JP4238975B2 - ＮＯｘ吸蔵触媒の吸蔵量推定装置及び推定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＮＯｘ吸蔵触媒の吸蔵量推定装置及び推定方法に係り、詳しくは、ＮＯｘ吸蔵触媒の再生を行うにあたり、モデル式を用いてＮＯｘ吸蔵量を推定するＮＯｘ吸蔵触媒の吸蔵量推定装置及び推定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＮＯｘ吸蔵触媒は、排気空燃比が希薄（リーン）のときに排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を吸蔵し、排気空燃比が過濃（リッチ）のときに吸蔵したＮＯｘを放出還元する吸蔵型のＮＯｘ触媒である。
具体的には、酸素過剰状態（酸化雰囲気）において排ガス中のＮＯｘを硝酸塩として吸蔵し、この吸蔵したＮＯｘを一酸化炭素過剰状態（還元雰囲気）で窒素に還元させる特性を有している。
【０００３】
ここで、図６は、ＮＯｘ吸蔵触媒の性能を示す図であり、ＮＯｘ吸蔵触媒は、ＮＯｘ吸蔵量が少ないときにはＮＯｘ浄化率は高くなるのに対し、ＮＯｘ吸蔵量が多くなると、ＮＯｘ浄化率が急激に低くなる性能を有している。よって、エンジンは、ＮＯｘ吸蔵量が飽和する前に排気空燃比を理論空燃比又はその近傍値に制御する如くの空気過剰率が低い状態のリッチ運転と、空気過剰率が高い状態のリーン運転とを定期的に切り換えるリッチスパイクを行う。これにより、燃費悪化が生ずるものの、吸蔵したＮＯｘを放出還元させてＮＯｘ吸蔵触媒の再生が図られ、排ガスの浄化が良好に行われる。
【０００４】
このように、ＮＯｘ吸蔵触媒には再生が必要不可欠なものであるが、その再生では、燃費悪化を抑制させるためにリッチ運転を必要最小限度に抑えることが重要となる。よって、リッチ運転を必要最小限度に抑えるには、ＮＯｘ吸蔵量を正確に把握することが要求される。
ここで、上記ＮＯｘ吸蔵量を把握するには、ＮＯｘ吸蔵触媒の上流側及び下流側に配設されたＮＯｘセンサの値を用いることが知られており、上流ＮＯｘ濃度と下流ＮＯｘ濃度の差分に排ガスの流量を乗算することでＮＯｘ吸蔵量を推定している。
【０００５】
しかし、ＮＯｘ吸蔵触媒ではリッチ運転中には窒素として放出されるので、ＮＯｘ放出量（吸蔵されたＮＯｘの減少量）をＮＯｘセンサで検知することは困難である。よって、このＮＯｘ吸蔵量の推定方法では、ＮＯｘが吸蔵され続けるリーン運転中には、ＮＯｘ吸蔵量を推定することが可能であるものの、例えば運転状況によりリッチ運転が不十分であった場合等には、リーン運転の開始時点にてＮＯｘ吸蔵触媒に残留しているＮＯｘ吸蔵量を検知することができない。つまり、このＮＯｘ吸蔵量の推定方法では、残留しているＮＯｘ吸蔵量を加味できず、推定されたＮＯｘ吸蔵量に誤差が生じてしまうとの問題がある。
【０００６】
また、上記ＮＯｘ吸蔵量を把握するには、リッチ運転の開始時点及び終了時点の双方のＮＯｘ浄化率をＮＯｘセンサから求め、これらのＮＯｘ浄化率の回復度合に基づいてＮＯｘ放出量（吸蔵されたＮＯｘの減少量）を求めることができるとも考えられる。しかし、ＮＯｘ浄化率は、触媒温度及び排ガスの流量による影響が大きいものである。したがって、リッチ運転の開始時点とリッチ運転の終了時点にて触媒温度及び排ガスの流量が異なる場合には、ＮＯｘ放出量に誤差が生じ、推定されたＮＯｘ吸蔵量にも誤差が生じてしまうとの問題がある。
【０００７】
このように、ＮＯｘ吸蔵触媒の入口側のＮＯｘ濃度と出口側のＮＯｘ濃度を検出するだけでは、ＮＯｘ吸蔵量を正確に推定することができず、これを解決すべく触媒吸蔵モデルを用いてＮＯｘ吸蔵量を正確に推定することが考えられる。そして、触媒吸蔵モデルを用いたものとして内燃機関の空燃比制御装置の技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
当該制御装置では、流入ガスの吸蔵反応分、流入ガスと吸蔵物質との酸化還元反応分、吸蔵物質の離脱反応分及び流入ガスの未反応分をそれぞれ考慮したモデル式が用いられており、該モデル式に基づく空燃比制御により排ガスの浄化効率の向上を図っている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平９−７２２３５号公報（段落番号０００３〜００１７、図１４等）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の内燃機関の空燃比制御装置では、上述の如くモデル式を用いてリーン及びリッチの各反応形態に応じた吸蔵量及び還元量等を求め、吸蔵物質の浄化率が一定となるように空燃比制御を行っている。また、触媒下流側のセンサ出力値に基づいて触媒の経時変化に対応させている。
【００１１】
しかしながら、上記従来の技術では、モデル式を用いてリーン及びリッチの各反応形態に応じた吸蔵量を求め、これを三元触媒に対する吸蔵量として推定しており、触媒の状態を把握することができる一方、排ガス成分のうち、特にＮＯｘについて鑑みれば、上述のリーン運転の開始時点にてＮＯｘ吸蔵触媒に残留しているＮＯｘ吸蔵量を検知すること、並びに、リッチ運転の開始時点とリッチ運転の終了時点では触媒温度及び排ガスの流量が異なることについては格別な配慮がなされていない。つまり、このモデル式に対して上流側及び下流側のＮＯｘ濃度の値を用いてＮＯｘ吸蔵量を推定したとしても、例えば、ＮＯｘ吸蔵量が回復した場合には、この回復が、ＮＯｘの放出に伴ってＮＯｘ浄化率が上昇してＮＯｘ吸蔵量が回復したものであるのか、又は、触媒温度及び排ガスの流量の変化によってＮＯｘ浄化率が上昇してＮＯｘ吸蔵量が回復したかの如く見えるのかという違いを知ることができないとの問題がある。換言すれば、前記従来の技術の如くの触媒吸蔵モデルを用いたとしても、ＮＯｘ吸蔵量をより正確に把握する点については依然として課題が残されている。
【００１２】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、ＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸蔵量の推定において、リッチ運転の開始時点とリッチ運転の終了時点における触媒温度及び排ガスの流量をも考慮する触媒吸蔵モデルにより、ＮＯｘ吸蔵触媒に残留しているＮＯｘ吸蔵量を含め、ＮＯｘ吸蔵量をより正確に把握することができるＮＯｘ吸蔵触媒の吸蔵量推定装置及び推定方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成すべく、請求項１記載のＮＯｘ吸蔵触媒の吸蔵量推定装置は、機関の排気通路に設けられ、リーン運転時に排気中のＮＯｘを吸蔵するとともに吸蔵したＮＯｘをリッチ運転を行うことにより放出還元させるＮＯｘ吸蔵触媒と、ＮＯｘ吸蔵触媒の下流側に配設されたＮＯｘセンサと、排気通路の排ガスの流量、ＮＯｘ吸蔵触媒の触媒温度、ＮＯｘ浄化率に関わり同定される相当吸蔵率補正パラメータ及びＮＯｘ吸蔵量の初期値に基づいてリーン運転中におけるＮＯｘ吸蔵触媒の下流側のＮＯｘ濃度を演算するＮＯｘ濃度演算部と、排ガスの流量及び触媒温度に基づいてリッチ運転中におけるＮＯｘ吸蔵触媒の下流側の還元剤濃度を演算する還元剤濃度演算部と、ＮＯｘ濃度演算部及び還元剤濃度演算部の各出力信号に基づいてＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸蔵量を推定するＮＯｘ吸蔵量推定部とを備え、ＮＯｘ濃度演算部は、ＮＯｘセンサによる実測された下流側のＮＯｘ濃度とＮＯｘ濃度演算部で演算された下流側のＮＯｘ濃度とを比較してＮＯｘ吸蔵量の初期値を補正し、ＮＯｘ吸蔵触媒の下流側のＮＯｘ濃度を演算することを特徴としている。
【００１４】
したがって、請求項１記載のＮＯｘ吸蔵触媒の吸蔵量推定装置では、ＮＯｘ吸蔵触媒を簡略な数式でモデル化し、ＮＯｘ濃度演算部にて、排ガスの流量、触媒温度の他、ＮＯｘ浄化率に関わり同定される相当吸蔵率補正パラメータに基づくリーン運転時のＮＯｘ吸蔵量が独自に演算され、また、還元剤濃度演算部にて、排ガスの流量及び触媒温度に基づくリッチ運転時のＮＯｘ放出量が独自に演算されることから、リッチ運転の開始時点及びリッチ運転の終了時点の触媒温度及び排ガスの流量を考慮してＮＯｘ吸蔵量を推定することが可能になる。
【００１５】
しかも、各モデル式で排ガスの流量及び触媒温度が考慮されているにも拘わらず、相当吸蔵率補正パラメータはリッチ運転中には同定されないことから、ＮＯｘ濃度演算部では、これにより生じるリッチ運転中におけるＮＯｘ吸蔵量の変化を考慮すべくＮＯｘ吸蔵量の初期値を補正し、ＮＯｘ吸蔵量推定部では、この補正されたＮＯｘ吸蔵量の初期値を用いてＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸蔵量を推定しているので、リーン運転の開始時点にてＮＯｘ吸蔵触媒に残留しているＮＯｘ吸蔵量を正確なものにすることができる。
【００１６】
このように、従来のＮＯｘ吸蔵触媒再生時のリッチ運転の如く、触媒温度や排ガスの流量を考慮せずに例えば設定されたリーン運転時間に達すればリッチ運転に切り換えられていた場合には、ＮＯｘ吸蔵量が未だ少ないにも拘わらず、早めのリッチ運転が行われることがあり、ＮＯｘ吸蔵触媒の性能を最大限まで生かすことができなかったが、上記請求項１記載のＮＯｘ吸蔵触媒の吸蔵量推定装置によれば、リーン運転の開始時点にてＮＯｘ吸蔵触媒に残留しているＮＯｘ吸蔵量を含め、ＮＯｘ吸蔵量をより正確に把握することが可能になり、最適なリッチ運転制御の実施によって燃費悪化が抑制される。
【００１７】
なお、ＮＯｘ吸蔵触媒の上流側にもＮＯｘセンサを配設することが好ましく、この場合には、ＮＯｘ吸蔵量の推定精度の一層の向上が図られる。
また、請求項２記載の発明では、相当吸蔵率補正パラメータは、ＮＯｘ吸蔵触媒の下流側のＮＯｘ濃度が増大すると減少する関係にある補正パラメータであり、同定される相当吸蔵率補正パラメータの一定期間内の平均値が所定値以下のとき、ＮＯｘ吸蔵触媒の異常を判定する触媒異常判定部をさらに備えることを特徴としている。
【００１８】
相当吸蔵率補正パラメータはＮＯｘ浄化率に関するものであって、相当吸蔵率補正パラメータとＮＯｘ吸蔵触媒の下流側のＮＯｘ濃度とは、例えば相当吸蔵率補正パラメータが小さくなると、ＮＯｘ吸蔵触媒の下流側のＮＯｘ濃度が大きくなる関係にあることから、相当吸蔵率補正パラメータの値をモニタすることでＮＯｘ浄化率の低下、すなわちＮＯｘ吸蔵触媒の異常を判定可能であり、このようにＮＯｘ吸蔵触媒の劣化及び破損を検知する機能を備えれば、運転者への警告の他、触媒劣化時にはリッチ運転を禁止させることが可能になり、高濃度の還元剤の排出が防止されるとともに、ＯＢＤ（On Board Diagnosis）対応等の各種の応用が可能になる。
【００１９】
さらに、請求項３記載の発明では、還元剤濃度演算部は、還元剤浄化率に関わる相当放出率補正パラメータをさらに用いてＮＯｘ吸蔵触媒の下流側の還元剤濃度を演算することを特徴としている。
このように、相当放出率補正パラメータを用いれば、ＮＯｘ吸蔵触媒に導入される還元剤の量に対してＮＯｘがどの程度反応するかの関係をも加味することができるので、ＮＯｘ吸蔵量の推定精度のさらなる向上が図られる。
【００２０】
また、請求項４記載のＮＯｘ吸蔵触媒の吸蔵量推定方法は、機関の排気通路の排ガスの流量、機関の排気通路に設けられてリーン運転時に排気中のＮＯｘを吸蔵するとともに吸蔵したＮＯｘをリッチ運転を行うことで放出還元させるＮＯｘ吸蔵触媒の触媒温度、ＮＯｘ浄化率に関わり同定される相当吸蔵率補正パラメータ及びＮＯｘ吸蔵量の初期値に基づいてリーン運転中におけるＮＯｘ吸蔵触媒の下流側のＮＯｘ濃度を演算するＮＯｘ濃度演算工程と、排ガスの流量及び触媒温度に基づいてリッチ運転中におけるＮＯｘ吸蔵触媒の下流側の還元剤濃度を演算する還元剤濃度演算工程と、ＮＯｘ濃度演算工程及び還元剤濃度演算工程の各出力信号に基づいてＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸蔵量を推定するＮＯｘ吸蔵量推定工程とを備え、ＮＯｘ濃度演算工程では、ＮＯｘ吸蔵触媒の下流側に配設されたＮＯｘセンサにより実測された下流側のＮＯｘ濃度とＮＯｘ濃度演算工程で演算された下流側のＮＯｘ濃度とを比較してＮＯｘ吸蔵量の初期値を補正し、ＮＯｘ吸蔵触媒の下流側のＮＯｘ濃度を演算することを特徴としている。
【００２１】
したがって、請求項４記載のＮＯｘ吸蔵触媒の吸蔵量推定方法では、ＮＯｘ吸蔵触媒を簡略な数式でモデル化し、ＮＯｘ濃度演算工程によってリーン運転時のＮＯｘ吸蔵量が演算され、還元剤濃度演算工程によってリッチ運転時のＮＯｘ放出量が演算され、それぞれの工程が排ガスの流量及び触媒温度を加味しつつも独立して演算されているので、ＮＯｘ用であれば触媒の種類を問わず汎用性かつ信頼性の高い吸蔵量の推定が実現される。例えば、ＮＯｘ吸蔵量の回復が、ＮＯｘ放出によってＮＯｘ浄化率が変化してＮＯｘ吸蔵量が回復したものであるのか、若しくは、触媒温度及び排ガスの流量の変化によってＮＯｘ浄化率が変化してＮＯｘ吸蔵量が回復したようにみえただけなのかの違いも確実に把握することが可能になる。
【００２２】
そして、触媒モデル式と下流側のＮＯｘセンサにより補正されたＮＯｘ吸蔵量の初期値を用いてＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸蔵量を推定しているので、リーン運転の開始時点にてＮＯｘ吸蔵触媒に残留しているＮＯｘ吸蔵量を含め、ＮＯｘ吸蔵量を正確に把握することができ、ＮＯｘ吸蔵量の推定精度の向上が図られる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るＮＯｘ吸蔵量推定装置が適用される多気筒のディーゼル機関（以下、単にエンジンという）１を備えたエンジンシステム構成図を示しており、以下図１に基づき本発明に係るＮＯｘ吸蔵触媒の吸蔵量推定装置の構成を説明する。
【００２４】
同図に示すように、エンジン１の各気筒２には、燃料噴射装置を有した燃料供給系１６と、吸気弁６の開弁により燃焼室４に新気（吸入空気）を導入させる吸気通路８と、排気弁１８の開弁により燃焼室４からの排ガスを導出させる排気通路２０とが接続されている。
この吸気通路８の上流側には過給機１４が介装され、吸気通路の８の先端部にはエアクリーナ（図示せず）が接続されている。また、吸気通路８には、給気スロットル１０が配設され、さらに、インタークーラ１２が介装されている。
【００２５】
一方、排気通路２０の下流側にはＮＯｘ吸蔵触媒２２が接続されている。ＮＯｘ吸蔵触媒２２は、排気空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘを吸蔵し、排気空燃比がリッチ等で排ガス中に還元剤（ＨＣやＣＯ）が存在するときに、吸蔵したＮＯｘの放出還元を行うものであり、このＮＯｘ吸蔵触媒は公知の構成ものである。
【００２６】
また、排気通路２０からは排気循環通路（ＥＧＲ通路）２４が分岐して延びており、排ガスの一部（ＥＧＲガス）を吸気通路８内に再循環させてＮＯｘの排出を抑制させる。このＥＧＲ通路２４の先端は、吸気通路８の給気スロットル１０の配設位置よりも下流側にて吸気通路８に接続されている。このＥＧＲ通路２４には、ＥＧＲガスの冷却を図るＥＧＲクーラ２６と、電子コントロールユニット（ＥＣＵ）４０に電気的に接続されたＥＧＲバルブ２８とが設けられ、ＥＧＲバルブ２８によってＥＧＲ通路２４の流路面積が調節される。
【００２７】
なお、給気スロットル１０もまたＥＣＵ４０に電気的に接続されており、吸気通路８の流路面積が調節されることにより、筒内リッチの際のＥＧＲガス量を調整し、ＥＧＲ通路２４と吸気通路８との合流後の給気量を調整する。
エアクリーナからの新気は、過給機１４を介して吸気通路８に入ってインタークーラ１２に達し、給気スロットル１０で調整された後、ＥＧＲガスと合流して給気となって各気筒２の燃焼室４内に導かれる。そして、燃料供給系１６から供給される燃料の燃焼により、クランク軸３８及びフライホイール３９を作動させる。燃焼が終了すると、排ガスは排気通路２０に排出され、ＮＯｘ吸蔵触媒２２に送られる。
【００２８】
ここで、排気通路２０において、ＮＯｘ吸蔵触媒２２の下流側の適宜位置には、ＮＯｘセンサ３０が配設され、ＮＯｘ吸蔵触媒２２のＮＯｘ吸蔵の際に僅かながらも検出される下流側のＮＯｘ濃度を実測している。また、排気通路２０において、ＮＯｘ吸蔵触媒２２の上流側の適宜位置には、排ガス流量センサ３２と排ガス温度センサ３４とが配設され、排気通路２０内の排ガス流速とＮＯｘ吸蔵触媒２２の触媒温度とをそれぞれ検出している。
【００２９】
ＥＣＵ４０の入力側には、上述のＮＯｘセンサ３０、排ガス流量センサ３２及び排ガス温度センサ３４の他、クランク角センサ３６等のエンジン１の運転状態を検出する各種センサが電気的に接続されている。これに対してＥＣＵ４０の出力側には、上述の燃料供給系１６、給気スロットル１０及びＥＧＲバルブ２８の各種アクチュエータが電気的に接続されている。また、ＮＯｘ吸蔵触媒２２の劣化等を運転者に知らせる警告手段５０も接続されている。
【００３０】
そして、ＥＣＵ４０は、酸化雰囲気にて排ガス中のＮＯｘをＮＯｘ吸蔵触媒２２に吸蔵する一方、エンジン１に対して空気過剰率が低い状態と高い状態とを適宜切り換えるリッチスパイクを行い、吸蔵したＮＯｘを還元雰囲気で放出還元させてＮＯｘ吸蔵触媒２２の再生を図っている。本実施形態におけるリッチ運転としては、大量ＥＧＲを実施、つまり、ＥＧＲバルブ２８及び給気スロットル１０を用い、不完全燃焼による一酸化炭素の排出を利用する筒内リッチによってリッチ運転の条件を作り、この条件が成立すればＮＯｘの放出還元を行う。
【００３１】
ここで、特にＥＣＵ４０は、ＮＯｘ吸蔵触媒２２のＮＯｘ吸蔵量の推定を行う触媒吸蔵モデルを有しており、これにより、排ガスの流量及び触媒温度を加味しつつ、リーン運転時のＮＯｘ吸蔵量とリッチ運転時のＮＯｘ放出量とを独立して演算し、これらＮＯｘ吸蔵量及びＮＯｘ放出量を用いてＮＯｘ吸蔵量を正確に推定可能にされている。
【００３２】
詳しくは、ＥＣＵ４０には、ＮＯｘ濃度演算工程として、リーン運転中におけるＮＯｘ吸蔵触媒２２の下流側のＮＯｘ濃度を演算するＮＯｘ濃度演算部４２と、還元剤濃度演算工程として、リッチ運転中におけるＮＯｘ吸蔵触媒２２の下流側の還元剤濃度を演算する還元剤濃度演算部４４と、ＮＯｘ吸蔵量推定工程として、ＮＯｘ濃度演算部２２及び還元剤濃度演算部４４の各出力信号に基づいてＮＯｘ吸蔵触媒２２のＮＯｘ吸蔵量を推定するＮＯｘ吸蔵量推定部４６とを備えるとともに、ＮＯｘ吸蔵触媒２２の触媒異常判定部４８とを備えている。
【００３３】
上記触媒吸蔵モデルではモデル式を用い、このモデル式は、ＮＯｘ吸蔵触媒２２の上流側のＮＯｘ濃度及び上流側の還元剤濃度、排ガス流速並びに触媒温度を入力とし、予め定められた定数とＮＯｘ浄化率に関わる相当吸蔵率補正パラメータＡとを用いて、リーン運転中におけるＮＯｘ吸蔵触媒２２の下流側のＮＯｘ濃度、リッチ運転中におけるＮＯｘ吸蔵触媒２２の下流側の還元剤濃度、及びＮＯｘ吸蔵量をそれぞれ出力とする。
【００３４】
具体的には、ＮＯｘ濃度演算部４２では、ガス流速、触媒温度Ｔ、上流ＮＯｘ濃度及びＮＯｘ浄化率に関わる相当吸蔵率補正パラメータＡ並びに限界ＮＯｘ吸蔵量及びＮＯｘ吸蔵量に基づいてリーン運転中におけるＮＯｘ吸蔵触媒２２の下流側のＮＯｘ濃度を次式（１）の如く演算する。
【００３５】
【数１】

【００３６】
ここで、ｋ１（Ｔ）は反応速度定数であり、例えばアレニウス式より算出される。また、上流ＮＯｘ濃度は、エンジン１の運転条件からＥＣＵ４０に備えられたマップで求められる。さらに、式中の限界ＮＯｘ吸蔵量は、ＮＯｘ吸蔵触媒２２の大きさによって設定され、また、式中のＮＯｘ吸蔵量は１ステップ前のＮＯｘ吸蔵量の推定値（ＮＯｘ吸蔵量の初期値）であり、α２は定数である。そして、本モデル式は、ＮＯｘ吸蔵量が増加すれば下流ＮＯｘ濃度の値は大きくなる関係を有している。
【００３７】
また、ＮＯｘ濃度演算部４２では、後述するように、ＮＯｘセンサ３０による実測値と上記モデル式によるＮＯｘ濃度の演算値とを比較し、相当吸蔵率補正パラメータＡの他、ＮＯｘ吸蔵量推定部４６にて用いられる下流ＮＯｘ濃度の精度の向上を図るべく、ＮＯｘ吸蔵量の初期値を補正している。
次に、還元剤濃度演算部４４では、ガス流速、触媒温度Ｔ、上流還元剤濃度及びＮＯｘ吸蔵量に基づいてリッチ運転中におけるＮＯｘ吸蔵触媒２２の下流側の還元剤濃度を次式（２）の如く演算する。
【００３８】
【数２】

【００３９】
ここで、ｋ２（Ｔ）もまた反応速度定数であり、例えばアレニウス式より算出される。また、上流還元剤濃度は、エンジン１の運転条件からＥＣＵ４０に備えられたマップで求められる。さらに、式中のＮＯｘ吸蔵量は１ステップ前のＮＯｘ吸蔵量の推定値（ＮＯｘ吸蔵量の初期値）である。そして、本モデル式は、ＮＯｘ吸蔵量が増加すれば下流還元剤濃度の値は小さくなる関係を有している。特に、本モデル式は、ＮＯｘセンサ３０では下流側の還元剤の量が検出できないにも拘わらず、上記ＮＯｘ放出量の演算によってＮＯｘ吸蔵触媒２２の状況を知ることを可能にしている。
【００４０】
そして、ＮＯｘ吸蔵量推定部４６では、ガス流速、上流ＮＯｘ濃度、上流還元剤濃度並びにＮＯｘ濃度演算部４２で演算された下流ＮＯｘ濃度及び還元剤濃度演算部４４で演算された下流還元剤濃度に基づいてＮＯｘ吸蔵触媒２２のＮＯｘ吸蔵量を次式（３）の如く推定する。
【００４１】
【数３】

【００４２】
ここで、α１は定数であり、上流ＮＯｘ濃度及び上流還元剤濃度は、エンジン１の運転条件からＥＣＵ４０に備えられたマップで求められる。また、式中の下流ＮＯｘ濃度は、ＮＯｘセンサ３０の実測値が用いられる。そして、本モデル式は、リーン運転中におけるＮＯｘ吸蔵触媒２２のＮＯｘ吸蔵量と、リッチ運転中におけるＮＯｘ吸蔵触媒２２のＮＯｘ放出量とが別個独立して演算された結果が用いられている。なお、ＮＯｘ吸蔵触媒２２のＮＯｘ放出量は、リーン運転中にはほぼ零に等しくなる。
【００４３】
図２は、ＮＯｘ濃度演算部４２のブロック図である。ＮＯｘ濃度演算部４２は、モデル式ＮＯｘ濃度演算部４２１と、比較部４２２と、補正計算部４２３とから構成される。
モデル式ＮＯｘ濃度演算部４２１では、上記各入力値に基づいてＮＯｘ吸蔵触媒２２の下流側のＮＯｘ濃度を演算して比較部４２２にまず出力する。
【００４４】
比較部４２２では、ＮＯｘセンサ３０によるＮＯｘ吸蔵触媒２２の下流側のＮＯｘ濃度の実測値とＮＯｘ吸蔵量推定部４６によるＮＯｘ濃度の演算値とを比較してその結果を補正計算部４２３に出力する。
補正計算部４２３では、まず、リーン運転中において、前記ＮＯｘ濃度の演算値と実測値との比較結果に基づいて最小二乗法により相当吸蔵率補正パラメータＡを同定させる。そして、リッチ運転中においては、放出したが還元されないＮＯｘが一時的に多量に排出される現象が起きることがあるために相当吸蔵率補正パラメータＡを同定させることができないことから、相当吸蔵率補正パラメータＡをそのまま保持し、モデル式ＮＯｘ濃度演算部４２１に出力する。
【００４５】
次に、モデル式ＮＯｘ濃度演算部４２１では、再度のリーン運転中において、同定された相当吸蔵率補正パラメータＡを用いて再び下流側のＮＯｘ濃度を演算して比較部４２２に出力する。比較部４２２では、ＮＯｘセンサ３０によって再度検出されたＮＯｘ濃度の実測値とこの演算値とを比較する。なお、この比較は、ＮＯｘ浄化率の実測値とＮＯｘ浄化率の演算値とで行われる。
【００４６】
そして、補正計算部４２３では、これら実測値と演算値との差が所定の閾値以上である場合には、図６に示したＮＯｘ吸蔵触媒２２のＮＯｘ浄化率とＮＯｘ吸蔵量との関係にしたがって、ＮＯｘ吸蔵量の初期値を補正してモデル式ＮＯｘ濃度演算部４２１に出力する。つまり、この場合には、上記式（１）の１ステップ前のＮＯｘ吸蔵量をこの補正された後のＮＯｘ吸蔵量としている。これは、上述のように、リッチ運転中には相当吸蔵率補正パラメータＡを同定できずに保持されたままであり、還元剤濃度演算部４４では相当吸蔵率補正パラメータＡが考慮されていない。一方、上記各モデル式では、ともに排ガス流速及び触媒温度が既に考慮されていることから、それでも実測値と演算値との間に上記所定の閾値以上の差が生じるのは、前記相当吸蔵率補正パラメータＡが同定できなかったことによってＮＯｘ吸蔵触媒２２のリーン運転開始時点のＮＯｘ吸蔵量に対して変更が必要であると擬制できるからである。
【００４７】
そして、ＮＯｘ吸蔵量推定部４６では、上記補正されたＮＯｘ吸蔵量の初期値を用いてＮＯｘ吸蔵量の推定を行う。また、相当吸蔵率補正パラメータＡは、補正計算部４２３から触媒異常判定部４８に出力される。
なお、ＮＯｘ濃度演算部４２にて補正されたＮＯｘ吸蔵量が用いられた場合には、還元剤濃度演算部４４における上記式（２）の１ステップ前のＮＯｘ吸蔵量もまた上記補正された後のＮＯｘ吸蔵量とされる。
【００４８】
図３は、ＮＯｘ濃度演算部４２における補正計算のフローチャートである。
同図に示すように、ステップＳ３０１では、補正計算部４２３にて、リーン運転時の相当吸蔵率補正パラメータＡを同定する。次に、ステップＳ３０２では、リーン運転が終了してリッチ運転が開始されたか否かを判別し、リッチ運転が開始したと判定された場合、すなわちＹＥＳのときには、ステップＳ３０３に進んでリッチ運転期間中では同定された相当吸蔵率補正パラメータＡを保持し、ステップＳ３０４に進む。一方、ステップＳ３０２でリッチ運転が開始していないと判定された場合には、リーン運転時の相当吸蔵率補正パラメータＡの同定作業に戻る（ステップＳ３０１）。
【００４９】
ステップＳ３０４では、リッチ運転が終了してリーン運転が開始されたか否かを判別し、リッチ運転が終了したと判定された場合、すなわちＹＥＳのときには、ステップＳ３０５に進み、モデル式ＮＯｘ濃度演算部４２１にて、同定された相当吸蔵率補正パラメータＡを用いてＮＯｘ濃度を再び演算してＮＯｘ浄化率を求め、ステップＳ３０６に進む。一方、ステップＳ３０４でリッチ運転が終了していないと判定された場合には、相当吸蔵率補正パラメータＡを保持すべく、ステップＳ３０３に戻る。
【００５０】
ステップＳ３０６では、比較部４２２にて、ＮＯｘ浄化率の実測値とＮＯｘ浄化率の演算値との差が１ステップ前のＮＯｘ吸蔵量の値を疑うべき程の所定の閾値以上であるか否かを判別し、所定の閾値以上であると判定された場合、すなわちＹＥＳのときには、ステップＳ３０７に進み、補正計算部４２３にてＮＯｘ吸蔵量の初期値を補正し、この値を用いてモデル式ＮＯｘ濃度演算部４２１でＮＯｘ濃度をさらに演算すべく、ステップＳ３０５に戻る。そして、ＮＯｘ浄化率の実測値とＮＯｘ浄化率の演算値との差が所定の閾値未満に達するまで、補正計算部４２３でのＮＯｘ吸蔵量の初期値の補正を繰り返す。
【００５１】
そして、ステップＳ３０６でＮＯｘ浄化率の実測値とＮＯｘ浄化率の演算値との差が所定の閾値以上でないと判定されたときには、ステップＳ３０１に戻り、補正計算部４２３にて、リーン運転時の相当吸蔵率補正パラメータＡの同定作業に移行する。以後、相当吸蔵率補正パラメータＡの同定とＮＯｘ吸蔵量の初期値の補正とが各運転毎に繰り返される。
【００５２】
次に、上記触媒異常判定部４８について説明する。
図４は触媒異常判定部４８における触媒劣化検知のフローチャートであり、図５は触媒異常判定部４８による異常判定に用いられる図である。
触媒異常判定部４８は、同定される相当吸蔵率補正パラメータＡの一定期間内の平均値が所定値以下のときに、ＮＯｘ吸蔵触媒２２が劣化或いは破損による異常であることを判定し、警告手段５０にその旨を出力する。
【００５３】
具体的には、図４に示すように、ステップＳ４０１では、補正計算部４２３にて相当吸蔵率補正パラメータＡがリーン運転毎に同定され、ステップＳ４０２では、リーン運転中に同定されるまでの相当吸蔵率補正パラメータＡを監視し、同定に至るまでの一定期間内における相当吸蔵率補正パラメータＡの移動平均値を計算してステップＳ４０３に進む。
【００５４】
ステップＳ４０３では、一定期間内の相当吸蔵率補正パラメータＡの平均値が、ＮＯｘ吸蔵触媒２２が劣化或いは破損による異常と考えられる所定の閾値以下に達しているか否かを判別し、所定の閾値以下に達していると判定された場合、すなわちＹＥＳのときには、ステップＳ４０４に進む。なぜならば、上式（１）のモデル式の如く、相当吸蔵率補正パラメータＡは、上流ＮＯｘ濃度と下流ＮＯｘ濃度との比が増加すれば増加し、換言すれば、相当吸蔵率補正パラメータＡは、下流ＮＯｘ濃度が増大すると減少する関係を有するものであることから、一定期間内の相当吸蔵率補正パラメータＡの平均値が小さくなると、下流ＮＯｘ濃度が高くなって一定期間内のＮＯｘ吸蔵触媒２２の平均ＮＯｘ浄化率も低くなり、ＮＯｘ吸蔵触媒２２が劣化等の状態にあることを判別できるからである（図５参照）。
【００５５】
そして、ステップＳ４０４では、ＮＯｘ吸蔵触媒２２が異常である旨の警報を警告手段５０の一態様であるランプに出力して運転者にその旨を視覚的に知らせてステップＳ４０５に進み、この場合には有害な還元剤成分が多量に排出されるのを防ぐべく、リッチ運転を禁止する信号を出力する。
一方、ステップＳ４０３で所定の閾値以下に達していないと判定されたときには、同定された相当吸蔵率補正パラメータＡの一定期間内の移動平均値を計算すべくステップＳ４０２に戻る。
【００５６】
以上のように、本発明では、ＮＯｘ濃度演算部４２及び還元剤濃度演算部４４が、リーン運転時のＮＯｘ濃度演算工程とリッチ運転時の還元剤濃度演算工程として、排ガスの流量及び触媒温度を考慮して別個独立に計算されている。つまり、ＮＯｘ濃度演算部４２では、排ガスの流量、触媒温度、相当吸蔵率補正パラメータＡ及びＮＯｘ吸蔵量の初期値に基づくリーン運転時のＮＯｘ吸蔵量が演算されているので、リッチ運転の開始時点の触媒温度及び排ガスの流量を考慮することができ、また、還元剤濃度演算部４４では、排ガスの流量及び触媒温度に基づくリッチ運転時のＮＯｘ放出量が演算されているので、リッチ運転の終了時点の触媒温度及び排ガスの流量を考慮することができる。よって、リッチ運転の開始時点と終了時点とで排ガスの流量及び触媒温度が異なる場合にも、ＮＯｘ放出量に誤差が生じ難くなり、ＮＯｘ吸蔵量の正確な把握を可能にすることができる。
【００５７】
特に、ＮＯｘ吸蔵触媒２２の下流側にＮＯｘセンサ３０が配設され、下流側の還元剤の濃度を単純には検出できないエンジン構成であっても、還元剤濃度演算部４４ではＮＯｘ放出量の演算が可能になり、ＮＯｘ吸蔵触媒２２の状況を知ることができる。
そして、ＮＯｘ濃度演算部４２の補正計算部４２３では、ＮＯｘセンサ３０による下流側のＮＯｘ濃度の実測値とモデル式ＮＯｘ濃度演算部４２１による下流側のＮＯｘ濃度の演算値とを比較してＮＯｘ吸蔵量の初期値を逐次補正し、ＮＯｘ吸蔵量推定部４６では、この補正後のＮＯｘ吸蔵量の初期値を用いてＮＯｘ吸蔵触媒２２のＮＯｘ吸蔵量を推定していることから、ＮＯｘ吸蔵量推定工程では、排ガスの流量、触媒温度を考慮することと相俟ってリーン運転の開始時点にてＮＯｘ吸蔵触媒に残留しているＮＯｘ吸蔵量をも考慮したＮＯｘ吸蔵量を推定することができ、ＮＯｘ吸蔵量を正確に把握してＮＯｘ吸蔵触媒２２の性能を最大限まで生かすことができる。
【００５８】
以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、ＮＯｘ濃度演算部４２では、相当吸蔵率補正パラメータＡが用いられているのに対し、還元剤濃度演算部４４では、このような補正パラメータが用いられていないが、必ずしもこの形態に限定されるものではなく、例えば、次式（４）及び（５）に示す如く、ＮＯｘ濃度演算部では相当吸蔵率補正パラメータａを用い、還元剤濃度演算部では相当放出率補正パラメータｂを用いて、下流ＮＯｘ濃度及び下流還元剤濃度をそれぞれ演算する吸蔵触媒モデルであっても良い。
【００５９】
【数４】

【００６０】
【数５】

【００６１】
ここで、ｋ１（Ｔ）及びｋ２（Ｔ）は反応速度定数であり、例えばアレニウス式より算出される。式中のＮＯｘ吸蔵量は１ステップ前のＮＯｘ吸蔵量の推定値（ＮＯｘ吸蔵量の初期値）であり、また、α３及びα４は定数である。そして、ａはＮＯｘ浄化率に関わる相当吸蔵率補正パラメータであって、ｂは還元剤浄化率に関わる相当放出率補正パラメータである。具体的には、相当吸蔵率補正パラメータとしてａ次のべき数を用い、相当放出率補正パラメータとしてｂ次のべき数を用いている。相当放出率補正パラメータｂは、ＮＯｘ吸蔵触媒２２に導入される還元剤の量に対してＮＯｘがどの程度反応するかの関係を示すものである。なお、上流ＮＯｘ濃度及び上流還元剤濃度は、エンジン１の運転条件からＥＣＵ４０に備えられたマップで求められる。
【００６２】
そして、このように、相当吸蔵率補正パラメータａの他、相当放出率補正パラメータｂをも用いた触媒吸蔵モデルとすることにより、リッチ運転時のＮＯｘ放出量の推定精度を高め、ＮＯｘ吸蔵量の推定精度のさらなる向上を図ることができる。
また、上記実施形態では、ＮＯｘ吸蔵触媒２２の下流側にのみＮＯｘセンサ３０が配設され、ＮＯｘ吸蔵触媒２２の上流側にはＮＯｘセンサが配設されていない。これは、ＮＯｘ吸蔵触媒２２の上流ＮＯｘ濃度は、ＥＣＵ４０のマップに基づくからであるが、必ずしもこの形態に限定されるものではなく、ＮＯｘ吸蔵触媒２２の上流ＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサをＮＯｘ吸蔵触媒２２の上流側に別途配設すれば、ＮＯｘ吸蔵量の推定精度の一層の向上を図ることができる。
【００６３】
さらに、リッチ化の方法は、本実施形態の如く大量ＥＧＲによるリッチ運転を行い、不完全燃焼による一酸化炭素の排出を利用する筒内リッチの他、未燃燃料（ＨＣ）を排気行程中にポスト噴射により供給する筒内リッチ、又はＨＣをＮＯｘ吸蔵触媒に供給する筒外リッチでも良いものである。
また、ディーゼル機関が好ましいが、これに限定されるものではなく、本発明のＮＯｘ吸蔵触媒の吸蔵量推定装置は、排気通路にＮＯｘ吸蔵触媒を備え、リッチ運転可能な全てのエンジンシステムに適用させることができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上の説明から理解できるように、請求項１記載の本発明のＮＯｘ吸蔵触媒の吸蔵量推定装置によれば、ＮＯｘ吸蔵触媒を簡略な数式でモデル化し、ＮＯｘ濃度演算部にて、排ガスの流量、触媒温度の他、相当吸蔵率補正パラメータに基づくリーン運転時のＮＯｘ吸蔵量が独自に演算され、また、還元剤濃度演算部にて、排ガスの流量及び触媒温度に基づくリッチ運転時のＮＯｘ放出量が独自に演算されることから、リッチ運転の開始時点及びリッチ運転の終了時点の触媒温度及び排ガスの流量を考慮してＮＯｘ吸蔵量を推定することができる。
【００６５】
しかも、各モデル式で排ガスの流量及び触媒温度が考慮されているにも拘わらず、相当吸蔵率補正パラメータはリッチ運転中には同定されないことから、ＮＯｘ濃度演算部では、これにより生じるリッチ運転中におけるＮＯｘ吸蔵量の変化を考慮すべくＮＯｘ吸蔵量の初期値を補正し、ＮＯｘ吸蔵量推定部では、この補正されたＮＯｘ吸蔵量の初期値を用いてＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸蔵量を推定しているので、リーン運転の開始時点にてＮＯｘ吸蔵触媒に残留しているＮＯｘ吸蔵量を正確なものにすることができる。
【００６６】
したがって、ＮＯｘ吸蔵量をより正確に把握することが可能になり、最適なリッチ運転制御の実施によって燃費悪化を抑制することができる。
また、請求項２記載の発明によれば、相当吸蔵率補正パラメータとＮＯｘ吸蔵触媒の下流側のＮＯｘ濃度とは、例えば相当吸蔵率補正パラメータが小さくなると、ＮＯｘ吸蔵触媒の下流側のＮＯｘ濃度が大きくなる関係にあることから、相当吸蔵率補正パラメータの値をモニタすることでＮＯｘ吸蔵触媒の異常を判定可能であり、このようにＮＯｘ吸蔵触媒の劣化及び破損を検知する機能を備えれば、運転者への警告の他、触媒劣化時にはリッチ運転を禁止させることが可能になり、高濃度の還元剤の排出が防止されるとともに、ＯＢＤ（On Board Diagnosis）対応等の各種の応用が可能にすることができる。
【００６７】
さらに、請求項３記載の発明によれば、相当放出率補正パラメータを用い、ＮＯｘ吸蔵触媒に導入される還元剤の量に対してＮＯｘがどの程度反応するかの関係をも加味することができるので、ＮＯｘ吸蔵量の推定精度のさらなる向上を図ることができる。
また、請求項４記載の本発明のＮＯｘ吸蔵触媒の吸蔵量推定方法によれば、ＮＯｘ吸蔵触媒を簡略な数式でモデル化し、ＮＯｘ濃度演算工程によってリーン運転時のＮＯｘ吸蔵量が演算され、還元剤濃度演算工程によってリッチ運転時のＮＯｘ放出量が演算され、それぞれの工程が排ガスの流量及び触媒温度を加味しつつも独立して演算しているので、ＮＯｘ用であれば触媒の種類を問わず汎用性かつ信頼性の高い吸蔵量の推定を実現することができる。例えば、ＮＯｘ吸蔵量の回復が、ＮＯｘ放出によってＮＯｘ浄化率が変化してＮＯｘ吸蔵量が回復したものであるのか、若しくは、触媒温度及び排ガスの流量の変化によってＮＯｘ浄化率が変化してＮＯｘ吸蔵量が回復したようにみえただけなのかの違いも確実に把握することができる。
【００６８】
そして、触媒モデル式と下流側のＮＯｘセンサにより補正されたＮＯｘ吸蔵量の初期値を用いてＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸蔵量を推定しているので、リーン運転の開始時点にてＮＯｘ吸蔵触媒に残留しているＮＯｘ吸蔵量を含め、ＮＯｘ吸蔵量を正確に把握することができ、ＮＯｘ吸蔵量の推定精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るＮＯｘ吸蔵触媒の吸蔵量推定装置が適用されるエンジンシステム構成図である。
【図２】図１のＮＯｘ濃度演算部のブロック図である。
【図３】図１のＮＯｘ濃度演算部における補正計算のフローチャートである。
【図４】図１の触媒異常判定部における触媒劣化検知のフローチャートである。
【図５】図１の触媒異常判定部の異常判定に用いられる図である。
【図６】ＮＯｘ吸蔵触媒の一般的性能を示す図である。
【符号の説明】
１ ディーゼル機関
２０ 排気通路
２２ ＮＯｘ吸蔵触媒
３２ 排ガス流量センサ
３４ 排ガス温度センサ
３０ ＮＯｘセンサ
４０ 電子コントロールユニット（ＥＣＵ）
４２ ＮＯｘ濃度演算部
４４ 還元剤濃度演算部
４６ ＮＯｘ吸蔵量推定部
４８ 触媒異常判定部

Claims (4)

1. 機関の排気通路に設けられ、リーン運転時に排気中のＮＯｘを吸蔵するとともに該吸蔵したＮＯｘをリッチ運転を行うことにより放出還元させるＮＯｘ吸蔵触媒と、
   該ＮＯｘ吸蔵触媒の下流側に配設されたＮＯｘセンサと、
   前記排気通路の排ガスの流量、前記ＮＯｘ吸蔵触媒の触媒温度、ＮＯｘ浄化率に関わり同定される相当吸蔵率補正パラメータ及びＮＯｘ吸蔵量の初期値に基づいてリーン運転中における前記ＮＯｘ吸蔵触媒の下流側のＮＯｘ濃度を演算するＮＯｘ濃度演算部と、
   前記排ガスの流量及び前記触媒温度に基づいて前記リッチ運転中における前記ＮＯｘ吸蔵触媒の下流側の還元剤濃度を演算する還元剤濃度演算部と、
   前記ＮＯｘ濃度演算部及び前記還元剤濃度演算部の各出力信号に基づいて前記ＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸蔵量を推定するＮＯｘ吸蔵量推定部とを備え、
   前記ＮＯｘ濃度演算部は、前記ＮＯｘセンサによる実測された下流側のＮＯｘ濃度と該ＮＯｘ濃度演算部で演算された前記下流側のＮＯｘ濃度とを比較して前記ＮＯｘ吸蔵量の初期値を補正し、前記ＮＯｘ吸蔵触媒の下流側のＮＯｘ濃度を演算することを特徴とするＮＯｘ吸蔵触媒の吸蔵量推定装置。
2. 前記相当吸蔵率補正パラメータは、前記ＮＯｘ吸蔵触媒の下流側のＮＯｘ濃度が増大すると減少する関係にある補正パラメータであり、同定される該相当吸蔵率補正パラメータの一定期間内の平均値が所定値以下のとき、前記ＮＯｘ吸蔵触媒の異常を判定する触媒異常判定部をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のＮＯｘ吸蔵触媒の吸蔵量推定装置。
3. 前記還元剤濃度演算部は、還元剤浄化率に関わる相当放出率補正パラメータをさらに用いて前記ＮＯｘ吸蔵触媒の下流側の還元剤濃度を演算することを特徴とする請求項１又は２記載のＮＯｘ吸蔵触媒の吸蔵量推定装置。
4. 機関の排気通路の排ガスの流量、前記機関の排気通路に設けられてリーン運転時に排気中のＮＯｘを吸蔵するとともに該吸蔵したＮＯｘをリッチ運転を行うことで放出還元させるＮＯｘ吸蔵触媒の触媒温度、ＮＯｘ浄化率に関わり同定される相当吸蔵率補正パラメータ及びＮＯｘ吸蔵量の初期値に基づいてリーン運転中における前記ＮＯｘ吸蔵触媒の下流側のＮＯｘ濃度を演算するＮＯｘ濃度演算工程と、
   前記排ガスの流量及び前記触媒温度に基づいて前記リッチ運転中における前記ＮＯｘ吸蔵触媒の下流側の還元剤濃度を演算する還元剤濃度演算工程と、
   前記ＮＯｘ濃度演算工程及び前記還元剤濃度演算工程の各出力信号に基づいて前記ＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸蔵量を推定するＮＯｘ吸蔵量推定工程とを備え、
   前記ＮＯｘ濃度演算工程では、前記ＮＯｘ吸蔵触媒の下流側に配設されたＮＯｘセンサにより実測された下流側のＮＯｘ濃度と該ＮＯｘ濃度演算工程で演算された前記下流側のＮＯｘ濃度とを比較して前記ＮＯｘ吸蔵量の初期値を補正し、前記ＮＯｘ吸蔵触媒の下流側のＮＯｘ濃度を演算することを特徴とするＮＯｘ吸蔵触媒の吸蔵量推定方法。

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