったり、流入する排気ガスの空燃比をリッチにしてもＮＯｘ吸収剤１６からＮＯｘが良好にＮＯｘが放出還元されない。また、Ｔ＞Ｔ₁のときにはＮＯｘ吸収剤１６の温度が高くなりすぎてＮＯｘ吸収剤１６にＮＯｘが吸収されない。このような運転状態の時にはステップ９１に進んで通常のリーン運転し続ける第２の運転状態が実行される。具体的には、ステップ９１に進んで図２に示す関係から燃料噴射量Ｑが算出される。次いでステップ９２では図３に示す関係からＥＧＲ制御弁２１の開度Ｓが算出され、次いでステップ９３では吸気制御弁１２が全開せしめられる。次いでステップ９４ではカウント値Ｂが１だけインクリメントされ、次いでステップ９５ではカウント値Ｂが予め定められた期間Ｂ₀よりも大きくなったか否かが判別される。即ち、ＮＯｘ吸収剤１６に流入する排気ガスの空燃比がリーン状態を維持し続ける第２の運転状態であるか否かを判別している。従って、Ｂ＞Ｂ₀即ち第２の運転状態が続いたと判断してステップ９７に進むと許容値ＭＡＸは予め定められた通常の値ＭＡＸ₀よりもΔＭＡＸ分差し引くことでＮＯｘ放出フラグのセットを早めている。一方、Ｂ＜Ｂ₀の時には第２の運転状態が続いいないと判断してステップ９６に進んで許容値ＭＡＸは予め定められた通常の値ＭＡＸ₀のままとなっている。
【００３２】
ステップ９０においてＴ₁＞Ｔ＞Ｔｏであるときには、空燃比がリーン状態時に排気中のＮＯｘをＮＯｘ吸収剤に吸収し、吸収したＮＯｘ量が許容値を超えたと判断したときには吸収されたＮＯｘを放出還元するため空燃比をリッチとする再生操作を繰り返す第１の運転状態を実行するため、ステップ１００へ進む。このステップ１００ではＮＯｘ放出フラグがセットされているか否かが判別される。通常ＮＯｘ放出フラグはリセットされているのでステップ１０１に進み、ＮＯｘ量ΣＮＯＸが許容値ＭＡＸを越えたか否かが判別される。ΣＮＯＸ≦ＭＡＸのときにはステップ１０２に進んで図２に示す関係から燃料噴射量Ｑが算出される。次いでステップ１０３では図３に示す関係からＥＧＲ制御弁２１の開度Ｓが算出され、次いでステップ１０４では吸気制御弁１２が全開せしめられる。次いでステップ１０５では図７に示す関係からＮＯｘ吸収量ＮＯＸＡが算出され、次いでステップ１０６ではＮＯｘ量ΣＮＯＸ（＝ΣＮＯＸ＋ＮＯＸＡ）が算出される。従ってこのときには、即ち通常運転時には図２に示す量Ｑの燃料が噴射され、ＥＧＲ制御弁２１は図３に示す開度Ｓとされ、吸気制御弁１２は全開状態に保持される。
【００３３】
一方、ステップ１０１においてΣＮＯＸ＞ＭＡＸになったと判別されたときにはステップ１０９でＮＯｘ量ΣＮＯＸに定数Ｋを乗算することによって燃焼室３内における平均空燃比をリッチに維持すべき期間Ｃｏ（＝Ｋ・ΣＮＯＸ）が算出される。次いでステップ１１０に進む。なお、ＮＯｘ放出フラグがセットされると次の処理サイクル以後はステップ１００からステップ１１０にジャンプする。
【００３４】
ステップ１１０では図２に示す関係から燃料噴射量Ｑが算出され、図６（Ｃ）に示す関係から増量分ΔＱが算出される。次いでステップ１１１ではＱにΔＱを加算することによって最終的な燃料噴射量Ｑ（＝Ｑ＋ΔＱ）が算出される。なお、最終的な燃料噴射量Ｑ（＝Ｑ＋ΔＱ）で噴射することで、排気ガスの空燃比をリッチにしている。次いでステップ１１２では図３に示す関係からＥＧＲ制御弁２１の開度Ｓが算出され、図６（Ａ）に示す関係から開弁量ΔＳが算出される。次いでステップ１１３ではＳにΔＳを加算することによって最終的なＥＧＲ制御弁２１の開度Ｓ（＝Ｓ＋ΔＳ）が算出される。次いでステップ１１４では図６（Ｂ）に示す関係から吸気制御弁１２の閉弁量Δθが算出される。従ってこのとき燃料噴射量ＱはΔＱだけ増大せしめられ、ＥＧＲ制御弁２１の開度ＳはΔＳだけ開弁せしめられ、吸気制御弁１２はΔθだけ閉弁せしめられる。
【００３５】
次いでステップ１１５ではカウント値Ｃが１だけインクリメントされ、次いでステップ１１６ではカウント値Ｃがステップ１０９で算出された期間Ｃ₀よりも大きくなったか否かが判別される。Ｃ＞Ｃ₀になるとステップ１１７に進んでＮＯｘ放出フラグがリセットされ、ステップ１１８に進んでΣＮＯＸが零とされる。次いでステップ１１９においてカウント値Ｃが零とされる。さらに、ステップ１２０においてＭＡＸがＭＡＸ₀であるか否かが判別される。ＭＡＸがＭＡＸ₀より小さいと判別したときにはステップ１２１に進んでＭＡＸをインクリメントするとともにステップ１２２においてカウンタ値Ｂを零にリッセットする。次いで通常の運転状態に戻る。なお、燃料噴射の制御ルーチンを示した図９および図１０のタイムチャートを図１１に示す。横軸は時間、縦軸は空燃比及びＮＯｘ吸収剤出口側ＮＯｘ濃度となっている。
【００３６】
図９および図１０の燃料噴射の制御ルーチンでは許容値ＭＡＸを低くすることで空燃比をリッチにする頻度を多くしているが、それに限定されるものではなくステップ９７の（ＭＡＸ＝ＭＡＸ₀−ΔＭＡＸ）を（Ｃ₀＝Ｃ₁＋ΔＣ）に、ステップ９６の（ＭＡＸ＝ＭＡＸ₀）を（Ｃ₀＝Ｃ₁）に、ステップ１２０の（ＭＡＸ＝ＭＡＸ₀）を（Ｃ₀＝Ｃ₁）に、ステップ１２１の（ＭＡＸ＝ＭＡＸ₀＋１）を（Ｃ₀＝Ｃ₁−１）に変更することによって空燃比をリッチにする時間を長くすることも考えられる。また、ステップ９７の（ＭＡＸ＝ＭＡＸ₀−ΔＭＡＸ）を（ΔＱ＝ΔＱ₁＋ΔＱ₂）に、ステップ９６の（ＭＡＸ＝ＭＡＸ₀）を（ΔＱ＝ΔＱ₁）に、ステップ１２０の（ＭＡＸ＝ＭＡＸ₀）を（ΔＱ＝ΔＱ₁）に、ステップ１２１の（ＭＡＸ＝ＭＡＸ₀＋１）を（ΔＱ＝ΔＱ₁−１）に変更することによって空燃比をリッチにするリッチ度合いを大きくすることも考えられる。さらには、排気ガスの平均空燃比をリッチにする装置、手段としては上記実施形態に限られるものではなく、ＮＯｘ吸収剤１６の上流側排気管に還元剤を添加する添加装置を設け、この添加装置から還元剤を添加することによって排気ガスの平均空燃比をリッチにすることができる。また、本発明はディーゼルエンジンに限定されるものではなく、排出される排気ガスが酸素過剰となるガソリンエンジンであってもよく、その場合第２の運転状態としては減速時燃料カットが継続して行われた場合となる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明では、ＮＯｘ吸収剤に流入する排気ガスの空燃比がリーン状態を維持し続ける第２の運転状態から空燃比がリーン状態時に排気中のＮＯｘをＮＯｘ吸収剤に吸収し、吸収したＮＯｘ量が許容値を超えたと判断したときには吸収されたＮＯｘを放出還元するため空燃比をリッチとする第１の運転状態へ切り換わった後でも、ＮＯｘ吸収剤に吸収したＮＯｘを全て放出還元することができる。また、切換え時吸収しているＮＯｘをほぼ全量放出し、還元浄化することが可能となるため、切換え後の未浄化のＮＯｘの放出や再生操作のタイミングのずれにより排気性状が悪化することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ディーゼル機関の全体図である。
【図２】燃料噴射量Ｑを示す図である。
【図３】ＥＧＲ制御弁の開度Ｓを示す図である。
【図４】ＮＯｘの吸放出作用を説明するための図である。
【図５】ＥＧＲ制御弁の開度Ｓ及び吸気制御弁の開度θを示す図である。
【図６】開度ΔＳ、Δθ及び増量分ΔＱのマップを示す図である。
【図７】ＮＯｘ吸収量ＮＯＸＡのマップを示す図である。
【図８】ＮＯｘ放出制御のタイムチャートである。
【図９】燃料噴射を制御するためのフローチャートである。
【図１０】燃料噴射を制御するためのフローチャートである。
【図１１】本発明のＮＯｘ放出タイミングを示すタイムチャートである。
【符号の説明】
４…燃料噴射弁
１２…吸気制御弁
１６…ＮＯｘ吸収剤
２１…ＥＧＲ制御弁

Claims

流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘを吸収しリッチ空燃比雰囲気下で吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収剤を内燃機関の排気通路に配置し、前記ＮＯｘ吸収剤に吸収されたＮＯｘ量が許容値を超えたと判断したときには吸収されたＮＯｘを放出還元するために該ＮＯｘ吸収剤に流入する排気の空燃比をリッチとする第１の運転状態と、前記ＮＯｘ吸収剤の温度が該ＮＯｘ吸収剤にＮＯｘが吸収されない温度になる条件下で該ＮＯｘ吸収剤に流入する排気の空燃比をリーン状態に維持する第２の運転状態とを切り換え可能な内燃機関の排気浄化装置において、
前記第２の運転状態が所定期間以上続いた後に前記第１の運転状態が行われる場合には、第１の運転状態中の空燃比をリッチとする頻度、空燃比のリッチ時間、空燃比のリッチ度合いのパラメータの少なくとも１つを増大側に補正するリッチ補正手段を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
請求項１において、前記リッチ補正手段は、前記許容値を小さくすることにより、前記第１の運転状態中の空燃比をリッチとする頻度を高めることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。