JP4059189B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、詳細には流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯ_Xを吸着、吸収またはその両方により吸蔵し、流入する排気の空燃比がリッチのときに排気中の還元成分を用いて吸蔵したＮＯ_Xを還元浄化するＮＯ_X吸蔵還元触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。

この種のＮＯ_X吸蔵還元触媒を用いた内燃機関の排気浄化装置としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。

ＮＯ_X吸蔵還元触媒は吸蔵したＮＯ_X量が増大するにつれて、触媒に流入する排気中のＮＯ_XのうちＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されずに触媒を通過するＮＯ_Xの量が増大する。また、ＮＯ_X吸蔵還元触媒には吸蔵可能な最大ＮＯ_X量（飽和ＮＯ_X量）が存在し、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量が飽和ＮＯ_X量まで増大するとＮＯ_X吸蔵還元触媒はそれ以上排気中のＮＯ_Xを吸蔵できなくなり、排気中のＮＯ_Xは触媒に吸蔵されることなくそのまま触媒を通過して下流側に排出されるようになるため、ＮＯ_X浄化率が低下する。

特許文献１の装置では、これを防止するためにリーン排気を供給している間、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯ_X量（ＮＯ_X吸蔵量）を推定し、推定したＮＯ_X吸蔵量が予め定めた量に到達する毎に、ＮＯ_X吸蔵還元触媒にリッチ空燃比の排気を供給し、吸蔵したＮＯ_Xを還元浄化する再生操作を行っている。再生操作を行うことにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量はほぼゼロまで減少し、触媒のＮＯ_X浄化率が回復する。

特許文献１では、上記のＮＯ_X吸蔵量の推定に際してＮＯ_Xカウンタを使用した推定を行っている。
すなわち、特許文献１では、機関がリーン空燃比で運転されている時に回転数、負荷などの機関運転条件に基づいて機関の単位時間当たりＮＯ_X発生量を推定し、この単位時間当たりＮＯ_X発生量に所定の割合を乗じた値をＮＯ_Xカウンタ増分として算出する。そして、単位時間毎にＮＯ_Xカウンタの値を上記カウンタ増分だけ増大させている。特許文献１の装置では、上記操作によりリーン空燃比運転中にＮＯ_X吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯ_X量に対応する量だけＮＯ_Xカウンタが増大するようにしている。

また、特許文献１の装置ではリッチ排気をＮＯ_X吸蔵還元触媒に供給してＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生操作を行う際に、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の温度やＮＯ_Xの浄化の際に還元剤として働く排気中の未燃ＨＣ、ＣＯ等（以下、「還元剤成分等」と言う）の量等の再生操作の条件に基づいて単位時間当たりにＮＯ_X吸蔵還元触媒から放出されるＮＯ_X量を推定する。そして、この値を単位時間当たりのＮＯ_Xカウンタ減量分として用い、再生操作実行中に単位時間毎にＮＯ_Xカウンタの値を上記減量分だけ低減する。

これにより、ＮＯ_Xカウンタの値はＮＯ_X吸蔵中、再生操作中を問わず実際のＮＯ_X吸蔵量に対応することとなり、実際のＮＯ_X吸蔵量に対応した適切なタイミングで再生操作を実行することが可能となる。

特開平７−１３９３４０号公報 特開２０００−３８９４２号公報 特開２０００−１１０６１６号公報

特許文献１の装置では、ＮＯ_X吸蔵還元触媒からのＮＯ_Xの放出速度がＮＯ_X吸蔵還元触媒の温度や再生操作時の排気中の還元剤成分等の条件に応じて変化することに着目し、再生操作時のＮＯ_Xカウンタの減少速度を一律に設定するのではなく上記再生条件に応じて変化させており、それによってＮＯ_Xカウンタの値がより正確に実際のＮＯ_X吸蔵量を表すようにしている。

ところが、特許文献１の装置では、機関のリーン空燃比運転中にＮＯ_X吸蔵還元触媒が単位時間当たりに吸蔵するＮＯ_X量は機関が単位時間毎に発生するＮＯ_X量に所定の割合を乗じた値として設定しており、排気中のＮＯ_X量のうちＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されるＮＯ_X量をＮＯ_X浄化率と定義するなら、リーン空燃比運転中にはＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X浄化率は一定であると仮定している。

しかし、後に詳述するように、ＮＯ_X吸蔵還元触媒が吸蔵可能なＮＯ_X量（飽和ＮＯ_X量）は触媒に流入する排気中のＮＯ_X成分濃度に大きく影響を受けて変化することがその後の研究で判明している。飽和ＮＯ_X量が増大した場合には、同一のＮＯ_X吸蔵量であっても触媒にはＮＯ_Xが吸蔵されやすくなる。この結果、飽和ＮＯ_X量が増大すると流入するＮＯ_X量が同一であり、しかも触媒のＮＯ_X吸蔵量が同一であっても単位時間当たりにＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されるＮＯ_X量（ＮＯ_X吸蔵速度）は大きくなる。また、逆に流入排気のＮＯ_X濃度が低下すると、流入するＮＯ_X量と触媒のＮＯ_X吸蔵量が同一であってもＮＯ_X吸蔵還元触媒の飽和ＮＯ_X量は小さくなる。

このため、特許文献１の装置のようにリーン空燃比ではＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X浄化率を一律に設定していると、推定したＮＯ_X吸蔵量が実際の吸蔵量と異なる値になり、真のＮＯ_X吸蔵量に応じた適切な再生操作を実行することが困難になる問題が生じ、ＮＯ_X吸蔵量の増大により未浄化ＮＯ_Xが触媒下流に排出される場合もある。

本発明は上記従来技術の問題に鑑み、より正確にＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量を推定することにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵能力低下による未浄化ＮＯ_Xの排出を未然に防止するとともに、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵状態に応じた適切な再生操作を実行することを可能とする内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明によれば、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯ_Xを吸着、吸収またはその両方により吸蔵し、流入する排気の空燃比がリッチのときに排気中の還元成分を用いて吸蔵したＮＯ_Xを還元浄化するＮＯ_X吸蔵還元触媒と、機関の運転状態に基づいて、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯ_X量を推定する推定手段とを備えた内燃機関の排気浄化装置であって、更に、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気中のＮＯ_X成分濃度を検出するＮＯ_X濃度検出手段と、前記ＮＯ_X濃度検出手段で検出したＮＯ_X吸蔵還元触媒入口ＮＯ_X成分濃度に基づいて、前記推定手段の推定したＮＯ_X吸蔵量を補正する補正手段と、を備えた、内燃機関の排気浄化装置が提供される。

請求項２に記載の発明によれば、前記推定手段は、前記ＮＯ_X濃度検出手段で検出したＮＯ_X吸蔵還元触媒入口ＮＯ_X成分濃度が増大した場合には、前記推定手段の推定したＮＯ_X吸蔵量を増大補正する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。

請求項３に記載の発明によれば、前記推定手段は、前記ＮＯ_X濃度検出手段で検出したＮＯ_X吸蔵還元触媒入口ＮＯ_X成分濃度が減少した場合には、前記推定手段の推定したＮＯ_X吸蔵量を減少補正する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。

すなわち、請求項１から３の発明では、推定手段は、例えば特許文献１と同様なＮＯ_Xカウンタ等を用いて機関の運転状態に基づいてＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量を推定する。しかし前述のように、実際にはＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量は機関の運転状態（ＮＯ_X発生量、空燃比等）に基づいただけでは一律に算出することはできず、排気中のＮＯ_X成分濃度に応じて変化する。

例えば、触媒に流入する排気中のＮＯ_X濃度が高くなると、それにつれてＮＯ_X吸蔵還元触媒が吸蔵可能なＮＯ_X量（飽和ＮＯ_X量）も増大し、ＮＯ_X吸蔵還元触媒は排気中のＮＯ_Xを吸収しやすくなり、単位時間当たりに吸蔵されるＮＯ_X量が増大する。このため、他の条件が同一でも排気中のＮＯ_X濃度が高くなるとＮＯ_X吸蔵量は他の場合より大きくなる。

また、逆に流入排気中のＮＯ_X濃度が低くなると、それにつれて触媒の飽和ＮＯ_X量は小さくなりＮＯ_X吸蔵還元触媒にＮＯ_Xが吸蔵されにくくなる。このため、流入排気中のＮＯ_X濃度が低くなると、他の条件が同一でも単位時間当たりにＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されるＮＯ_Xの量が低下し、触媒に吸蔵されずに通過するＮＯ_X量が増大する。すなわち、排気中のＮＯ_X濃度が低下するとＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量の増大速度は低下するとともに出口排気中のＮＯ_X量は増大する。

従って、ＮＯ_Xカウンタ等を用いてＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量を推定する際には流入排気のＮＯ_X成分濃度を考慮せずにＮＯ_X吸蔵速度を一律に設定していると、推定した吸蔵量と実際の吸蔵量との間に差が生じてしまう。

請求項１から３の発明では、推定手段が推定した推定吸蔵量を流入排気のＮＯ_X濃度に基づいて、たとえばＮＯ_X濃度が高いときには吸蔵量の増大速度が大きく、ＮＯ_X濃度が低いときには増大速度が小さくなるように補正する。これにより、ＮＯ_Xカウンタの値は現在吸蔵されているＮＯ_X量に正確に対応するようになる。

請求項４に記載の発明によれば、更に、前記補正後のＮＯ_X吸蔵量推定値が予め定めた値以上になったときに、ＮＯ_X吸蔵還元触媒にリッチ空燃比の排気を供給する再生手段を備えた、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。

すなわち、請求項４の発明では請求項１から３の方法でＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量を推定し、この推定値が所定の値以上になったときに再生操作を行う。このように、正確なＮＯ_X吸蔵量の推定値に基づいて再生操作を行うことにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量は常に正確に所定値以下に維持されるようになり、ＮＯ_X吸蔵量の増大によるＮＯ_X吸蔵還元触媒の浄化能力の低下が確実に防止される。

請求項５に記載の発明によれば、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯ_Xを吸着、吸収またはその両方により吸蔵し、流入する排気の空燃比がリッチのときに排気中の還元成分を用いて吸蔵したＮＯ_Xを還元浄化するＮＯ_X吸蔵還元触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気中のＮＯ_X成分濃度を検出するＮＯ_X濃度検出手段と、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比を検出する空燃比検出手段とを備え、前記空燃比検出手段で検出した排気空燃比が、予め定めた特定リーン空燃比領域内に移行したときに、前記ＮＯ_X濃度検出手段により検出されたＮＯ_X成分濃度が低下した場合には、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比を前記特定リーン空燃比領域外の空燃比に変更する、内燃機関の排気浄化装置が提供される。

請求項６に記載の発明によれば、前記特定リーン空燃比領域は、理論空燃比から空燃比２０までの空燃比領域である、請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。

すなわち、請求項５と６に記載の発明では流入排気空燃比が特定のリーン空燃比領域に入り、しかも流入排気中のＮＯ_X成分濃度が低下したときには空燃比を上記特定のリーン空燃比領域外の空燃比に変更する。

特定の空燃比領域、例えば理論空燃比から２０程度の空燃比領域では機関のＮＯ_X発生量が増大し触媒に流入する排気中のＮＯ_X成分量が増大する。また、この領域では排気中の還元成分等の量は少ないためＮＯ_X吸蔵還元触媒上では排気中のＮＯ_Xを浄化することはできない。従って、この空燃比領域の排気が流入したときに、ＮＯ_X吸蔵還元触媒がＮＯ_Xを吸蔵しにくい状態になっていると排気中のＮＯ_Xの大部分が触媒に吸蔵されず未浄化のままで触媒下流側に流出してしまう可能性がある。

また、前述のようにＮＯ_X吸蔵還元触媒の飽和ＮＯ_X量は流入排気のＮＯ_X濃度が高いほど大きいため、ＮＯ_X成分濃度が低下するとＮＯ_X吸蔵還元触媒は排気中のＮＯ_Xを吸蔵しにくくなる。
このため、特定空燃比領域での運転とＮＯ_X成分濃度の低下とが同時に生じると比較的多量のＮＯ_Xが未浄化のまま触媒を通過してしまう可能性が高くなる。

このため、請求項５と請求項６との発明では流入排気の空燃比が特定のリーン空燃比領域内に移行したときに、流入排気のＮＯ_X成分濃度が低下した場合には、排気空燃比を前記特定リーン空燃比領域外の空燃比、例えば理論空燃比やリッチ空燃比に変更することにより未浄化のＮＯ_Xが触媒下流側に排出されること防止している。

各請求項に記載の発明によれば、より正確にＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量を推定することにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量の増大による未浄化ＮＯ_Xの排出を未然に防止するとともに、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵状態に応じた適切な再生操作を実行することを可能とする共通の効果を奏する。

以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明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説明する図である。

図１において、１は自動車用内燃機関を示す。本実施形態では、機関１は＃１から＃４の４つの気筒を備えた４気筒ガソリン機関とされ、＃１から＃４気筒には直接気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁１１１から１１４が設けられている。後述するように、本実施形態の内燃機関１は、理論空燃比より高い（リーンな）空燃比で運転可能なリーンバーンエンジンとされている。

また、本実施形態では＃１から＃４の気筒は互いに点火時期が連続しない２つの気筒からなる２つの気筒群にグループ分けされている。（例えば、図１の実施形態では、気筒点火順序は１−３−４−２であり、＃１、＃４の気筒と＃２、＃３の気筒とがそれぞれ気筒群を構成している。）また、各気筒の排気ポートは気筒群毎に排気マニホルドに接続され、気筒群毎の排気通路に接続されている。

図１において、２１ａは＃１、＃４気筒からなる気筒群の排気ポートを個別排気通路２ａに接続する排気マニホルド、２１ｂは＃２、＃４気筒からなる気筒群の排気ポートを個別排気通路２ｂに接続する排気マニホルドである。本実施形態では、個別排気通路２ａ、２ｂ上には、三元触媒からなるスタートキャタリスト（以下「ＳＣ」と呼ぶ）５ａと５ｂがそれぞれ配置されている。また、個別排気通路２ａ、２ｂはＳＣ下流側で共通の排気通路２に合流している。

共通排気通路２上には、後述するＮＯ_X吸蔵還元触媒７をケーシングに収納したコンバータ７０が配置されている。
また、図１に３１で示すのは、排気通路２のコンバータ７０入口側に配置された、排気中のＮＯ_X成分の濃度を検出するＮＯ_Xセンサである。

更に、図１に３０で示すのは機関１の電子制御ユニット（ＥＣＵ）である。ＥＣＵ３０は、本実施形態ではＲＡＭ、ＲＯＭ、ＣＰＵを備えた公知の構成のマイクロコンピュータとされ、機関１の点火時期制御や燃料噴射制御等の基本制御を行っている。また、本実施形態では、ＥＣＵ３０は上記の基本制御を行う他に後述するように機関運転状態に応じてＮＯ_Xカウンタを積算するとともに、ＮＯ_Xセンサ３１で検出したコンバータ７０入口の排気ＮＯ_X成分濃度に基づいて、上記ＮＯ_Xカウンタの積算値を補正することにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＮＯ_X吸蔵量を推定するＮＯ_X吸蔵量推定操作を行う。

また、ＥＣＵ３０は、リーン空燃比運転中に上記推定したＮＯ_X吸蔵量が予め定めた所定値に到達する毎に筒内噴射弁１１１から１１４の燃料噴射量を変更して、短時間機関をリッチ空燃比で運転するリッチスパイク操作を行う。

これらの制御を行うため、ＥＣＵ３０の入力ポートには、図示しない機関吸気マニホルドに設けられた吸気圧センサ３３から機関の吸気圧力に対応する信号と、機関クランク軸（図示せず）近傍に配置された回転数センサ３５から機関回転数に対応する信号、機関１のアクセルペダル（図示せず）近傍に配置したアクセル開度センサ３７から運転者のアクセルペダル踏込み量（アクセル開度）を表す信号、がそれぞれ入力されている他、ＮＯ_Xセンサ３１からＮＯ_X吸蔵還元触媒７入口での排気ＮＯ_X濃度が入力されている。
また、ＥＣＵ３０の出力ポートは、各気筒への燃料噴射量と燃料噴射時期を制御するために、図示しない燃料噴射回路を介して各気筒の燃料噴射弁１１１から１１４に接続されている。

次に、本実施形態のＮＯ_X吸蔵還元触媒７について説明する。
本実施形態のＮＯ_X吸蔵還元触媒７は、例えばハニカム状に形成したコージェライト等の担体を用いて、この担体表面にアルミナのコーティングを形成し、アルミナ層上に、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 、セリウムＣｅ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つの成分と、白金Ｐｔのような貴金属とを担持させたものである。ＮＯ_X吸蔵還元触媒は流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに、排気中のＮＯ_X（ＮＯ₂、ＮＯ）を硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形で吸収し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯ_Xを放出するＮＯ_Xの吸放出作用を行う。

例えば、機関１がリーン空燃比で運転されＮＯ_X吸蔵還元触媒７に流入する排気がリーン空燃比である場合には、排気中のＮＯ_X（ＮＯ）は例えば白金Ｐｔ上で酸化されてＮＯ₂になり、更に酸化されて硝酸イオンを生成する。この硝酸イオンは、例えば吸収剤としてＢａＯが使用されている場合には吸収剤中に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら硝酸イオンＮＯ₃ ^-の形で吸収剤内に拡散する。このため、リーン雰囲気下では排気中のＮＯ_XがＮＯ_X吸収剤内に硝酸塩の形で吸蔵されるようになる。

また、流入排気中の酸素濃度が大幅に低下すると（すなわち、排気の空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比になると）、白金Ｐｔ上での硝酸イオンの生成量が減少するため、反応が逆方向に進むようになり、吸収剤内の硝酸イオンＮＯ₃ ^-はＮＯ₂の形で吸収剤から放出されるようになる。この場合、排気中にＣＯやＨ₂等の還元剤として機能する成分やＨＣ成分（以下、還元成分等）が存在すると白金Ｐｔ上でこれらの成分によりＮＯ₂が還元される。

ところで、ＮＯ_X吸蔵還元触媒が吸蔵可能なＮＯ_X量には上限（飽和ＮＯ_X量）が存在する。また、流入排気中のＮＯ_XのうちＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されるものの割合、すなわちＮＯ_Xの浄化率はＮＯ_X吸蔵還元触媒内に吸蔵されたＮＯ_X量が増大するにつれて、すなわち触媒のＮＯ_X吸蔵量が飽和ＮＯ_X量に近づくにつれて低下し、未浄化のまま触媒を通過するＮＯ_Xの割合が増加する。そして、ＮＯ_X吸蔵量が飽和ＮＯ_X量に到達するとＮＯ_X吸蔵還元触媒は全くＮＯ_Xを吸蔵することができなくなり、流入する排気中のＮＯ_Xはその全量が未浄化のまま触媒を通過するようになる。

本実施形態では、ＮＯ_X吸蔵量の増大によるＮＯ_X浄化率の低下を防止するために、以下に説明する方法でＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵したＮＯ_X量を推定し、この推定ＮＯ_X吸蔵量が予め定めた値に到達する毎に機関１を短時間リッチ空燃比で運転するリッチスパイク操作（再生操作）を行う。これにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒にはリッチ空燃比の排気が供給され、ＮＯ_X吸蔵還元触媒からは吸蔵ＮＯ_Xが放出され、還元浄化される。この再生操作によりＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量は低下するため、触媒のＮＯ_X浄化率が回復する。
しかし、適切なタイミングで再生操作を行うためには、ＮＯ_X吸蔵還元触媒が吸蔵したＮＯ_X量を正確に推定する必要がある。

本実施形態では、以下に説明する方法でＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵ＮＯ_X量を推定している。
すなわち、本実施形態では、ＥＣＵ３０はまず、前述の特許文献１に記載されたと同様な方法でＮＯ_Xカウンタの値を増減することによりＮＯ_X吸蔵還元触媒７が吸蔵しているＮＯ_X量を推定する。ＮＯ_X吸蔵還元触媒７に単位時間当たりに吸収されるＮＯ_Xの量はＮＯ_X吸蔵還元触媒に単位時間当たりに流入する排気中のＮＯ_X量、すなわち機関１で単位時間当たりに生成されるＮＯ_X量に比例すると考えられる。一方、機関で単位時間当たりに発生するＮＯ_Xの量は機関の運転条件、例えば機関負荷（燃料噴射量）と回転数とによって定まるため、機関運転条件が定まればＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されるＮＯ_X量を知ることができる。

本実施形態では、予め機関運転条件（機関負荷、回転数）を変えて機関が単位時間当たりに発生するＮＯ_X量（すなわち、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７に単位時間当たりに流入するＮＯ_X量）を実測し、例えば機関負荷（燃料噴射量）と機関回転数とを用いた数値マップの形でＥＣＵ３０のＲＯＭに格納している。

ＥＣＵ３０は一定時間毎（上記の単位時間毎）に機関負荷（燃料噴射量）と機関回転数とからこのマップを用いて単位時間当たりにＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入するＮＯ_X量を算出し、この流入ＮＯ_X量に所定の割合を乗じた値として単位時間当たりのＮＯ_X吸蔵量を算出する。
この単位時間当たりのＮＯ_X吸蔵量をＮＯ_Xカウンタに加算することによりＮＯ_Xカウンタの値は常にＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸収されているＮＯ_Xの量を表すようになるはずである。

ところが、実際にはこのように単にＮＯ_X発生量に所定の割合を乗じた量のＮＯ_XがＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されると仮定していると、実際に吸蔵されるＮＯ_X量を正確に推定することができないことが判明している。

すなわち、上記のようにＮＯ_X発生量に所定の割合を乗じた量のＮＯ_Xが単位時間内に吸蔵されると仮定した場合には、ＮＯ_X発生量が同一であれば常に同一速度でＮＯ_X吸蔵量が増大することになる。しかし、実際には触媒のＮＯ_X浄化率はＮＯ_X吸蔵還元触媒が吸蔵可能な最大ＮＯ_X量（飽和ＮＯ_X量）と実際のＮＯ_X吸蔵量とにより定まる。しかも、後述するように飽和ＮＯ_X量は触媒に流入する排気のＮＯ_X成分濃度に応じて増減する。

このため、たとえＮＯ_X発生量（触媒に流入するＮＯ_X量）と触媒のＮＯ_X吸蔵量が同一であったとしても、流入排気中のＮＯ_X濃度が変化すると、触媒のＮＯ_X吸蔵速度は変化してしまい、上記したように流入排気中のＮＯ_X濃度にかかわらずＮＯ_Xの吸蔵速度を一定と仮定していると推定したＮＯ_X吸蔵量が実際の値から大きく外れてしまう場合が生じるのである。

流入排気中のＮＯ_X濃度によりＮＯ_X吸蔵還元触媒の吸蔵可能な最大ＮＯ_X量（飽和ＮＯ_X量）が変化する理由は現在のところ明確には解明できていないが、触媒内部と外部のＮＯ_X濃度平衡のためではないかと考えられる。

すなわち、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵メカニズムで説明したように、排気中のＮＯ_XがＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されるためには、ＮＯ_Xが白金Ｐｔ上で酸化されて硝酸イオンとなり、この硝酸イオンが吸収剤ＢａＯ等と結合しながらＮＯ₃ ^-の形で吸収剤内に拡散する必要がある。

しかし、白金Ｐｔ上の硝酸イオンが吸収剤ＢａＯに吸収されるため、また吸収剤ＢａＯ表層に吸収された硝酸イオンが吸収剤内部に拡散するためには白金Ｐｔ上と吸収剤ＢａＯの表層、及び吸収剤ＢａＯ表層と内部との間に硝酸イオンの濃度勾配が生じている必要がある。

例えば、白金Ｐｔ上の硝酸イオン濃度が一定に維持されたとすると、硝酸イオンは吸収剤ＢａＯに吸収され、その表層から内部に拡散する。しかし、吸収を続けると次第に吸収剤ＢａＯ表層の硝酸イオン濃度が上昇し白金Ｐｔ上の硝酸イオン濃度との間の濃度差が縮小するため、白金Ｐｔから吸収剤ＢａＯに硝酸イオンが移動しにくくなる。また、更に吸収剤ＢａＯ表層と白金Ｐｔ上の硝酸イオンの濃度差が縮小すると、硝酸イオンは白金Ｐｔから吸収剤に移動しなくなる。すなわち、この状態では局所的にＮＯ_X吸蔵還元触媒が吸蔵ＮＯ_Xで飽和した状態になり、排気中のＮＯ_Xを吸蔵できなくなるのである。そして、このときのＮＯ_X吸蔵量が飽和ＮＯ_X量に相当する。

しかし、この局所的な飽和状態が生じていても白金Ｐｔ上の硝酸イオン濃度が更に上昇した場合には、白金Ｐｔと吸収剤ＢａＯとの間には再度硝酸イオンの濃度差が生じ、硝酸イオンが白金Ｐｔから吸収剤ＢａＯに移動するようになる。
すなわち、白金Ｐｔ上に生成される硝酸イオンの濃度は排気中のＮＯ_X濃度に比例すると考えられるため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の飽和ＮＯ_X量は触媒に流入する排気のＮＯ_X濃度に応じて増大するのである。

図２は、触媒入口のＮＯ_X濃度とＮＯ_X吸蔵還元触媒の飽和ＮＯ_X量との実測結果の一般的傾向を示す図である。図２に示すように、触媒入口排気ＮＯ_X濃度が増大するにつれて飽和ＮＯ_X量も概略直線的に増大する。

上述のように、ＮＯ_X吸蔵還元触媒の飽和ＮＯ_X量は流入排気のＮＯ_X濃度に応じて変化するが、単位時間内にＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されるＮＯ_X量も白金Ｐｔ上の硝酸イオン濃度と吸収剤ＢａＯ表層の硝酸イオン濃度との差が大きいほど大きくなる。このため、ＮＯ_X吸蔵量（吸収剤ＢａＯ表層のＮＯ_X濃度）が同一であっても、流入排気のＮＯ_X濃度が高いほどＮＯ_X吸蔵速度は大きくなるのである。

従って、例えば機関がＮＯ_X発生量同一の状態でリーン空燃比運転されていた場合に排気ＮＯ_X濃度が上昇したとすると、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵速度は増大しＮＯ_X濃度が上昇する前よりＮＯ_X吸蔵量の増大速度は大きくなる。

また、逆に排気ＮＯ_X濃度が低下した場合にはＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵速度は低下するようになる。また、この場合にはＮＯ_X濃度低下前に飽和ＮＯ_X量近くまでＮＯ_X吸蔵量が増大していた場合には、排気ＮＯ_X濃度の低下による飽和ＮＯ_X量の低下のために、飽和ＮＯ_X量を越えた分の吸蔵ＮＯ_Xが触媒から放出されるようになる。

本実施形態では、上記を考慮して触媒に流入する排気のＮＯ_X濃度の増減に応じてＮＯ_Xカウンタの値を補正することにより、正確にＮＯ_X吸蔵量を推定することを可能としている。

図３は、本実施形態におけるＮＯ_X吸蔵量推定操作を説明するフローチャートである。
図３の操作はＥＣＵ３０により一定時間間隔で実効されるルーチンとして行われる。
図３の操作では、まずステップ３０１で機関負荷（燃料噴射量）と機関回転数とが読み込まれる。本実施形態では燃料噴射量は、ＥＣＵ３０により別途実行される燃料噴射量算出操作により、アクセル開度センサ３７で読み込んだアクセル開度と回転数センサ３５で読み込んだ機関回転数とから、予めＥＣＵ３０のＲＯＭに格納された数値マップを用いて算出される。

次いでステップ３０３では、現在機関がリーン空燃比で運転されているか否かがステップ３０１で読み込んだ機関負荷、回転数から判定される。機関の運転空燃比は、機関負荷（燃料噴射量）と機関回転数とを用いた数値マップの形でＥＣＵ３０のＲＯＭに格納されている。ステップ３０３で現在機関がリーン空燃比運転されていない場合（すなわち、リッチまたは理論空燃比運転されている場合）には、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＮＯ_X吸蔵量は増大することはないため、ステップ３０５以下の操作は実行しないままで今回の操作は直ちに終了する。

ステップ３０３で現在機関がリーン空燃比運転されていた場合には、次にステップ３０５に進み、ステップ３０１で読み込んだ機関負荷と回転数とに基づいて、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に単位時間当たりに流入するＮＯ_X量（ｇ／秒）（すなわち、機関のＮＯ_X発生量）が算出される。

機関のＮＯ_X発生量ＮＡは、予め実際の機関を回転数と負荷を変えて運転し排気中のＮＯ_X量を計測することにより求められており、ＮＯ_X発生量と機関負荷、回転数との関係は、図４に示すグラフ（または数値マップ）の形でＥＣＵ３０のＲＯＭに格納されている。
図４に示すように、ＮＯ_X発生量ＮＡは、機関回転数が高くなるほど、また機関負荷が高くなるほど増大する。

そして、ステップ３０７ではＮＯ_XカウンタＣＴの値が、ステップ３０５で算出したＮＯ_X発生量ＮＡに所定の比率Ｋ（Ｋ＜１）を乗じた値だけ増大される。
ＮＯ_XカウンタＣＴは、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＮＯ_X吸蔵量に対応する値として用いられるが、ステップ３０７で算出したＮＯ_XカウンタＣＴの値は単に機関のＮＯ_X発生量に所定の比率を乗じた値を積算する事によって求められているため、前述したように流入排気中のＮＯ_X濃度変化による飽和ＮＯ_X量の変化を考慮していない。
そこで、図３の操作ではステップ３０９から３１９でＮＯ_XカウンタＣＴの値を流入排気ＮＯ_X量に基づいて補正する操作を行う。

すなわち、ステップ３０９では触媒流入排気中のＮＯ_X濃度ＮＲがＮＯ_Xセンサ３１から読み込まれ、ステップ３１１では本操作を前回実行したときよりＮＯ_X濃度ＮＲが上昇したか否かが判定される。ステップ３１１において、ＮＲ_i-1は前回本操作を実行したときにＮＯ_Xセンサ３１で検出した触媒流入排気中のＮＯ_X濃度である。また、αは検出誤差や微少な変動などによる誤判定を防止するための不感帯設定用の定数であり、比較的小さい値に設定されている。

ステップ３１１で、ＮＲ≧ＮＲ_i-1＋αであった場合、すなわち前回より触媒流入排気中のＮＯ_X濃度が上昇している場合には、前回よりＮＯ_X吸蔵還元触媒７の飽和ＮＯ_X量が増大しているため単位時間当たりにＮＯ_X吸蔵還元触媒７に吸蔵されるＮＯ_X量もステップ３０７で加算されたＫ・ＮＡより増大しているはずである。そこで、この場合にはステップ３１３に進み、補正量ΔＣＴを所定の一定値β（β＞０）に設定する。そして、ステップ３１９で、ステップ３０７で算出されたＮＯ_XカウンタＣＴの値にΔＣＴを加算する補正を行う。

また、ステップ３１１で、ＮＲ＜ＮＲ_i-1であった場合、すなわちＮＯ_X濃度ＮＲが増大していない場合には、ステップ３１５に進み、触媒流入排気ＮＯ_X濃度ＮＲが前回より低下しているか否かが判定される。ＮＲ_i-1及びαはステップ３１１で使用したものと同一である。
ステップ３１７で、ＮＲ≦ＮＲ_i-1−α、すなわち触媒流入排気ＮＯ_X濃度ＮＲが前回より低下していた場合にはステップ３１７に進み、補正量ΔＣＴの値を−βに設定してステップ３１９でＣＴにΔＣＴを加算する。
これにより、前回よりＮＯ_X濃度が上昇している場合にはＮＯ_XカウンタＣＴの値がβだけ増大補正され、低下している場合にはβだけＣＴの値が減少補正される。

なお、ステップ３１１、３１５でＮＯ_X濃度が上昇も低下もしていない場合、すなわち、ＮＲ_i-1−α＜ＮＲ＜ＮＲ_i-1＋αであった場合には、ΔＣＴの値は前回設定されたものを使用してステップ３１９の補正を行う。これにより、排気中のＮＯ_X濃度が上昇すると、次にＮＯ_X濃度が低下するまではＮＯ_Xカウンタの値は増大補正されるようになり、補正後のＮＯ_Xカウンタの値は流入排気中のＮＯ_X濃度の変化にかかわらず正確にＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量を表すようになる。

ステップ３２１、３２３は上記により推定したＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X吸蔵量に基づく再生操作実行要否の判断操作である。本実施形態では、上記により算出した補正後のＮＯ_Xカウンタの値が予め定めた判定値ＣＴ₀に到達する毎にリッチスパイク操作を行ってＮＯ_X吸蔵還元触媒を再生する。

すなわち、ステップ３２１でＮＯ_XカウンタＣＴの値が、ＣＴ≧ＣＴ₀になった場合には、ステップ３２３に進みフラグＲＳの値を１にセットする。フラグＲＳの値が１にセットされると、別途ＥＣＵ３０により実行されるリッチスパイク操作により、所定の時間機関がリッチ空燃比で運転され、ＮＯ_X吸蔵還元触媒７にはリッチ空燃比の排気が供給される。また、所定時間のリッチスパイク操作が終了すると、ＮＯ_XカウンタＣＴ及びその補正量ΔＣＴの値はゼロにセットされ、再度図３のＮＯ_X吸蔵量の推定操作が開始される。

なお、上記実施形態ではリッチスパイク操作は一定時間行われ、その後ＮＯ_XカウンタＣＴとその補正量ΔＣＴとの値は共にゼロにリセットされるが、前述の特許文献１の装置のように、リッチスパイク時のＮＯ_XカウンタＣＴをＮＯ_X吸蔵還元触媒温度やリッチスパイク操作中の排気中の過剰ＨＣ、ＣＯ成分量に応じた速度で減少させ、ＮＯ_Xカウンタの値が０になった時点でリッチスパイク操作を終了するようにしても良い。

またステップ３１３と３１７とでは補正量ΔＣＴ＝βは一定値に設定されているが、ＮＯ_X濃度の変化が大きければそれだけＮＯ_X吸蔵還元触媒の飽和ＮＯ_X量の変化も大きくなるため、例えばＮＯ_X濃度の変化量が大きいほどβの値を大きく設定する等のようにＮＯ_X濃度の変化幅に応じてＮＯ_Xカウンタ補正量ΔＣＴの値を設定するようにしても良い。

上述のように、本実施形態では触媒流入排気のＮＯ_X濃度に応じてＮＯ_Xカウンタの値を補正することによりＮＯ_X吸蔵還元触媒７のＮＯ_X吸蔵量を正確に推定し、更に推定したＮＯ_X吸蔵量に応じてＮＯ_X吸蔵還元触媒の再生操作を行っている。これにより、触媒のＮＯ_X吸蔵状態に応じた適切な再生操作を行うことが可能となる。

ところで、上記のように適切な再生操作を実行していても特定の条件下ではＮＯ_X吸蔵還元触媒７から流出するＮＯ_X量が増大する場合がある。例えば、機関が理論空燃比から空燃比２０程度までの空燃比領域（いわゆる弱リーン空燃比領域）で運転されているような場合には、機関のＮＯ_X発生量は他の空燃比領域における発生量よりかなり増大する。

このため、機関の運転空燃比が上記の弱リーン空燃比領域に移行したときに、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X飽和量が低下した場合には、比較的多量のＮＯ_Xが触媒を未浄化のまま通過する場合がある。従って、ＮＯ_X吸蔵還元触媒のＮＯ_X飽和量が低下する状況下、言い換えれば流入排気中のＮＯ_X濃度が低下するときには、上記弱リーン空燃比領域での機関の運転は避けることが好ましい。
そこで、本実施形態では図３の操作とは別に、触媒流入排気のＮＯ_X濃度に基づいて弱リーン空燃比運転の回避、すなわちＮＯ_X排出を防止制御を行っている。

図５は、本実施形態の上記したＮＯ_X排出防止制御操作を説明するフローチャートである。本操作は、ＥＣＵ３０により一定時間毎に実行されるルーチンとして行われる。
図５の操作では、ステップ５０１で機関負荷（燃料噴射量）、回転数などの機関運転条件が読み込まれ、ステップ５０３では現在の目標空燃比ＡＦＴが設定される。現在の目標空燃比は、ステップ５０１で読み込んだ機関運転条件に基づいて予め定めた関係に基づいて設定される。

そして、ステップ５０５ではステップ５０３で算出された現在の目標空燃比ＡＦＴが、特定空燃比範囲γ〜δに入っているか否かが判定される。空燃比γ及びδはそれぞれ理論空燃比と２０程度の空燃比に相当する空燃比であり、γ〜δは前述の弱リーン空燃比領域である。
ステップ５０５で、現在空燃比が弱リーン空燃比領域に入っていない場合には、ＮＯ_X排出防止操作を行う必要はないので、そのまま今回の操作を終了する。

ステップ５０５で、現在の目標空燃比ＡＦＴが弱リーン領域にあった場合には、次にステップ５０７で、前回の本操作実行時の目標空燃比ＡＦＴ_i-1が弱リーン空燃比領域よりリーンな空燃比であったか否か（すなわち、ＡＦＴ_i-1＞δか否か。ここで、δ≒２０。）が判定される。

ステップ５０７でＡＦＴ_i-1＞δであった場合には、すなわち、ＮＯ_X吸蔵還元触媒は前回の操作までＮＯ_Xを吸蔵しており、ＮＯ_X吸蔵量が比較的多くなっている可能性がある。そこで、この場合にはステップ５０９に進み、現在の触媒流入排気のＮＯ_X濃度ＮＲをＮＯ_Xセンサ３１から読み込み、ステップ５１１では、前回本操作実行時から排気ＮＯ_X濃度が低下したか否かを判断する。

ステップ５１１で、前回から排気ＮＯ_X濃度が低下していた場合（ＮＲ＜ＮＲ_i-1−α）には、機関運転空燃比が前回本操作実行時のリーン空燃比から今回実行時に弱リーン空燃比領域に移行し、しかも流入排気のＮＯ_X濃度が低下しているため、未浄化のＮＯ_XがＮＯ_X吸蔵還元触媒下流に流出しやすい状況になっている。
従って、この状態での弱リーン空燃比領域運転は回避する必要があるため、この場合にはステップ５１３でステップ５０３で設定された目標空燃比ＡＦＴを理論空燃比相当の空燃比ＡＦＳＴに書き換えて今回の操作を終了する。

なお、ステップ５０５、５０７、５１１のいずれか１つでも条件が成立しなかった場合には、ステップ５０３で設定した目標空燃比ＡＦＴは書き換えられることなくそのまま使用される。
図５の操作が行われ、ステップ５０３またはステップ５１３で目標空燃比ＡＦＴが設定されると、別途ＥＣＵ３０により実行される燃料噴射量設定操作では、設定された目標空燃比ＡＦＴが得られる量に各気筒の燃料噴射弁からの燃料噴射量が設定される。

これにより、排気空燃比がリーン空燃比から弱リーン空燃比領域に移行し、しかも触媒流入排気中のＮＯ_X濃度が低下した場合には排気空燃比が理論空燃比になるように機関の燃料噴射量が調節されるため、ＮＯ_X吸蔵還元触媒から未浄化のＮＯ_Xが下流側に流出することが防止される。

本発明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説明する図である。 ＮＯ_X吸蔵還元触媒の飽和ＮＯ_X量の触媒入口ＮＯ_X濃度による変化の一般的傾向を示す図である。 ＮＯ_X吸蔵量推定操作の一例を説明するフローチャートである。 機関運転条件によるＮＯ_X発生量の変化を説明する図である。 ＮＯ_X排出防止制御操作の例を説明するフローチャートである

符号の説明

１…機関本体
２…排気通路
７…ＮＯ_X吸蔵還元触媒
９…三元触媒
３０…ＥＣＵ（電子制御ユニット）
３１…ＮＯ_Xセンサ
７０…コンバータ

Claims (6)

1. 流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯ_Xを吸着、吸収またはその両方により吸蔵し、流入する排気の空燃比がリッチのときに排気中の還元成分を用いて吸蔵したＮＯ_Xを還元浄化するＮＯ_X吸蔵還元触媒と、
   機関の運転状態に基づいて、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯ_X量を推定する推定手段とを備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
   更に、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気中のＮＯ_X成分濃度を検出するＮＯ_X濃度検出手段と、
   前記ＮＯ_X濃度検出手段で検出したＮＯ_X吸蔵還元触媒入口ＮＯ_X成分濃度に基づいて、前記推定手段の推定したＮＯ_X吸蔵量を補正する補正手段と、
   を備えた、内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記推定手段は、前記ＮＯ_X濃度検出手段で検出したＮＯ_X吸蔵還元触媒入口ＮＯ_X成分濃度が増大した場合には、前記推定手段の推定したＮＯ_X吸蔵量を増大補正する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記推定手段は、前記ＮＯ_X濃度検出手段で検出したＮＯ_X吸蔵還元触媒入口ＮＯ_X成分濃度が減少した場合には、前記推定手段の推定したＮＯ_X吸蔵量を減少補正する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 更に、前記補正後のＮＯ_X吸蔵量推定値が予め定めた値以上になったときに、ＮＯ_X吸蔵還元触媒にリッチ空燃比の排気を供給する再生手段を備えた、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のＮＯ_Xを吸着、吸収またはその両方により吸蔵し、流入する排気の空燃比がリッチのときに排気中の還元成分を用いて吸蔵したＮＯ_Xを還元浄化するＮＯ_X吸蔵還元触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
   前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気中のＮＯ_X成分濃度を検出するＮＯ_X濃度検出手段と、ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気の空燃比を検出する空燃比検出手段とを備え、
   前記空燃比検出手段で検出した排気空燃比が、予め定めた特定リーン空燃比領域内に移行したときに、前記ＮＯ_X濃度検出手段により検出されたＮＯ_X成分濃度が低下した場合には、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒に流入する排気空燃比を前記特定リーン空燃比領域外の空燃比に変更する、内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記特定リーン空燃比領域は、理論空燃比から空燃比２０までの空燃比領域である、請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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