JP4292948B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＮＯｘ吸蔵触媒を用いて排ガスを浄化する内燃機関の排気浄化装置に関する。

自動車に搭載されるエンジン（内燃機関）では、排ガス対策として、ＮＯｘ吸蔵触媒を用いた排気浄化装置を装備して、エンジンの排ガス中に含まれるＮＯｘを浄化させることが進められている。特にＮＯｘ吸蔵触媒は、ＮＯｘ吸蔵触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーン（理論空燃比より希薄）のときにＮＯｘを吸蔵し、排気ガスの空燃比がリッチ（理論空燃比を含む過濃）のときに吸蔵されたＮＯｘを放出して還元する特性をもつために、通常、排気ガスの空燃比がリーンで運転される傾向の多いディーゼルエンジンやリーンバーンガソリンエンジンなどで多く採用される。

ところで、排気浄化装置のＮＯｘ吸蔵触媒は、通常のリーン運転状態のときに、排気ガス中のＮＯｘを吸蔵するが、ＮＯｘ吸蔵触媒の吸蔵能力には限りがあり、ある吸蔵量まで達するとＮＯｘ浄化能力が低下する。そのため、ＮＯｘ吸蔵触媒は、ある時期にエンジンのリッチ運転を実施して吸蔵しているＮＯｘを放出還元させて、高いＮＯｘ浄化性能を維持させている。このＮＯｘ吸蔵触媒を再生させるべくリッチ運転に移行させる行為が、リッチスパイク（ＲＳ）と呼ばれている。

こうした吸蔵ＮＯｘを放出還元させる手法には、ＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵されたＮＯｘ量は直接に検出できないために、エンジンのリーン運転中の通触媒入口側の温度情報や触媒出口側の温度情報やエンジンが排出するＮＯｘ量の情報などからＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸蔵量を推定し、この推定値が所定量に達すると、リッチスパイクを実施するという手法が用いられる傾向にある（例えば特許文献１を参照）。
特開平６−２７２５４０号公報

ところで、ＮＯｘ吸蔵量の推定は、温度センサなどからの各種情報を用い、同情報からＮＯｘがＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵する状況を把握することにより、逐次、行われる。

ところが、温度センサなどセンサが取付けられる地点は、触媒自体や触媒に近い熱的影響を受けやすい地点であったり、地上からも近い地点であったりすることが多いために、センサの故障や破損など正常な検出が行われなくなる状態、いわゆるセンサ不良が生じるおそれがある。このようにセンサが正常に機能しなくなる場合において、ＮＯｘ吸蔵量の推定値が、実際に吸蔵される吸蔵量よりも過少に評価される場合がある。このような誤認識が生じると、実際には吸蔵能力の限度近くまでＮＯｘ吸蔵量に達しているにも関わらず、ＮＯｘ吸蔵触媒の吸蔵能力は未だ十分にあると誤認識する。このため、実際に行われるはずのリッチスパイクは実行されなくなるので、十分な吸蔵ＮＯｘの放出還元は行われなくなり、高いＮＯｘ浄化性能が維持できなくなる問題があった。

そこで、本発明の目的は、推定ＮＯｘ吸蔵量が過少に評価される場合でも、高いＮＯｘ浄化性能が保てる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、ＮＯｘ吸蔵量推定手段により推定されたＮＯｘ吸蔵量が所定値以上になると、リッチ状態へ切り換えリッチスパイクを実行するとともに、前回リッチスパイクを実行したときから所定時間が経過するとリッチスパイクを実行する構成を採用した。また所定時間を、第１リッチスパイク手段で用いられるリッチスパイク開始閾値より多い量のＮＯｘ吸蔵量に達するまでの時間とした。

また本発明は、上記所定時間ｔ１を、ＮＯｘ吸蔵触媒の触媒温度もしくはその触媒温度に相当するパラメータに応じて変更させることとした。

本発明によれば、たとえセンサ不良などの発生からＮＯｘ吸蔵量が過少に認識されてＮＯｘ浄化性能が低下する事態が生じた場合でも、実行できなかったＮＯｘ吸蔵量推定リッチスパイクを補うように、所定時間経過後リッチスパイクが実行されるので、リッチスパイクが実行されなくなるという事態は回避される。また本発明によれば、上記効果に加え、第１リッチスパイク手段でリッチスパイク実行の判断がなされるより長い時間間隔で、第２リッチスパイク手段がリッチスパイク実行を決定するので、効率よく、高いＮＯｘ浄化性能を安定して確保できるといった効果も有する。

それ故、推定ＮＯｘ吸蔵量が過少に評価される場合でも、高いＮＯｘ浄化性能を維持することができる。

更に、排気温度の低いエンジン運転状態が続くときには、間隔の短い定期的なリッチスパイクが実行されることとなり、リッチスパイクの反応熱により触媒温低下を抑制する効果も期待できる。

［第１の実施形態］
以下、本発明を図１〜図５に示す第１の実施形態にもとづいて説明する。

図１は、自動車（車両）に搭載される内燃式のエンジン（内燃機関）、例えばディーゼルエンジンの主要部を示し、同図中１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド３とで構成されるエンジン本体部、４はシリンダブロック２に形成されたシリンダ、５はシリンダ４内に往復動可能に設けられたピストン、６，７はシリンダヘッド３に設けられた吸・排気ポート、８，９は吸・排気ポート６，７を開閉する吸・排気弁、１０はシリンダヘッド３に設けられたインジェクタである。このうち、吸気ポート６は、同吸気ポート６から延びる第１吸気通路１２を介して、ターボ過給機１３のコンプレッサ１４の吐出部に接続してある。なお、コンプレッサ１４の吸込部は、エアクリーナー（図示しない）へ向かう第２吸気通路１５に接続してある。但し、１７は第１吸気通路１２に介装されたインタクーラである。排気ポート９は、同排気ポート９から延びる第１排気通路１８を介して、ターボ過給機１３のタービン１９の入口部に接続してある。タービン１９の出口部は、大気開放の第２排気通路２０が接続してある。またインジェクタ１０は、制御部を構成するＥＣＵ２１に接続されている。このインジェクタ１０の噴射動作は、予めＥＣＵ２１に設定されている、エンジンの運転状態に応じた噴射タイミング、燃料噴射量にしたがい制御され、同制御によりエンジンが所定のサイクル（例えば吸入、圧縮、膨張、排気の４サイクル）で運転（通常時：リーン運転（空気過剰率が通常大なため））されるようにしている。

なお、第１吸気通路１２の下流側と第１排気通路１８の上流側との間には、ＥＧＲ装置２２を構成する各機器、例えばＥＧＲクーラ２３が介装されたＥＧＲ通路２４、同ＥＧＲ通路２４を開閉するＥＧＲ弁２５が設けてあり、ＥＧＲ通路２４の出口と合流する上流の吸気通路部分には、電動式のスロットル弁２６が設けてある。

こうしたディーゼルエンジンの排気系には、排気浄化装置３０が組付けられている。排気浄化装置３０は、ケーシング３２内蔵のＮＯｘ吸蔵触媒３３と、還元剤を供給する還元剤添加部３４と、再生制御を行う制御系３５とを組み合わせた構成が用いてある。

すなわち、ＮＯｘ吸蔵触媒３３は、第２排気通路２０の途中に介装されている。その構造には、例えば担体に、例えば白金（Ｐｔ）のような貴金属と、吸蔵剤としての例えばバリウム（Ｂａ）とを担持させた構造が用いられる。同構造により、ＮＯｘ吸蔵触媒３３に流入する排ガスの空燃比がリーン（理論空燃比より希薄）のときは、排気中のＮＯｘが白金（Ｐｔ）上で酸素と反応して、硝酸イオンの形でバリウム（Ｂａ）に吸収され、ＮＯｘ吸蔵触媒３３に流入する排ガスの空燃比がリッチ（理論空燃を含む過濃）のときは、反対にバリウム（Ｂａ）内の硝酸イオンがＮＯｘの形で放出し、放出したＮＯｘを白金（Ｐｔ）上で排ガス中の未燃ＨＣ、ＣＯなどと反応して窒素に還元させる機能をもたらしている。

還元剤添加部３４には、例えばＮＯｘ吸蔵触媒３３の上流側から還元剤、例えば燃料（ここでは、例えば軽油）を排気通路２０内へ噴射させる還元剤用のインジェクタ３６と、先のＥＧＲ装置２２とを併用した構造が用いられる。つまり、燃料が第２排気通路２０内を流れる排ガスに添加され、エンジン吸気側へＥＧＲガスを還流させるという手法により、リッチ運転が行われるようにしてある。この切り換えにより、通常時のディーゼルエンジンの運転中（リーン運転）、必要なときに、還元剤となる未燃ＨＣ，ＣＯを多量に含むリッチ（過濃）の排ガスがＮＯｘ吸蔵触媒３３へ流入される構成にしてある。

制御系３５としてＥＣＵ２１には、リーン運転中（通常）、ＮＯｘ吸蔵量推定によりリッチスパイクを実施する制御（本願の第１リッチスパイク手段に相当）と、定期的にリッチスパイクを実施する制御（本願の第２リッチスパイク手段に相当）との双方が設定してある。

このうち前者のリッチスパイク（ＮＯｘ吸蔵量推定）の実施の制御（第１リッチスパイク手段）には、例えばＮＯｘ吸蔵触媒３３の上流側に設置した排ガス流量センサ３８からの排ガス流量および上・下流側の双方に設置した排ガス温度センサ３９，４０からの排ガス温度などといった情報から例えばＮＯｘ吸蔵触媒をモデル化したモデル式によりリーン運転時のＮＯｘ吸蔵量を推定する機能と、リッチスパイクを行う時期を規定するためのリッチスパイク開始閾値Ｇ１と、同リッチスパイク開始閾値Ｇ１に達したらリッチスパイク（ＲＳ）の要求信号を出力する機能と、同要求時にＮＯｘ吸蔵触媒３３が活性を始める温度Ｔ１以上（活性下限値）であるとき、推定ＮＯｘ吸蔵量に応じたリッチスパイク（ＲＳ：リッチ運転）を実行する機能とを組み合わせた制御が用いてある。これにより、ＮＯｘ吸蔵量の推定値が所定のＮＯｘ吸蔵量に達したらリッチスパイクを実施するようにしてある。

後者の定期的なリッチスパイクの制御（第２リッチスパイク手段）には、例えば前回実施されたリッチスパイクの実施後、所定期間、例えばリッチスパイク開始閾値Ｇ１より多い推定ＮＯｘ吸蔵量に相当する所定時間ｔ１を経過したか否かを検知するタイマー機能と、上記所定時間が経過したらリッチスパイク、例えば計時時間に応じたリッチスパイクを実施する機能とを組み合わせた制御が用いてある。これにより、前回のリッチスパイクの実施後、所定期間毎（定期的）にリッチスパイクが実施されるようにしている。この定期リッチスパイクにより、ＮＯｘ吸蔵量推定で過少評価される事態（センサ不良などによる）が生じリッチスパイクを実施する機会を失っても、それを助けるべく、リッチスパイクが実施されるようにしている。また定期リッチスパイクの実行周期（所定期間）は、例えば図３に示される実行周期決定用のマップを用いて、触媒温度に応じて可変されるようにしてある。具体的には、ＮＯｘ吸蔵触媒３３のＮＯｘ還元特性を考慮して、ＮＯｘ吸蔵触媒３３の低温側の例えばＮＯｘ吸蔵触媒３３の触媒活性が始まる温度から活性上限に達するまでの立上り域のときは、実行周期は特に短く、高温側の活性上限から下がる温度域のときは、実行周期は特に長く設定されている。この実行周期の可変により、どの触媒温度域でも最適にＮＯｘ放出還元性能が発揮し得るようにしてある。

こうした推定ＮＯｘ吸蔵量で行うリッチスパイクと定期的なリッチスパイクとを組み合わせた制御が図２のフローチャートに示され、そのときのＮＯｘ吸蔵触媒３３の挙動が図４および図５に示されている。

図２、図４および図５を参照して、排気浄化装置３０の作用を説明する。

今、ディーゼルエンジンが通常運転（リーン運転）されているとする。このときは、ＮＯｘ吸蔵触媒３３に流入される排ガスの空燃比はリーンであるから、排ガスに含まれるＮＯｘは、ＮＯｘ吸蔵触媒３３に吸蔵される。このリーン運転中、ＥＣＵ２１は、ステップＳ１において例えばＮＯｘ吸蔵触媒３３のモデル式を用いた演算により、逐次、ＮＯｘ吸蔵量を推定している。このＮＯｘ吸蔵量の推定値は、時間の経過と共に、図４中の「ＮＯｘ吸蔵量」の線図に示されるように増加する。

推定ＮＯｘ吸蔵量が、図４中の「ＮＯｘ吸蔵量」の線図のように所定値、例えばリッチスパイク開始閾値Ｇ１に達すると、ＥＣＵ２１は、再生時期になった判定し、ステップＳ２のように実行要求を示すフラグ１にして、図４中の「ＲＳ実行要求」に示されるようにリッチスパイク（ＲＳ）を要求する信号を出力する。ついで、その後のステップＳ３に示されるような例えば排ガス温度センサ３９，４０で検知される触媒温度とＮＯｘ吸蔵触媒３３の活性具合を規定する所定温度値Ｔ１（活性下限値）とを対比する処理に進む。

このとき（リッチスパイク実行要求時）、触媒温度Ｔが、図４中の「触媒温度」の線図に示されるように活性が始まる所定温度値Ｔ１（下限温度値）を下回る温度であると、ＥＣＵ２１はＮＯｘ吸蔵触媒３３のＮＯｘ還元性能が確保されていないと判定して、ステップＳ３からリターンへ戻る（触媒温度Ｔが上昇するまで待機）。

このリッチスパイク要求時、触媒温度Ｔが、活性が始まる所定温度値Ｔ１（下限温度値）Ｔ１以上であると、ステップＳ４のようにリッチスパイク（ＲＳ）の実施を示すフラグを１にして、図４中の「ＲＳ実行フラグ」に示されるようにリッチスパイク（ＲＳ）を実施する信号を出力する。これにより、続くステップＳ５に示されるように即座にリッチスパイク（ＲＳ）が実行され、吸蔵ＮＯｘ量の推定値に応じたリッチ運転（例えばＥＧＲ弁２５が「開」、還元用インジェクタ３６から還元剤が噴射される運転）が行われる。このリッチ運転の切り換えにより、吸蔵ＮＯｘの放出還元（ＮＯｘパージ）が行われ、図４中の「ＮＯｘ吸蔵量」の線図に示されるようにＮＯｘ吸蔵量（並びに推定ＮＯｘ吸蔵量）が一気に減少する。リッチスパイクが終えると、ステップＳ６のようにリッチスパイク（ＲＳ）の要求を示すフラグおよびリッチスパイク（ＲＳ）の実施を示すフラグをゼロにし、最初の状態に戻す。

ＮＯｘ吸蔵量が推定値に達するごとに、こうしたリッチスパイクが実施される（ＮＯｘ吸蔵量推定リッチスパイク）。

一方、今回、実施しようとするリッチスパイクの前に行われた前回リッチスパイク、ここでは前回のＮＯｘ推定リッチスパイク（以後、前回リッチスパイクという）の実行後は、ステップＳ７に示されるタイマー機能のリセット並びに再びタイマーをセット（図示しない）する処理を経て、定期リッチスパイクを行うルーチンに入る。

このルーチンを説明すると、まず、ＥＣＵ２１は、ステップＳ８のようにＮＯｘ吸蔵触媒３３の触媒温度Ｔ（例えば排ガス温度センサ３９，４０による）の読込みを行う。続いて、図３に示されるマップを用いて、読取った触媒温度に応じて変わる定期リッチスパイクの実行周期ｔ１（定期間隔）を設定する。このとき、触媒温度Ｔが、例えばＮＯｘ還元性能が十分に発揮されるＮＯｘ吸蔵触媒３３の活性上限温度域の温度であれば、同温度域の活性状態で最大限にＮＯｘ放出還元が発揮される所定期間値（所定時間値）が選ばれ、例えば低温側の活性始めから活性上限へ向かう、活性が不十分な温度域であれば、上記活性上限温度域で定めた値より短い所定期間値（所定時間値）が選ばれ、例えば高温側の活性上限から下がる、活性を失う温度に近い温度域であれば、上記活性上限温度域で定めた値より長い所定期間値（所定時間値）が選ばれる。続いて、ステップＳ９へ進む。

こうしたリッチスパイク制御の最中、例えば故障や破損などによりセンサ不良が生じて、図５中の「ＮＯｘ吸蔵量」の破線で示されるようにＮＯｘ吸蔵量の推定値が、同図の実線で示される実際の吸蔵量よりも過少に誤認識される事態が生じたとする。このようにＮＯｘ吸蔵量の推定値が過少評価された場合、ＥＣＵ２１は、ＮＯｘ吸蔵触媒の吸蔵能力は未だ十分にあると誤認識し続けるために、今回、出力されるはずの一点鎖線のα、βのように「リッチスパイク（ＲＳ）実行要求」、「リッチスパイク（ＲＳ）実施」の信号は出力されなくなり、ＮＯｘ吸蔵触媒３３のＮＯｘ浄化性能は、図５中の「ＮＯｘ浄化率」の破線の線図のように低下し続ける。

しかし、前回リッチスパイクの実施後は、たとえ何らかの事情でＮＯｘ吸蔵量推定によるリッチスパイクが行われない、あるいはかなりリッチスパイクが遅れるような事態が生じることがあっても、ステップＳ９のような計時しているタイマ時間（ｔ）が設定された定期間隔ｔ１（実行周期）を経過すると、再びステップＳ４，Ｓ５へと進み、ＮＯｘ吸蔵量がリッチスパイク開始閾値Ｇ１を超えた状況から、速やかにリッチスパイクを実行させる。つまり、前回リッチスパイク実施後、図５中のＡ１のように定期リッチスパイクの実行要求の信号、Ａ２のように定期リッチスパイクの実施の信号が順に出力され、リッチスパイク（ＲＳ）がもたらす吸蔵ＮＯｘの放出還元（ＮＯｘパージ）により、Ａ３のようにＮＯｘ吸蔵量が一気に減少される。これにより、前回リッチスパイク後、実施できなかったＮＯｘ吸蔵推定リッチスパイクを補うように、定期リッチスパイクが実施されるから、低下していたＮＯｘ浄化性能を、図５中のＡ４並びに矢印Ｂに示されるように回復させることができる。なお、定期期間ｔ１中、ＮＯｘ推定量リッチスパイクが実施されなければ、定期リッチスパイクを繰り返す。

したがって、過少評価がもたらすＮＯｘ浄化性能の低下といった事態を回避することができ、高いＮＯｘ浄化性能を維持することができる。特に定期リッチスパイクの実行周期ｔ１は、触媒活性具合に応じて可変、具体的には触媒温度が活性域の低温になるにしたがい所定期間ｔ１（実行周期）を短く、同じく高温になるにしたがい所定期間ｔ１（実行周期）を長くしてあるので、高いＮＯｘ放出還元性能を確保できる。すなわち、触媒活性が十分でない領域である触媒温度が低温域のときは、リッチスパイクを実施する機会の増加、すなわち還元剤投入量の増加がもたらすＮＯｘ還元反応の促進により、ＮＯｘ吸蔵触媒３３が昇温されて触媒活性が十分に発揮され、活性を失いやすい領域である高温域のときは、リッチスパイクを実施する機会の減少によるＮＯｘ放出還元反応の抑制により、活性を失う温度以上に昇温する挙動（過昇温現象）、さらには過昇温が抑えられるから、高いＮＯｘ浄化性能の確保ができる。

［第２の実施形態］
図６は、本発明の第２の実施形態を示す。本実施形態は、第１の実施形態のようなＮＯＸ吸蔵触媒の触媒温度に応じて直接的に定期リッチスパイクの実行周期を可変したのではなく、触媒温度に相当するパラメータを用いて、リッチスパイクの実行周期を可変したものである。

具体的には、本実施形態は、触媒温度の代わりに、図６に示されるような例えばエンジンの負荷（例えばアクセル開度）とエンジンの回転数といったパラメータに用いて、リッチスパイクの実行周期ｔ１を可変させるようにしたものである。このようにしても第１の実施形態と同様の効果を奏する。

但し、本実施形態は、エンジンの負荷とエンジンの回転数とを用いた点以外は、第１の実施形態と同じなので、他の部分は第１の実施形態を流用して、図面を省略した。

なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施しても構わない。例えば上述のいずれの実施形態も、本発明をディーゼルエンジンに適用した例を挙げたが、これに限らず、ガソリンエンジンといった他のエンジンに本発明を適用してもよい。

本発明の第１の実施形態に係る排気浄化装置の概略的な構成を共に示す図。 同排気浄化装置のＮＯｘ吸蔵触媒のリッチスパイク制御を説明するためのフローチャート。 定期リッチスパイクの実行周期を可変させるのに用いる線図。 ＮＯｘ吸蔵量推定リッチスパイクを説明するための線図。 定期リッチスパイクを説明するための線図。 本発明の第２の実施形態の要部を説明するための線図。

符号の説明

１…エンジン本体、２０…第２排気通路（排気通路）、２１…ＥＣＵ（ＮＯｘ吸蔵量推定手段、第１リッチスパイク手段、第２リッチスパイク手段）、３３…ＮＯｘ吸蔵触媒。

Claims (2)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、内燃機関からの排気ガスがリーン状態のとき排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、排気ガスがリッチ状態のとき当該吸蔵されたＮＯｘを放出還元するＮＯｘ吸蔵触媒と、第１リッチスパイク手段と、第２リッチスパイク手段とを備え、
   前記第１リッチスパイク手段は、前記ＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵されるＮＯｘ吸蔵量を前記内燃機関の排気ガスの状態から推定するＮＯｘ吸蔵量推定手段と、
   前記ＮＯｘ吸蔵量推定手段により推定された推定ＮＯｘ吸蔵量とリッチスパイク開始閾値とを比較し、推定ＮＯｘ吸蔵量が前記リッチスパイク開始閾値を超えたとき、リッチスパイク実行要求を出力するリッチスパイク要求出力機能と、
   前記リッチスパイク要求出力機能がリッチスパイク実行要求を出力した状態で、前記ＮＯｘ吸蔵触媒が活性開始温度以上であるとき、前記推定ＮＯｘ吸蔵量に応じたリッチスパイクを実行する実行機能とを有し、
   前記第２リッチスパイク手段は、前記リッチスパイク開始閾値より多い量のＮＯｘ吸蔵量を設定し、前記推定ＮＯｘ吸蔵量が前記設定したＮＯｘ吸蔵量に達するに要する所定時間ｔ１を、前回リッチスパイクを実行してから経過した計時時間が超えたか否かを検知するタイマー機能と、
   前記タイマー機能が、前記所定時間ｔ１を前記計時時間が経過したことを検知したら、リッチスパイクを実行する実行機能とを有して、構成したことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記所定時間ｔ１を、前記ＮＯｘ吸蔵触媒の触媒温度もしくはその触媒温度に相当するパラメータに応じて変更させることを特徴とした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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