JP4289033B2 - 排気ガス浄化システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を還元して浄化するＮＯｘ吸蔵還元型触媒を備えた内燃機関の排気ガス浄化システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンや一部のガソリンエンジン等の内燃機関や様々な燃焼装置の排気ガス中からＮＯｘを還元除去するためのＮＯｘ触媒について種々の研究や提案がなされている。その一つに、ディーゼルエンジン用のＮＯｘ低減触媒としてＮＯｘ吸蔵還元型触媒があり、有効に排気ガス中のＮＯｘを浄化できる。
【０００３】
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、図７に示すように、基本的に、アルミナ等の触媒担体３１上に、酸化・還元反応を促進する白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）等の貴金属類３２と、バリウム（Ｂａ）等のアルカリ土類金属等で形成されるＮＯｘを吸蔵・放出する機能を有するＮＯｘ吸蔵材（ＮＯｘ吸蔵物質）３３を担持した触媒である。
【０００４】
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、流入する排気ガスの空燃比がリーン（高酸素濃度）状態であって雰囲気中に酸素（Ｏ2 ）が存在する場合には、図７（ａ）に示すように、排気ガス中のＮＯが貴金属類３２により酸化されてＮＯ2 となり、このＮＯ2 はＮＯｘ吸蔵材３３に硝酸塩（Ｂａ2 ＮＯ4 ）として蓄積される。
【０００５】
また、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比やリッチ（低酸素濃度）状態になって雰囲気中に酸素が存在しなくなると、図７（ｂ）に示すように、Ｂａ等のＮＯｘ吸蔵材３３はＣＯと結合し、硝酸塩からＮＯ2 が分解放出され、この放出されたＮＯ2 は貴金属類３２の三元機能により排気ガス中に含まれている未燃ＨＣやＣＯ等で還元されＮ2 となり、排気ガス中の諸成分は、ＣＯ2 ，Ｈ2 Ｏ，Ｎ2 等の無害な物質として大気中に放出される。
【０００６】
そのため、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を備えた排気ガス浄化システムでは、ＮＯｘ吸蔵能力が飽和に近くなると、排気ガスの空燃比をリッチにして、流入する排気ガスの酸素濃度を低下させるＮＯｘ吸蔵能力回復用のリッチ制御を行うことにより吸収したＮＯｘを放出させて、この放出されたＮＯｘを貴金属触媒により還元させる再生操作を行っている。
【０００７】
そして、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を効果的に機能させるためには、リーン状態で吸蔵したＮＯｘを還元するのに必要十分な量の還元剤をリッチ状態時に供給する必要がある。
【０００８】
しかしながら、上記の硝酸塩からのＮＯ2 の分解離脱の化学反応は、低温時は遅く、高温時には早いという温度依存性があり、ＮＯ2 の分解離脱速度は触媒温度に依存するので、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の吸蔵機能と還元機能は、図８に示すように、触媒温度に依存する。
【０００９】
つまり、極低温領域（Ａ）ではＮＯｘ吸蔵機能も還元機能も低く、ＮＯｘを吸蔵及び還元しない。また、２００℃前後の低温領域（Ｂ）ではＮＯ2 の放出速度（分解離脱速度）が小さいため、吸蔵機能は高いが還元機能は低く、ＮＯｘを吸蔵するが還元能力が不十分となる。更に、４５０℃前後の中温領域（Ｃ）では、ＮＯ2 の放出速度が大きいため、吸蔵機能も還元機能も高く、吸蔵能力も還元能力も十分となる。そして、約６００℃以上の高温領域（Ｄ）では、温度上昇により吸蔵量が減少するため、吸蔵能力が減少する。
【００１０】
これらのＮＯｘ吸蔵還元型触媒の吸蔵機能と還元機能の触媒温度依存性を考慮して、ＮＯｘ吸収剤（ＮＯｘ吸蔵材）の温度を代表する温度（触媒温度等）が高いほどリッチの度合を大きくするか又はリッチにする時間を短くするＮＯｘ放出制御手段を具備した内燃機関の排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【００１１】
【特許文献１】
特許第２７２２９５１号公報 （第２頁）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際にＮＯｘ吸蔵還元型触媒に蓄積されたＮＯｘ蓄積量との関係で、リッチ制御時間を決定し、適切な量の還元剤を供給しないと、ＮＯｘ吸蔵材から放出されるＮＯｘ量と還元剤の量とがバランスできないため、触媒の下流側にＮＯｘ又は還元剤が排出されてしまうという問題が生じる。
【００１３】
つまり、図８に示すような、ＮＯ2 の分解離脱速度が十分に活性化される温度領域（Ｃ）では、ＮＯ2 の分離離脱速度が大きく、還元機能も十分に働くため、ＮＯｘ浄化率は低減され、また、ＣＯも還元剤として触媒反応に使用される量が増加するため、触媒後流側に排出（スリップ：ＳＬＩＰ）される量も少なくなる。
【００１４】
一方、図８に示すような、触媒温度が低温でＮＯ2 の分解離脱速度が遅い領域（Ｂ）では、分解速度が遅く、ＮＯｘ吸蔵材の表面しか反応しないため、分解反応に必要な時間が不足し、ＮＯ2 が吸蔵材より脱離し切れず蓄積し、次第にＮＯｘの排出量が増加してしまう。また、ＣＯ等の還元剤の供給時に、ＮＯｘ還元の反応速度に対して過剰な還元剤が供給されるため、使用されない過剰な還元剤が触媒後流側に排出（スリップ：ＳＬＩＰ）されてしまう。
【００１５】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、排気ガス中のＮＯｘの浄化のためにＮＯｘ吸蔵還元型触媒を用いる排気ガス浄化システムにおいて、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の上流側の排気温度等の触媒温度指標値を検出して、検出された触媒温度指標値に応じてリッチ制御時間と還元剤供給量を算出して、排気ガスの空燃比をリッチ制御することにより、還元剤の大気への排出を防止しながら、ＮＯｘ浄化率を向上できる排気ガス浄化システムを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成するための内燃機関の排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気通路に配置されたＮＯｘ吸蔵還元型触媒と、該ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力を回復するための触媒再生制御装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、前記触媒再生制御装置が、吸入空気量検出手段、空燃比制御手段、触媒温度検出手段及びＮＯｘ濃度検出手段とを具備し、前記ＮＯｘ濃度検出手段で検出した前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の前後のＮＯｘ濃度と、前記吸入空気量検出手段で検出した吸入空気量とから、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒におけるＮＯｘ累積量を算出すると共に、前記触媒温度検出手段で検出した触媒温度指標値からリッチ制御を行った場合の単位時間当たりのＮＯｘ放出量を算出し、該算出されたＮＯｘ累積量と単位時間当たりのＮＯｘ放出量からリッチ制御時間を決定し、リッチ制御時間の間、前記空燃比制御手段により排気ガス中の空燃比をリッチ状態に制御するように構成される。
【００１７】
ここで使用している触媒温度指標値とは、触媒温度と相関を持つ物理量や数値であり、計測した触媒温度そのものや、触媒温度を推定できるような温度、例えば、計測した排気温度や、エンジンの負荷や回転数から予め入力したマップデータ等から推定した触媒温度等をいう。一般的に、触媒温度を直接測定するのは難しいため、排気温度等出、触媒温度の代用をする。ここでは、この触媒温度の代用となる指標値を触媒温度指標値と呼ぶことにする。
【００１８】
また、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記触媒再生制御装置が、還元剤供給手段を具備し、前記触媒温度検出手段で検出した触媒温度指標値から単位時間当たりの還元剤供給量を算出し、前記還元剤供給手段により前記単位時間当たりの還元剤供給量になるように還元剤を供給するように構成される。
【００１９】
あるいは、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記触媒再生制御装置が、還元剤供給手段を具備し、前記単位時間当たりのＮＯｘ放出量から単位時間当たりの還元剤供給量を算出し、前記還元剤供給手段により前記単位時間当たりの還元剤供給量になるように還元剤を供給するように構成される。
【００２０】
また、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記触媒再生制御装置が、前記リッチ制御時間の間、前記空燃比制御手段により排気ガス中の空燃比をリッチ状態に制御する代りに、前記空燃比制御手段により所定の時間の間、排気ガス中の空燃比をリッチ状態に制御すると共に、前記単位時間当たりのＮＯｘ放出量と前記所定の時間とから算出したＮＯｘ吸蔵量の減少量を算出し、前記算出されたＮＯｘ累積量から前記減少量を引き算してＮＯｘ残存量を算出し、該ＮＯｘ残存量がゼロ以下になるまでの間、排気ガス中の空燃比をリッチ状態に制御するように構成される。
【００２１】
これらの構成によれば、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の前後のＮＯｘ濃度と吸入空気量とから、ＮＯｘ累積量を算出しているので、エンジンの運転状態の変化のみならず、環境の変化や過渡モードによるＮＯｘの排出量の変化にも対応でき、より推定精度が高くなる。
【００２２】
また、触媒温度検出手段で検出された触媒温度に基づいて、リッチ制御時のＮＯｘ放出量を算出しているので、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の温度特性を考慮した推定を行うことができ、より推定精度が高くなる。
【００２３】
そして、この高い精度で推定されたＮＯｘ累積量と単位時間当たりのＮＯｘ放出量とからリッチ制御時間を決定しているので、ＮＯｘ吸蔵能力の回復に関係しない無駄なリッチ制御が不要になり、燃費の節約となる。
【００２４】
更に、単位時間当たりの還元剤供給量も触媒温度に基づいて算出したり、単位時間当たりのＮＯｘ放出量に基づいて算出したりして、単位時間当たりのＮＯｘ放出量に対応した量で供給するので、ＮＯｘの還元に必要十分な量となり、ＮＯｘ及び還元剤の大気への排出を防止できる。また、ＮＯｘが放出されているリッチ制御時間も必要十分な時間となるので、還元剤の無駄な放出がなくなり、還元剤を節約できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムについて、図面を参照しながら説明する。
【００２６】
図１に示すように、この排気ガス浄化システム１を設けた自動車では、エンジン（内燃機関）Ｅの吸気通路１０に上流側からマスエアフローセンサ１１、インタークーラ１２、スロットル弁（吸気絞り弁）１３が設けられ、また、排気通路２０に上流側から、λ（空気過剰率）センサ２１、排気温度センサ２２、入口側ＮＯｘ濃度センサ２３、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３、出口側ＮＯｘ濃度センサ２４、消音器８が設けられている。また、排気ガスを吸気側に再循環するＥＧＲ通路４０が設けられている。
【００２７】
そして、エンジンＥの燃料噴射を行うコモンレール噴射システム５１及びエンジン全体を制御するＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と呼ばれる電子制御装置（電子制御ボックス）５が設けられている。コモンレール噴射システム５１は燃料タンク９から燃料を供給され、電子制御装置５はバッテリー７から電力供給される。
【００２８】
この排気ガス浄化システム１においては、空気Ａはマスエアフローセンサ１１、インタークーラ１２を通過して、電子制御装置５で制御されるスロットル弁１３により、吸気流量を調整され、エンジンＥの吸気マニホールドからシリンダ内に供給される。
【００２９】
また、排気ガスＧは、エンジンＥの排気マニホールドを出て排気通路２０のＮＯｘ吸蔵還元型触媒３を通過して浄化された排気ガスＧｃとなり、消音器８を通過し大気中へ排出される。そして、排気ガスＧの一部であるＥＧＲガスは、ＥＧＲ通路４０を通って吸気マニホールドに入り再循環する。
【００３０】
そして、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３は、図７に示すように、γアルミナ等で形成したモノリスハニカムのセルを担持体３１とし、この担持体３１の表面に触媒金属３２とＮＯｘ吸蔵材（ＮＯｘ吸蔵物質）３３を担持させて形成される。
【００３１】
この触媒金属３２は、活性開始温度より高い温度域で酸化活性を持つ白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）等で形成することができる。また、ＮＯｘ吸蔵材３３は、カリウム（Ｋ），ナトリウム（Ｎａ），リチウム（Ｌｉ），セシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属、バリウム（Ｂａ），カルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類金属、ランタン（Ｌａ），イットリウム（Ｙ）等の希土類等でのいずれか一つまたは組合せで形成することができ、ガス中の酸素濃度が高い時にはＮＯｘを吸蔵し、ガス中の酸素濃度が低い時にはＮＯｘを放出する。
【００３２】
そして、このＮＯｘ吸蔵還元型触媒３では、図７（ａ）に示すように、排気ガスがリーン状態（希薄燃焼）の高酸素濃度雰囲気下では、排気ガス中のＮＯは触媒金属３２の触媒作用により酸化されてＮＯ2 となり、ＮＯ3 - の形で触媒内に拡散しＮＯｘ吸蔵材３３に硝酸塩（Ｂａ（ＮＯ3)2)の形で吸収される。つまり、炭酸バリウム（ＢａＣＯ3)から硝酸バリウム（Ｂａ（ＮＯ3)2)に変化することで、選択的にＮＯ2 を吸蔵する。
【００３３】
そして、図７（ｂ）に示すように排気ガスがリッチ状態になり酸素濃度が低下するとＮＯ3 - がＮＯ2 の形でＮＯｘ吸蔵材３３から放出される。つまり、硝酸バリウム（Ｂａ（ＮＯ3)2)から炭酸バリウム（ＢａＣＯ3)に変化することで、ＮＯ2 を放出する。この放出されたＮＯ2 は、排気ガス中に含まれている未燃ＨＣやＣＯやＨ2 等の還元剤により触媒金属３２の触媒作用を受けて、Ｎ2 に還元される。この還元作用により、大気中にＮＯｘが放出されるのを阻止することができる。
【００３４】
なお、ここでいう排気ガスのリッチ状態とは、必ずしもシリンダボア内でリッチ燃焼する必要はなく、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３に流入する排気ガス中に供給した空気量と燃料量（シリンダボア内で燃焼した分も含めて）との比が理論空燃比に近いか理論空燃比より燃料量が多いリッチの状態であることをいう。
【００３５】
そして、本発明の排気ガス浄化システム１では、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３のＮＯｘ吸蔵能力を回復するための触媒再生制御装置５ａを、電子制御装置５内に備えて構成される。
【００３６】
この触媒再生制御装置５ａは、図２に示すような触媒再生手段Ｃ１を有して構成され、この触媒生成手段Ｃ１は、吸入空気量検出手段Ｃ１１、触媒温度検出手段Ｃ１２、ＮＯｘ濃度検出手段Ｃ１３、ＮＯｘ累積量算出手段Ｃ２１、ＮＯｘ放出量算出手段Ｃ２２、リッチ制御時間算出手段Ｃ２３、還元剤供給量算出手段Ｃ２４、空燃比制御手段Ｃ３１、還元剤供給手段Ｃ３２を具備して構成される。
【００３７】
吸入空気量検出手段Ｃ１１は、マスエアフローセンサ１１で吸入空気量を検出し、触媒温度検出手段Ｃ１２は、触媒温度指標値を検出する手段であるが、触媒温度の代りに排気温度センサ２２で検出した排気温度Ｔｇを触媒温度指標値として用いている。また、ＮＯｘ濃度検出手段Ｃ１３は、入口側ＮＯｘ濃度センサ２３と出口側ＮＯｘ濃度センサ２４で、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３の前後のＮＯｘ濃度を検出する。
【００３８】
また、ＮＯｘ累積量算出手段Ｃ２１は、吸入空気量検出手段Ｃ１１で検出した吸入空気量とＮＯｘ濃度検出手段Ｃ１３で検出したＮＯｘ吸蔵還元型触媒３の前後のＮＯｘ濃度とからＮＯｘ吸蔵還元型触媒３におけるＮＯｘ累積量を算出する。
【００３９】
ＮＯｘ放出量算出手段Ｃ２２は、触媒温度検出手段Ｃ１２で検出した排気温度（触媒温度指標値）から単位時間当たりのＮＯｘ放出量を算出し、リッチ制御時間算出手段Ｃ２３は、ＮＯｘ累積量算出手段Ｃ２１で算出されたＮＯｘ累積量と、ＮＯｘ放出量算出手段Ｃ２２で算出された単位時間当たりのＮＯｘ放出量からリッチ制御時間を算出する。また、還元剤供給量算出手段Ｃ２４は、触媒温度検出手段Ｃ１２で検出した排気温度（触媒温度指標値）から単位時間当たりの還元剤供給量を算出する。
【００４０】
空燃比制御手段Ｃ３１は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３のＮＯｘ吸蔵能力を回復させるために、排気ガスをリッチ状態にして、触媒周囲の雰囲気を低酸素又は酸素ゼロの状態にするための手段であり、このリッチ状態にする空燃比制御では、シリンダ内への燃料噴射制御による多段噴射の燃料噴射量や噴射時期の調整とＥＧＲ調整と吸気絞り調整等によって、排気ガスの状態を酸素濃度がゼロに近いリッチ状態にする。
【００４１】
還元剤供給手段Ｃ３２は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３から放出されるＮＯｘを還元するためのＨＣやＣＯ等の還元剤を供給する手段であり、シリンダ内への燃料噴射において、ポスト噴射等により還元剤を供給し、このポスト噴射の量とタイミングの調整やＥＧＲ量の調整により、還元剤供給量を調整する。
【００４２】
そして、この排気ガス浄化システム１では、触媒再生制御装置５ａの触媒再生手段Ｃ１により、図３及び図４に例示するような制御フローに従って、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３の再生制御が行われる。なお、この図３及び図４の制御フローは、エンジン１０の運転に際して、エンジンの他の制御フローと並行して、実行されるものとして示してある。
【００４３】
この図３の制御フローがスタートすると、ステップＳ１０の制御の準備で、前回の制御終了時のＮＯｘ蓄積量Ｎｔ、リッチ制御フラグＦ、実リッチ制御経過時間ｔｒ等のデータを入力し、次のステップＳ２０で、リッチ制御中であるか否かを、リッチ制御フラグＦが立っているか（Ｆ＝１）、否か（Ｆ＝０）で判定する。
【００４４】
このステップＳ２０でリッチ制御中ではないと判定された場合にはステップＳ２１に行き、リッチ制御中であると判定された場合にはステップＳ４０のリッチ制御運転に行く。
【００４５】
ステップＳ２１では、ＮＯｘ吸蔵能力の回復のためのリッチ制御が必要か否かを、例えば、ＮＯｘ累積量Ｎｔが所定の判定値Ｎｔ０を超えているか否かで判定する。この判定で、リッチ制御運転は必要ないと判定された場合は、ステップＳ３０のリーンモード運転で通常のリーン燃焼（希薄燃焼）運転である通常のリーンモード運転を所定の時間（リッチ制御の判定間隔に関係する時間）Δｔｌの間行い、ステップＳ２０に戻る。また、リッチ制御運転が必要と判定された場合は、ステップＳ４０のリッチ制御運転に行く。
【００４６】
このステップＳ３０のリーンモード運転においては、入口ＮＯｘ濃度センサ２３から入口ＮＯｘ濃度Ｎａを、出口ＮＯｘ濃度センサ２３から出口ＮＯｘ濃度Ｎｂを、また、マスエアフローセンサ１１から吸気量Ｖａを入力し、このＮＯｘ濃度値の差ΔＮ（＝Ｎａ−Ｎｂ）と、吸気量Ｖａから、単位時間当たりのＮＯｘ累積量Ｎｃ（＝ΔＮ×Ｖａ）を計算し、これを累積計算して、このリーンモード運転におけるＮＯｘ累積量Ｎｔ（＝Ｎｔ＋ΔＮ×Ｖａ×Δｔｌ）を算出する。
【００４７】
このステップＳ４０のリッチ制御では、ステップＳ４１の計測データの入力で、排気温度センサ２２から排気温度（触媒温度指標値）Ｔｇを入力し、次のステップＳ４２で、リッチ制御を行った場合の単位時間当たりのＮＯｘ放出量（分解離脱量）Ｎｄを算出する。このＮＯｘ放出量Ｎｄの算出は、予め、実験等で求めたおいた排気温度ＴｇとＮＯｘ放出量Ｎｄとの関係をマップデータや関数等で記憶しておき、検出された排気温度Ｔｇから、これらのマップデータ等を使用して、リッチ制御を行った場合の単位時間当たりのＮＯｘ放出量Ｎｄを求める方法で行う。
【００４８】
次のステップＳ４３で、単位時間当たりの還元剤供給量Ｍｄを算出する。この還元剤供給量Ｍａの算出は、予め、実験等で求めたおいた排気温度Ｔｇと還元剤供給量Ｍａとの関係をマップデータや関数等で記憶しておき、検出された排気温度Ｔｇから、これらのマップデータ等を使用して、単位時間当たりの還元剤供給量Ｍａを求める方法で行ってもよく、あるいは、ＮＯｘ放出量算出手段Ｃ２２で算出した単位時間当たりのＮＯｘ放出量Ｎｄを参照して、この還元剤供給量Ｍａを補正する方法で行ってもよい。
【００４９】
次のステップＳ４４で、リッチタイマがオン中であるか否かを、リッチタイマで計測されている実リッチ制御経過時間ｔｒが正の値（ｔｒ＞０）であるか否か、あるいは、リッチ制御フラグＦが立っているか（Ｆ＝１）、否か（Ｆ＝０）で判定する。この判定でリッチタイマがオン中ではない（ｔｒ＝０）、即ち、未だリッチ制御運転を開始していない（Ｆ＝０）と判定された場合は、ステップＳ４５〜Ｓ４７でリッチ制御開始作業を行う。
【００５０】
ステップＳ４５で、ＮＯｘ累積量Ｎｔとリッチ制御を行った場合の単位時間当たりのＮＯｘ放出量Ｎｄとから、リッチ制御時間ｔｒ０を算出する。このリッチ制御時間ｔｒ０の算出は、リッチ制御時間ｔｒ０内における触媒温度を一定と近似した場合には、ＮＯｘ累積量Ｎｔを単位時間当たりのＮＯｘ放出量Ｎｄで除することで、リッチ制御時間ｔｒ０（＝Ｎｔ／Ｎｄ）を算出できる。
【００５１】
そして、ステップＳ４６で、リッチ制御運転を開始し、リッチ制御フラグＦを立てる（Ｆ＝１）。それと共に、ステップＳ４７で、リッチタイマを起動し、実リッチ制御経過時間ｔｒの計測を開始する。
【００５２】
このリッチ制御運転は、シリンダ内への燃料噴射制御による多段噴射の燃料噴射量や噴射時期の調整とＥＧＲ調整と吸気絞り調整等によって、排気ガスの状態を酸素濃度がゼロに近いリッチ状態にする。
【００５３】
つまり、燃料噴射制御において、多段噴射を行うと共に、λセンサ２１で検出したλ（過剰空気率）をモニターし、目標のλｔになるようにλをフィードバック制御する。つまり、触媒入口の酸素濃度をＮＯｘ吸蔵材からのＮＯ2 の放出が可能な酸素濃度（例えば１％）以下になるように制御する。また、この時、吸気量を計測するマスエアフローセンサ１１の出力をモニターしながら、ＥＧＲ量や吸気絞り量をフィードバック制御する。
【００５４】
そして、ステップＳ４８で、実リッチ制御経過時間ｔｒがリッチ制御時間ｔｒ０を超えたか否かにより、リッチ制御運転が終了であるか否かを判定する。この判定で終了でない場合（ｔｒ＜ｔｒ０）には、ステップＳ５０で実リッチ制御経過時間ｔｒをメモリに収納して、ステップＳ１１に戻る。
【００５５】
そして、ステップＳ４８の判定で、実リッチ制御経過時間ｔｒがリッチ制御時間ｔｒ０を超えてリッチ制御運転が終了になった場合には、ステップＳ４９で、ＮＯｘ累積量Ｎｔとリッチ制御フラグＦのリセット、及び、リッチタイマの停止（Ｎｔ＝０，Ｆ＝０，ｔｒ＝０）等のリッチ制御運転終了作業を行い、ステップＳ５０で実リッチ制御経過時間ｔｒをメモリに収納して、ステップＳ２０に戻る。
【００５６】
そして、エンジンキーがＯＦＦされるまで、ステップＳ２０〜Ｓ３０又はステップＳ２０〜Ｓ４０が繰り返し実行される。
【００５７】
そして、この制御フローの実行途中で、エンジンキーがＯＦＦされると、ステップＳ６０の割り込みが発生し、ステップＳ６１で、ＮＯｘ蓄積量Ｎｔ等をメモリに収納する等の終了作業を行って、ストップし終了する。
【００５８】
図３及び図４の制御フローでは、リッチ制御時間内において、排気温度（触媒温度指標値）Ｔｇがリッチ制御時間内（ｔｒ＝０〜ｔｒ０間）で一定と近似して、この排気温度Ｔｇにおけるリッチ制御を行った場合の単位時間当たりのＮＯｘ放出量Ｎｄを使用して、ＮＯｘ累積量Ｎｔとからリッチ制御時間ｔｒ０（＝Ｎｔ／Ｎｄ）を算出しているが、リッチ制御時間ｔｒ０内における触媒温度の変化を考慮する場合には、リッチ制御運転の終了に判定を次のような制御で行うこともできる。
【００５９】
この制御では、リッチ制御時間内（０〜ｔｒ０間）ではなく、リッチ制御の各制御サイクル時間（Δｔｒ）毎に触媒温度Ｔｇの影響を入れて、その制御サイクルにおけるＮＯｘ放出量ΔＮｄを、単位時間当たりのＮＯｘ放出量Ｎｄに制御サイクルの時間Δｔｒを乗じて算出し、このＮＯｘ放出量ΔＮｄ（＝Ｎｄ×Δｔｒ）をＮＯｘ累積量Ｎｔから引き算しながら（Ｎｔ＝Ｎｔ−ΔＮｄ）、ＮＯｘ累積量Ｎｔがゼロ又は負（Ｎｔ≦０）になった時点をリッチ制御の終了時期とする。この場合には、リッチ制御開始からこのリッチ制御の終了時期までがリッチ制御時間となる。
【００６０】
以上の構成の排気ガス浄化システム１によれば、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３の前後のＮＯｘ濃度Ｎａ，Ｎｂと吸入空気量Ｖａとから、ＮＯｘ累積量Ｎｔを算出しているので、エンジンの運転状態の変化のみならず、環境の変化や過渡モードによるＮＯｘの排出量の変化にも対応したより高精度の推定が可能となる。
【００６１】
また、排気温度（触媒温度指標値）Ｔｇに基づいて、リッチ制御時の単位時間当たりのＮＯｘ放出量Ｎｄを算出しているので、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３の吸蔵及び還元能力の温度特性を考慮することができる。
【００６２】
そして、この高い精度で推定されたＮＯｘ累積量Ｎｔと単位時間当たりのＮＯｘ放出量Ｎｄとからリッチ制御時間ｔｒ０を決定しているので、ＮＯｘ吸蔵能力の回復に関係しない無駄なリッチ制御運転が不要になり、燃費を節約できる。
【００６３】
更に、単位時間当たりの還元剤供給量Ｍａも触媒温度指標値Ｔｇ又は単位時間当たりのＮＯｘ放出量Ｎｄに基づいて算出し、還元剤をＮＯｘ放出量に対応した量で供給するので、ＮＯｘの還元に必要十分な量となり、ＮＯｘ及び還元剤の大気への排出を防止できる。
【００６４】
この排気ガス浄化システム１による排気ガスの浄化の実施例と比較例を図５と図６に示す。この図５と図６は、触媒温度が２００℃の時のＮＯｘ還元性能を示した図であり、図５は、触媒温度指標値をモニターして、ＮＯ2 分解反応速度を考慮したＮＯ2 分解反応速度に応じたリッチ制御時間の設定と還元剤量の供給を行う実施例であり、図６は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯ2 分解反応速度を考慮しない比較例である。
【００６５】
比較例では、２点鎖線で示すように触媒出口ＮＯｘが徐々に増加しているのに対して、実施例では、触媒出口ＮＯｘは殆ど変化しておらず、本発明の効果が分かる。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る排気ガス浄化システムによれば、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の前後のＮＯｘ濃度と吸入空気量とから、ＮＯｘ累積量を算出しているので、エンジンの運転状態の変化のみならず、環境の変化や過渡モードによるＮＯｘの排出量の変化にも対応でき、より高精度でＮＯｘ累積量を推定できる。
【００６７】
また、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の温度特性を考慮に入れて、触媒温度検出手段で検出された触媒温度に基づいて、リッチ制御時の単位時間当たりのＮＯｘ放出量を算出し、この高い精度で推定されたＮＯｘ累積量と単位時間当たりのＮＯｘ放出量とからリッチ制御時間を決定しているので、ＮＯｘ吸蔵能力の回復に関係しない無駄なリッチ制御が不要になり、リッチ制御のための燃料が節約でき、燃費が向上する。
【００６８】
更に、単位時間当たりの還元剤供給量も触媒温度に基づいて算出し、単位時間当たりのＮＯｘ放出量に対応した量で供給するので、ＮＯｘの還元に必要十分な量となり、ＮＯｘ及び還元剤の大気への排出を防止できる。また、ＮＯｘが放出されているリッチ制御時間も必要十分な時間となるので、還元剤の無駄な放出がなくなり、還元剤が節約できる。
【００６９】
そして、特に、ＮＯｘの吸蔵還元能力の低下が見られる３００℃以下の低温時でもＮＯｘの還元浄化を効果的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムの構成を示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムの再生制御手段の構成を示す図である。
【図３】本発明に係る実施の形態の排気ガスシステムの制御フローの一例を示す図である。
【図４】図３のリッチ制御運転の制御フロー図である。
【図５】実施例におけるＮＯｘ還元性能を示す図である。
【図６】比較例におけるＮＯｘ還元性能を示す図である。
【図７】本発明に係るＮＯｘ吸蔵還元型触媒の構成と浄化のメカニズムを模式的に示す図で、（ａ）はリーン制御の時の状態（ＮＯ2 吸蔵）を示す図で、（ｂ）はリッチ制御の状態（ＮＯ2 放出還元）を示す図である。
【図８】ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の吸蔵及び還元能力と触媒温度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１ 排気ガス浄化システム
３ ＮＯｘ吸蔵還元型触媒
５ 電子制御装置（電子制御ボックス）
５ａ 触媒再生制御装置
１１ マスエアフローセンサ
２２ 排気温度センサ
２３ 入口側ＮＯｘ濃度センサ
２４ 出口側ＮＯｘ濃度センサ
Ｅ エンジン（内燃機関）
Ｃ１ 触媒再生手段
Ｃ１１ 吸入空気量検出手段
Ｃ１２ 触媒温度検出手段
Ｃ１３ ＮＯｘ濃度検出手段
Ｃ２１ ＮＯｘ累積量算出手段
Ｃ２２ ＮＯｘ放出量算出手段
Ｃ２３ リッチ制御時間算出手段
Ｃ２４ 還元剤供給量算出手段
Ｃ３１ 空燃比制御手段
Ｃ３２ 還元剤供給手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を還元して浄化するＮＯｘ吸蔵還元型触媒を備えた内燃機関の排気ガス浄化システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンや一部のガソリンエンジン等の内燃機関や様々な燃焼装置の排気ガス中からＮＯｘを還元除去するためのＮＯｘ触媒について種々の研究や提案がなされている。その一つに、ディーゼルエンジン用のＮＯｘ低減触媒としてＮＯｘ吸蔵還元型触媒があり、有効に排気ガス中のＮＯｘを浄化できる。
【０００３】
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、図７に示すように、基本的に、アルミナ等の触媒担体３１上に、酸化・還元反応を促進する白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）等の貴金属類３２と、バリウム（Ｂａ）等のアルカリ土類金属等で形成されるＮＯｘを吸蔵・放出する機能を有するＮＯｘ吸蔵材（ＮＯｘ吸蔵物質）３３を担持した触媒である。
【０００４】
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、流入する排気ガスの空燃比がリーン（高酸素濃度）状態であって雰囲気中に酸素（Ｏ2 ）が存在する場合には、図７（ａ）に示すように、排気ガス中のＮＯが貴金属類３２により酸化されてＮＯ2 となり、このＮＯ2 はＮＯｘ吸蔵材３３に硝酸塩（Ｂａ2 ＮＯ4 ）として蓄積される。
【０００５】
また、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比やリッチ（低酸素濃度）状態になって雰囲気中に酸素が存在しなくなると、図７（ｂ）に示すように、Ｂａ等のＮＯｘ吸蔵材３３はＣＯと結合し、硝酸塩からＮＯ2 が分解放出され、この放出されたＮＯ2 は貴金属類３２の三元機能により排気ガス中に含まれている未燃ＨＣやＣＯ等で還元されＮ2 となり、排気ガス中の諸成分は、ＣＯ2 ，Ｈ2 Ｏ，Ｎ2 等の無害な物質として大気中に放出される。
【０００６】
そのため、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を備えた排気ガス浄化システムでは、ＮＯｘ吸蔵能力が飽和に近くなると、排気ガスの空燃比をリッチにして、流入する排気ガスの酸素濃度を低下させるＮＯｘ吸蔵能力回復用のリッチ制御を行うことにより吸収したＮＯｘを放出させて、この放出されたＮＯｘを貴金属触媒により還元させる再生操作を行っている。
【０００７】
そして、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を効果的に機能させるためには、リーン状態で吸蔵したＮＯｘを還元するのに必要十分な量の還元剤をリッチ状態時に供給する必要がある。
【０００８】
しかしながら、上記の硝酸塩からのＮＯ2 の分解離脱の化学反応は、低温時は遅く、高温時には早いという温度依存性があり、ＮＯ2 の分解離脱速度は触媒温度に依存するので、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の吸蔵機能と還元機能は、図８に示すように、触媒温度に依存する。
【０００９】
つまり、極低温領域（Ａ）ではＮＯｘ吸蔵機能も還元機能も低く、ＮＯｘを吸蔵及び還元しない。また、２００℃前後の低温領域（Ｂ）ではＮＯ2 の放出速度（分解離脱速度）が小さいため、吸蔵機能は高いが還元機能は低く、ＮＯｘを吸蔵するが還元能力が不十分となる。更に、４５０℃前後の中温領域（Ｃ）では、ＮＯ2 の放出速度が大きいため、吸蔵機能も還元機能も高く、吸蔵能力も還元能力も十分となる。そして、約６００℃以上の高温領域（Ｄ）では、温度上昇により吸蔵量が減少するため、吸蔵能力が減少する。
【００１０】
これらのＮＯｘ吸蔵還元型触媒の吸蔵機能と還元機能の触媒温度依存性を考慮して、ＮＯｘ吸収剤（ＮＯｘ吸蔵材）の温度を代表する温度（触媒温度等）が高いほどリッチの度合を大きくするか又はリッチにする時間を短くするＮＯｘ放出制御手段を具備した内燃機関の排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【００１１】
【特許文献１】
特許第２７２２９５１号公報 （第２頁）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際にＮＯｘ吸蔵還元型触媒に蓄積されたＮＯｘ蓄積量との関係で、リッチ制御時間を決定し、適切な量の還元剤を供給しないと、ＮＯｘ吸蔵材から放出されるＮＯｘ量と還元剤の量とがバランスできないため、触媒の下流側にＮＯｘ又は還元剤が排出されてしまうという問題が生じる。
【００１３】
つまり、図８に示すような、ＮＯ2 の分解離脱速度が十分に活性化される温度領域（Ｃ）では、ＮＯ2 の分離離脱速度が大きく、還元機能も十分に働くため、ＮＯｘ浄化率は低減され、また、ＣＯも還元剤として触媒反応に使用される量が増加するため、触媒後流側に排出（スリップ：ＳＬＩＰ）される量も少なくなる。
【００１４】
一方、図８に示すような、触媒温度が低温でＮＯ2 の分解離脱速度が遅い領域（Ｂ）では、分解速度が遅く、ＮＯｘ吸蔵材の表面しか反応しないため、分解反応に必要な時間が不足し、ＮＯ2 が吸蔵材より脱離し切れず蓄積し、次第にＮＯｘの排出量が増加してしまう。また、ＣＯ等の還元剤の供給時に、ＮＯｘ還元の反応速度に対して過剰な還元剤が供給されるため、使用されない過剰な還元剤が触媒後流側に排出（スリップ：ＳＬＩＰ）されてしまう。
【００１５】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、排気ガス中のＮＯｘの浄化のためにＮＯｘ吸蔵還元型触媒を用いる排気ガス浄化システムにおいて、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の上流側の排気温度等の触媒温度指標値を検出して、検出された触媒温度指標値に応じてリッチ制御時間と還元剤供給量を算出して、排気ガスの空燃比をリッチ制御することにより、還元剤の大気への排出を防止しながら、ＮＯｘ浄化率を向上できる排気ガス浄化システムを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成するための内燃機関の排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気通路に配置されたＮＯｘ吸蔵還元型触媒と、該ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力を回復するための触媒再生制御装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、前記触媒再生制御装置が、吸入空気量検出手段、空燃比制御手段、触媒温度検出手段及びＮＯｘ濃度検出手段とを具備し、前記ＮＯｘ濃度検出手段で検出した前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の前後のＮＯｘ濃度と、前記吸入空気量検出手段で検出した吸入空気量とから、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒におけるＮＯｘ累積量を算出すると共に、前記触媒温度検出手段で検出した触媒温度指標値からリッチ制御を行った場合の単位時間当たりのＮＯｘ放出量を算出し、該算出されたＮＯｘ累積量と単位時間当たりのＮＯｘ放出量からリッチ制御時間を決定し、リッチ制御時間の間、前記空燃比制御手段により排気ガス中の空燃比をリッチ状態に制御するように構成される。
【００１７】
ここで使用している触媒温度指標値とは、触媒温度と相関を持つ物理量や数値であり、計測した触媒温度そのものや、触媒温度を推定できるような温度、例えば、計測した排気温度や、エンジンの負荷や回転数から予め入力したマップデータ等から推定した触媒温度等をいう。一般的に、触媒温度を直接測定するのは難しいため、排気温度等出、触媒温度の代用をする。ここでは、この触媒温度の代用となる指標値を触媒温度指標値と呼ぶことにする。
【００１８】
また、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記触媒再生制御装置が、還元剤供給手段を具備し、前記触媒温度検出手段で検出した触媒温度指標値から単位時間当たりの還元剤供給量を算出し、前記還元剤供給手段により前記単位時間当たりの還元剤供給量になるように還元剤を供給するように構成される。
【００１９】
あるいは、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記触媒再生制御装置が、還元剤供給手段を具備し、前記単位時間当たりのＮＯｘ放出量から単位時間当たりの還元剤供給量を算出し、前記還元剤供給手段により前記単位時間当たりの還元剤供給量になるように還元剤を供給するように構成される。
【００２０】
また、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記触媒再生制御装置が、前記リッチ制御時間の間、前記空燃比制御手段により排気ガス中の空燃比をリッチ状態に制御する代りに、前記空燃比制御手段により所定の時間の間、排気ガス中の空燃比をリッチ状態に制御すると共に、前記単位時間当たりのＮＯｘ放出量と前記所定の時間とから算出したＮＯｘ吸蔵量の減少量を算出し、前記算出されたＮＯｘ累積量から前記減少量を引き算してＮＯｘ残存量を算出し、該ＮＯｘ残存量がゼロ以下になるまでの間、排気ガス中の空燃比をリッチ状態に制御するように構成される。
【００２１】
これらの構成によれば、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の前後のＮＯｘ濃度と吸入空気量とから、ＮＯｘ累積量を算出しているので、エンジンの運転状態の変化のみならず、環境の変化や過渡モードによるＮＯｘの排出量の変化にも対応でき、より推定精度が高くなる。
【００２２】
また、触媒温度検出手段で検出された触媒温度に基づいて、リッチ制御時のＮＯｘ放出量を算出しているので、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の温度特性を考慮した推定を行うことができ、より推定精度が高くなる。
【００２３】
そして、この高い精度で推定されたＮＯｘ累積量と単位時間当たりのＮＯｘ放出量とからリッチ制御時間を決定しているので、ＮＯｘ吸蔵能力の回復に関係しない無駄なリッチ制御が不要になり、燃費の節約となる。
【００２４】
更に、単位時間当たりの還元剤供給量も触媒温度に基づいて算出したり、単位時間当たりのＮＯｘ放出量に基づいて算出したりして、単位時間当たりのＮＯｘ放出量に対応した量で供給するので、ＮＯｘの還元に必要十分な量となり、ＮＯｘ及び還元剤の大気への排出を防止できる。また、ＮＯｘが放出されているリッチ制御時間も必要十分な時間となるので、還元剤の無駄な放出がなくなり、還元剤を節約できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムについて、図面を参照しながら説明する。
【００２６】
図１に示すように、この排気ガス浄化システム１を設けた自動車では、エンジン（内燃機関）Ｅの吸気通路１０に上流側からマスエアフローセンサ１１、インタークーラ１２、スロットル弁（吸気絞り弁）１３が設けられ、また、排気通路２０に上流側から、λ（空気過剰率）センサ２１、排気温度センサ２２、入口側ＮＯｘ濃度センサ２３、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３、出口側ＮＯｘ濃度センサ２４、消音器８が設けられている。また、排気ガスを吸気側に再循環するＥＧＲ通路４０が設けられている。
【００２７】
そして、エンジンＥの燃料噴射を行うコモンレール噴射システム５１及びエンジン全体を制御するＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と呼ばれる電子制御装置（電子制御ボックス）５が設けられている。コモンレール噴射システム５１は燃料タンク９から燃料を供給され、電子制御装置５はバッテリー７から電力供給される。
【００２８】
この排気ガス浄化システム１においては、空気Ａはマスエアフローセンサ１１、インタークーラ１２を通過して、電子制御装置５で制御されるスロットル弁１３により、吸気流量を調整され、エンジンＥの吸気マニホールドからシリンダ内に供給される。
【００２９】
また、排気ガスＧは、エンジンＥの排気マニホールドを出て排気通路２０のＮＯｘ吸蔵還元型触媒３を通過して浄化された排気ガスＧｃとなり、消音器８を通過し大気中へ排出される。そして、排気ガスＧの一部であるＥＧＲガスは、ＥＧＲ通路４０を通って吸気マニホールドに入り再循環する。
【００３０】
そして、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３は、図７に示すように、γアルミナ等で形成したモノリスハニカムのセルを担持体３１とし、この担持体３１の表面に触媒金属３２とＮＯｘ吸蔵材（ＮＯｘ吸蔵物質）３３を担持させて形成される。
【００３１】
この触媒金属３２は、活性開始温度より高い温度域で酸化活性を持つ白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）等で形成することができる。また、ＮＯｘ吸蔵材３３は、カリウム（Ｋ），ナトリウム（Ｎａ），リチウム（Ｌｉ），セシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属、バリウム（Ｂａ），カルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類金属、ランタン（Ｌａ），イットリウム（Ｙ）等の希土類等でのいずれか一つまたは組合せで形成することができ、ガス中の酸素濃度が高い時にはＮＯｘを吸蔵し、ガス中の酸素濃度が低い時にはＮＯｘを放出する。
【００３２】
そして、このＮＯｘ吸蔵還元型触媒３では、図７（ａ）に示すように、排気ガスがリーン状態（希薄燃焼）の高酸素濃度雰囲気下では、排気ガス中のＮＯは触媒金属３２の触媒作用により酸化されてＮＯ2 となり、ＮＯ3 - の形で触媒内に拡散しＮＯｘ吸蔵材３３に硝酸塩（Ｂａ（ＮＯ3)2)の形で吸収される。つまり、炭酸バリウム（ＢａＣＯ3)から硝酸バリウム（Ｂａ（ＮＯ3)2)に変化することで、選択的にＮＯ2 を吸蔵する。
【００３３】
そして、図７（ｂ）に示すように排気ガスがリッチ状態になり酸素濃度が低下するとＮＯ3 - がＮＯ2 の形でＮＯｘ吸蔵材３３から放出される。つまり、硝酸バリウム（Ｂａ（ＮＯ3)2)から炭酸バリウム（ＢａＣＯ3)に変化することで、ＮＯ2 を放出する。この放出されたＮＯ2 は、排気ガス中に含まれている未燃ＨＣやＣＯやＨ2 等の還元剤により触媒金属３２の触媒作用を受けて、Ｎ2 に還元される。この還元作用により、大気中にＮＯｘが放出されるのを阻止することができる。
【００３４】
なお、ここでいう排気ガスのリッチ状態とは、必ずしもシリンダボア内でリッチ燃焼する必要はなく、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３に流入する排気ガス中に供給した空気量と燃料量（シリンダボア内で燃焼した分も含めて）との比が理論空燃比に近いか理論空燃比より燃料量が多いリッチの状態であることをいう。
【００３５】
そして、本発明の排気ガス浄化システム１では、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３のＮＯｘ吸蔵能力を回復するための触媒再生制御装置５ａを、電子制御装置５内に備えて構成される。
【００３６】
この触媒再生制御装置５ａは、図２に示すような触媒再生手段Ｃ１を有して構成され、この触媒生成手段Ｃ１は、吸入空気量検出手段Ｃ１１、触媒温度検出手段Ｃ１２、ＮＯｘ濃度検出手段Ｃ１３、ＮＯｘ累積量算出手段Ｃ２１、ＮＯｘ放出量算出手段Ｃ２２、リッチ制御時間算出手段Ｃ２３、還元剤供給量算出手段Ｃ２４、空燃比制御手段Ｃ３１、還元剤供給手段Ｃ３２を具備して構成される。
【００３７】
吸入空気量検出手段Ｃ１１は、マスエアフローセンサ１１で吸入空気量を検出し、触媒温度検出手段Ｃ１２は、触媒温度指標値を検出する手段であるが、触媒温度の代りに排気温度センサ２２で検出した排気温度Ｔｇを触媒温度指標値として用いている。また、ＮＯｘ濃度検出手段Ｃ１３は、入口側ＮＯｘ濃度センサ２３と出口側ＮＯｘ濃度センサ２４で、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３の前後のＮＯｘ濃度を検出する。
【００３８】
また、ＮＯｘ累積量算出手段Ｃ２１は、吸入空気量検出手段Ｃ１１で検出した吸入空気量とＮＯｘ濃度検出手段Ｃ１３で検出したＮＯｘ吸蔵還元型触媒３の前後のＮＯｘ濃度とからＮＯｘ吸蔵還元型触媒３におけるＮＯｘ累積量を算出する。
【００３９】
ＮＯｘ放出量算出手段Ｃ２２は、触媒温度検出手段Ｃ１２で検出した排気温度（触媒温度指標値）から単位時間当たりのＮＯｘ放出量を算出し、リッチ制御時間算出手段Ｃ２３は、ＮＯｘ累積量算出手段Ｃ２１で算出されたＮＯｘ累積量と、ＮＯｘ放出量算出手段Ｃ２２で算出された単位時間当たりのＮＯｘ放出量からリッチ制御時間を算出する。また、還元剤供給量算出手段Ｃ２４は、触媒温度検出手段Ｃ１２で検出した排気温度（触媒温度指標値）から単位時間当たりの還元剤供給量を算出する。
【００４０】
空燃比制御手段Ｃ３１は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３のＮＯｘ吸蔵能力を回復させるために、排気ガスをリッチ状態にして、触媒周囲の雰囲気を低酸素又は酸素ゼロの状態にするための手段であり、このリッチ状態にする空燃比制御では、シリンダ内への燃料噴射制御による多段噴射の燃料噴射量や噴射時期の調整とＥＧＲ調整と吸気絞り調整等によって、排気ガスの状態を酸素濃度がゼロに近いリッチ状態にする。
【００４１】
還元剤供給手段Ｃ３２は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３から放出されるＮＯｘを還元するためのＨＣやＣＯ等の還元剤を供給する手段であり、シリンダ内への燃料噴射において、ポスト噴射等により還元剤を供給し、このポスト噴射の量とタイミングの調整やＥＧＲ量の調整により、還元剤供給量を調整する。
【００４２】
そして、この排気ガス浄化システム１では、触媒再生制御装置５ａの触媒再生手段Ｃ１により、図３及び図４に例示するような制御フローに従って、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３の再生制御が行われる。なお、この図３及び図４の制御フローは、エンジン１０の運転に際して、エンジンの他の制御フローと並行して、実行されるものとして示してある。
【００４３】
この図３の制御フローがスタートすると、ステップＳ１０の制御の準備で、前回の制御終了時のＮＯｘ蓄積量Ｎｔ、リッチ制御フラグＦ、実リッチ制御経過時間ｔｒ等のデータを入力し、次のステップＳ２０で、リッチ制御中であるか否かを、リッチ制御フラグＦが立っているか（Ｆ＝１）、否か（Ｆ＝０）で判定する。
【００４４】
このステップＳ２０でリッチ制御中ではないと判定された場合にはステップＳ２１に行き、リッチ制御中であると判定された場合にはステップＳ４０のリッチ制御運転に行く。
【００４５】
ステップＳ２１では、ＮＯｘ吸蔵能力の回復のためのリッチ制御が必要か否かを、例えば、ＮＯｘ累積量Ｎｔが所定の判定値Ｎｔ０を超えているか否かで判定する。この判定で、リッチ制御運転は必要ないと判定された場合は、ステップＳ３０のリーンモード運転で通常のリーン燃焼（希薄燃焼）運転である通常のリーンモード運転を所定の時間（リッチ制御の判定間隔に関係する時間）Δｔｌの間行い、ステップＳ２０に戻る。また、リッチ制御運転が必要と判定された場合は、ステップＳ４０のリッチ制御運転に行く。
【００４６】
このステップＳ３０のリーンモード運転においては、入口ＮＯｘ濃度センサ２３から入口ＮＯｘ濃度Ｎａを、出口ＮＯｘ濃度センサ２３から出口ＮＯｘ濃度Ｎｂを、また、マスエアフローセンサ１１から吸気量Ｖａを入力し、このＮＯｘ濃度値の差ΔＮ（＝Ｎａ−Ｎｂ）と、吸気量Ｖａから、単位時間当たりのＮＯｘ累積量Ｎｃ（＝ΔＮ×Ｖａ）を計算し、これを累積計算して、このリーンモード運転におけるＮＯｘ累積量Ｎｔ（＝Ｎｔ＋ΔＮ×Ｖａ×Δｔｌ）を算出する。
【００４７】
このステップＳ４０のリッチ制御では、ステップＳ４１の計測データの入力で、排気温度センサ２２から排気温度（触媒温度指標値）Ｔｇを入力し、次のステップＳ４２で、リッチ制御を行った場合の単位時間当たりのＮＯｘ放出量（分解離脱量）Ｎｄを算出する。このＮＯｘ放出量Ｎｄの算出は、予め、実験等で求めたおいた排気温度ＴｇとＮＯｘ放出量Ｎｄとの関係をマップデータや関数等で記憶しておき、検出された排気温度Ｔｇから、これらのマップデータ等を使用して、リッチ制御を行った場合の単位時間当たりのＮＯｘ放出量Ｎｄを求める方法で行う。
【００４８】
次のステップＳ４３で、単位時間当たりの還元剤供給量Ｍｄを算出する。この還元剤供給量Ｍａの算出は、予め、実験等で求めたおいた排気温度Ｔｇと還元剤供給量Ｍａとの関係をマップデータや関数等で記憶しておき、検出された排気温度Ｔｇから、これらのマップデータ等を使用して、単位時間当たりの還元剤供給量Ｍａを求める方法で行ってもよく、あるいは、ＮＯｘ放出量算出手段Ｃ２２で算出した単位時間当たりのＮＯｘ放出量Ｎｄを参照して、この還元剤供給量Ｍａを補正する方法で行ってもよい。
【００４９】
次のステップＳ４４で、リッチタイマがオン中であるか否かを、リッチタイマで計測されている実リッチ制御経過時間ｔｒが正の値（ｔｒ＞０）であるか否か、あるいは、リッチ制御フラグＦが立っているか（Ｆ＝１）、否か（Ｆ＝０）で判定する。この判定でリッチタイマがオン中ではない（ｔｒ＝０）、即ち、未だリッチ制御運転を開始していない（Ｆ＝０）と判定された場合は、ステップＳ４５〜Ｓ４７でリッチ制御開始作業を行う。
【００５０】
ステップＳ４５で、ＮＯｘ累積量Ｎｔとリッチ制御を行った場合の単位時間当たりのＮＯｘ放出量Ｎｄとから、リッチ制御時間ｔｒ０を算出する。このリッチ制御時間ｔｒ０の算出は、リッチ制御時間ｔｒ０内における触媒温度を一定と近似した場合には、ＮＯｘ累積量Ｎｔを単位時間当たりのＮＯｘ放出量Ｎｄで除することで、リッチ制御時間ｔｒ０（＝Ｎｔ／Ｎｄ）を算出できる。
【００５１】
そして、ステップＳ４６で、リッチ制御運転を開始し、リッチ制御フラグＦを立てる（Ｆ＝１）。それと共に、ステップＳ４７で、リッチタイマを起動し、実リッチ制御経過時間ｔｒの計測を開始する。
【００５２】
このリッチ制御運転は、シリンダ内への燃料噴射制御による多段噴射の燃料噴射量や噴射時期の調整とＥＧＲ調整と吸気絞り調整等によって、排気ガスの状態を酸素濃度がゼロに近いリッチ状態にする。
【００５３】
つまり、燃料噴射制御において、多段噴射を行うと共に、λセンサ２１で検出したλ（過剰空気率）をモニターし、目標のλｔになるようにλをフィードバック制御する。つまり、触媒入口の酸素濃度をＮＯｘ吸蔵材からのＮＯ2 の放出が可能な酸素濃度（例えば１％）以下になるように制御する。また、この時、吸気量を計測するマスエアフローセンサ１１の出力をモニターしながら、ＥＧＲ量や吸気絞り量をフィードバック制御する。
【００５４】
そして、ステップＳ４８で、実リッチ制御経過時間ｔｒがリッチ制御時間ｔｒ０を超えたか否かにより、リッチ制御運転が終了であるか否かを判定する。この判定で終了でない場合（ｔｒ＜ｔｒ０）には、ステップＳ５０で実リッチ制御経過時間ｔｒをメモリに収納して、ステップＳ１１に戻る。
【００５５】
そして、ステップＳ４８の判定で、実リッチ制御経過時間ｔｒがリッチ制御時間ｔｒ０を超えてリッチ制御運転が終了になった場合には、ステップＳ４９で、ＮＯｘ累積量Ｎｔとリッチ制御フラグＦのリセット、及び、リッチタイマの停止（Ｎｔ＝０，Ｆ＝０，ｔｒ＝０）等のリッチ制御運転終了作業を行い、ステップＳ５０で実リッチ制御経過時間ｔｒをメモリに収納して、ステップＳ２０に戻る。
【００５６】
そして、エンジンキーがＯＦＦされるまで、ステップＳ２０〜Ｓ３０又はステップＳ２０〜Ｓ４０が繰り返し実行される。
【００５７】
そして、この制御フローの実行途中で、エンジンキーがＯＦＦされると、ステップＳ６０の割り込みが発生し、ステップＳ６１で、ＮＯｘ蓄積量Ｎｔ等をメモリに収納する等の終了作業を行って、ストップし終了する。
【００５８】
図３及び図４の制御フローでは、リッチ制御時間内において、排気温度（触媒温度指標値）Ｔｇがリッチ制御時間内（ｔｒ＝０〜ｔｒ０間）で一定と近似して、この排気温度Ｔｇにおけるリッチ制御を行った場合の単位時間当たりのＮＯｘ放出量Ｎｄを使用して、ＮＯｘ累積量Ｎｔとからリッチ制御時間ｔｒ０（＝Ｎｔ／Ｎｄ）を算出しているが、リッチ制御時間ｔｒ０内における触媒温度の変化を考慮する場合には、リッチ制御運転の終了に判定を次のような制御で行うこともできる。
【００５９】
この制御では、リッチ制御時間内（０〜ｔｒ０間）ではなく、リッチ制御の各制御サイクル時間（Δｔｒ）毎に触媒温度Ｔｇの影響を入れて、その制御サイクルにおけるＮＯｘ放出量ΔＮｄを、単位時間当たりのＮＯｘ放出量Ｎｄに制御サイクルの時間Δｔｒを乗じて算出し、このＮＯｘ放出量ΔＮｄ（＝Ｎｄ×Δｔｒ）をＮＯｘ累積量Ｎｔから引き算しながら（Ｎｔ＝Ｎｔ−ΔＮｄ）、ＮＯｘ累積量Ｎｔがゼロ又は負（Ｎｔ≦０）になった時点をリッチ制御の終了時期とする。この場合には、リッチ制御開始からこのリッチ制御の終了時期までがリッチ制御時間となる。
【００６０】
以上の構成の排気ガス浄化システム１によれば、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３の前後のＮＯｘ濃度Ｎａ，Ｎｂと吸入空気量Ｖａとから、ＮＯｘ累積量Ｎｔを算出しているので、エンジンの運転状態の変化のみならず、環境の変化や過渡モードによるＮＯｘの排出量の変化にも対応したより高精度の推定が可能となる。
【００６１】
また、排気温度（触媒温度指標値）Ｔｇに基づいて、リッチ制御時の単位時間当たりのＮＯｘ放出量Ｎｄを算出しているので、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒３の吸蔵及び還元能力の温度特性を考慮することができる。
【００６２】
そして、この高い精度で推定されたＮＯｘ累積量Ｎｔと単位時間当たりのＮＯｘ放出量Ｎｄとからリッチ制御時間ｔｒ０を決定しているので、ＮＯｘ吸蔵能力の回復に関係しない無駄なリッチ制御運転が不要になり、燃費を節約できる。
【００６３】
更に、単位時間当たりの還元剤供給量Ｍａも触媒温度指標値Ｔｇ又は単位時間当たりのＮＯｘ放出量Ｎｄに基づいて算出し、還元剤をＮＯｘ放出量に対応した量で供給するので、ＮＯｘの還元に必要十分な量となり、ＮＯｘ及び還元剤の大気への排出を防止できる。
【００６４】
この排気ガス浄化システム１による排気ガスの浄化の実施例と比較例を図５と図６に示す。この図５と図６は、触媒温度が２００℃の時のＮＯｘ還元性能を示した図であり、図５は、触媒温度指標値をモニターして、ＮＯ2 分解反応速度を考慮したＮＯ2 分解反応速度に応じたリッチ制御時間の設定と還元剤量の供給を行う実施例であり、図６は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯ2 分解反応速度を考慮しない比較例である。
【００６５】
比較例では、２点鎖線で示すように触媒出口ＮＯｘが徐々に増加しているのに対して、実施例では、触媒出口ＮＯｘは殆ど変化しておらず、本発明の効果が分かる。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る排気ガス浄化システムによれば、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の前後のＮＯｘ濃度と吸入空気量とから、ＮＯｘ累積量を算出しているので、エンジンの運転状態の変化のみならず、環境の変化や過渡モードによるＮＯｘの排出量の変化にも対応でき、より高精度でＮＯｘ累積量を推定できる。
【００６７】
また、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の温度特性を考慮に入れて、触媒温度検出手段で検出された触媒温度に基づいて、リッチ制御時の単位時間当たりのＮＯｘ放出量を算出し、この高い精度で推定されたＮＯｘ累積量と単位時間当たりのＮＯｘ放出量とからリッチ制御時間を決定しているので、ＮＯｘ吸蔵能力の回復に関係しない無駄なリッチ制御が不要になり、リッチ制御のための燃料が節約でき、燃費が向上する。
【００６８】
更に、単位時間当たりの還元剤供給量も触媒温度に基づいて算出し、単位時間当たりのＮＯｘ放出量に対応した量で供給するので、ＮＯｘの還元に必要十分な量となり、ＮＯｘ及び還元剤の大気への排出を防止できる。また、ＮＯｘが放出されているリッチ制御時間も必要十分な時間となるので、還元剤の無駄な放出がなくなり、還元剤が節約できる。
【００６９】
そして、特に、ＮＯｘの吸蔵還元能力の低下が見られる３００℃以下の低温時でもＮＯｘの還元浄化を効果的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムの構成を示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムの再生制御手段の構成を示す図である。
【図３】本発明に係る実施の形態の排気ガスシステムの制御フローの一例を示す図である。
【図４】図３のリッチ制御運転の制御フロー図である。
【図５】実施例におけるＮＯｘ還元性能を示す図である。
【図６】比較例におけるＮＯｘ還元性能を示す図である。
【図７】本発明に係るＮＯｘ吸蔵還元型触媒の構成と浄化のメカニズムを模式的に示す図で、（ａ）はリーン制御の時の状態（ＮＯ2 吸蔵）を示す図で、（ｂ）はリッチ制御の状態（ＮＯ2 放出還元）を示す図である。
【図８】ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の吸蔵及び還元能力と触媒温度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１ 排気ガス浄化システム
３ ＮＯｘ吸蔵還元型触媒
５ 電子制御装置（電子制御ボックス）
５ａ 触媒再生制御装置
１１ マスエアフローセンサ
２２ 排気温度センサ
２３ 入口側ＮＯｘ濃度センサ
２４ 出口側ＮＯｘ濃度センサ
Ｅ エンジン（内燃機関）
Ｃ１ 触媒再生手段
Ｃ１１ 吸入空気量検出手段
Ｃ１２ 触媒温度検出手段
Ｃ１３ ＮＯｘ濃度検出手段
Ｃ２１ ＮＯｘ累積量算出手段
Ｃ２２ ＮＯｘ放出量算出手段
Ｃ２３ リッチ制御時間算出手段
Ｃ２４ 還元剤供給量算出手段
Ｃ３１ 空燃比制御手段
Ｃ３２ 還元剤供給手段
Claims (4)
- 内燃機関の排気通路に配置されたＮＯｘ吸蔵還元型触媒と、該ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力を回復するための触媒再生制御装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、
前記触媒再生制御装置が、吸入空気量検出手段、空燃比制御手段、触媒温度検出手段及びＮＯｘ濃度検出手段とを具備し、
前記ＮＯｘ濃度検出手段で検出した前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の前後のＮＯｘ濃度と、前記吸入空気量検出手段で検出した吸入空気量とから、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒におけるＮＯｘ累積量を算出すると共に、前記触媒温度検出手段で検出した触媒温度指標値からリッチ制御を行った場合の単位時間当たりのＮＯｘ放出量を算出し、
該算出されたＮＯｘ累積量と単位時間当たりのＮＯｘ放出量からリッチ制御時間を決定し、リッチ制御時間の間、前記空燃比制御手段により排気ガス中の空燃比をリッチ状態に制御することを特徴とする排気ガス浄化システム。 - 前記触媒再生制御装置が、還元剤供給手段を具備し、前記触媒温度検出手段で検出した触媒温度指標値から単位時間当たりの還元剤供給量を算出し、前記還元剤供給手段により前記単位時間当たりの還元剤供給量になるように還元剤を供給することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。
- 前記触媒再生制御装置が、還元剤供給手段を具備し、前記単位時間当たりのＮＯｘ放出量から単位時間当たりの還元剤供給量を算出し、前記還元剤供給手段により前記単位時間当たりの還元剤供給量になるように還元剤を供給することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。
- 前記触媒再生制御装置が、
前記リッチ制御時間の間、前記空燃比制御手段により排気ガス中の空燃比をリッチ状態に制御する代りに、
前記空燃比制御手段により所定の時間の間、排気ガス中の空燃比をリッチ状態に制御すると共に、前記単位時間当たりのＮＯｘ放出量と前記所定の時間とから算出したＮＯｘ吸蔵量の減少量を算出し、前記算出されたＮＯｘ累積量から前記減少量を引き算してＮＯｘ残存量を算出し、
該ＮＯｘ残存量がゼロ以下になるまでの間、排気ガス中の空燃比をリッチ状態に制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気ガス浄化システム。
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