JP4436397B2 - 内燃機関の排ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、捕捉したＮＯｘを還元雰囲気下で還元するＮＯｘ浄化触媒を排気通路に備えた内燃機関において、ＮＯｘ浄化触媒にＮＯｘ還元動作を行わせるために、還元剤を触媒の上流側に供給する内燃機関の排ガス浄化装置に関する。

従来、この種の内燃機関の排ガス浄化装置として、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。この特許文献１の図１に示す排ガス浄化装置は、ガソリンエンジンに適用されたものであり、このガソリンエンジンの排気通路には、ＮＯｘ浄化触媒が設けられている。このＮＯｘ浄化触媒は、酸化雰囲気の排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を捕捉するとともに、還元雰囲気の排ガスが供給されたときに捕捉したＮＯｘを還元し、それにより、排ガスを浄化する。また、排ガス浄化装置は、ＮＯｘ浄化触媒よりも下流側の排気通路に設けられ、排ガス中の空燃比を検出する空燃比センサを備えている。

この排ガス浄化装置では、同公報の図１２および図１３に示すように、エンジンのリーンバーン運転中、その運転時間Ｔが計時され、この運転時間Ｔが所定値Ｔｏを超えたときに、ＮＯｘ浄化触媒に捕捉されたＮＯｘを還元するために、還元制御が実行される。具体的には、エンジンをリーンバーン運転からリッチバーン運転に切り換えることによって、還元剤としての未燃燃料を含む還元雰囲気の排ガスがＮＯｘ浄化触媒に供給される。そして、還元制御中、空燃比センサによる検出空燃比がリーンからリッチに切り換わったときには、ＮＯｘ浄化触媒に捕捉されたＮＯｘがすべて還元されたことで、還元制御を終了すべきタイミングであると判定して、還元制御を終了し、エンジンがリッチバーン運転からリーンバーン運転に切り換えられる。

また、近年では、ＮＯｘ浄化触媒におけるＮＯｘ浄化能力を高めるために、酸素貯蔵能（Oxygen Storage Capacity）を備えた助触媒をＮＯｘ浄化触媒に適用する技術が知られており、この種の助触媒としては、例えば特許文献２に記載されたようなセリア−ジルコニア複合酸化物が用いられる。このような助触媒を用いた場合、還元雰囲気の排ガスがＮＯｘ浄化触媒に供給されたときには、助触媒が酸素を吸収することによって、ＮＯｘ浄化触媒に捕捉されたＮＯｘの還元動作が促進される一方、酸化雰囲気の排ガスがＮＯｘ浄化触媒に供給されたときには、助触媒が酸素を放出することによって、ＮＯｘ浄化触媒によるＮＯｘの捕捉動作が促進される。

特許第２６９２３８０号公報 特開平１１−１６５０６７号公報公報

特許文献１の排ガス浄化装置に対して、ＮＯｘ浄化触媒のＮＯｘ浄化能力を高めるために、特許文献２の助触媒を適用した場合、以下のような問題が発生するおそれがある。 すなわち、特許文献２の助触媒の場合、同公報の図３に示すように、助触媒の温度が所定の温度域（４００〜７５０℃の温度域）にあるときには極めて高い酸素貯蔵能を示すものの、所定の温度域にないときには、かなり低い酸素貯蔵能しか示さないという特性を備えている。そのため、前述した還元制御の実行中、ＮＯｘ浄化触媒の温度が上記所定の温度域にない場合、助触媒がかなり低い酸素貯蔵能しか示さないことに起因して、空燃比センサによる検出空燃比の信頼性が低下し、還元制御を適切なタイミングで終了することができなくなってしまう。その結果、還元制御の実行時間が短すぎたときには、ＮＯｘ浄化触媒に捕捉されたＮＯｘの還元度合が低くなり、ＮＯｘ浄化触媒のＮＯｘ浄化能力の低下を招くことで、排ガス特性が悪化してしまう一方、還元制御の実行時間が必要以上に長すぎたときには、燃費が悪化してしまう。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ＮＯｘ浄化触媒が酸素貯蔵能を有する助触媒を含む場合において、還元制御を適切なタイミングで終了することができ、それにより、排ガス特性および燃費を向上させることができる内燃機関の排ガス浄化装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る内燃機関３の排ガス浄化装置１は、内燃機関３の排気通路１１に設けられ、酸素貯蔵能を有する助触媒（セリア−ジルコニア複合酸化物）を含み、酸化雰囲気の排ガス中のＮＯｘを捕捉するとともに、還元剤を含む還元雰囲気の排ガスが供給されることにより、捕捉したＮＯｘを還元することによって浄化するＮＯｘ浄化触媒１２と、ＮＯｘ浄化触媒１２における助触媒の酸素貯蔵能を表す酸素貯蔵能パラメータとして、ＮＯｘ浄化触媒１２の温度を表す温度パラメータ（排気温ＴＥＸ）を検出する温度パラメータ検出手段（ＥＣＵ２、排気温センサ２３）と、ＮＯｘ浄化触媒１２よりも下流側の排気通路１１における排ガス中の空燃比を表す空燃比パラメータ（第２空気過剰率λ２）を検出する空燃比パラメータ検出手段（ＥＣＵ２、第２ＬＡＦセンサ２４）と、ＮＯｘ浄化触媒１２に捕捉されているＮＯｘ量をＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘとして算出するＮＯｘ捕捉量算出手段（ＥＣＵ２、ステップ３）と、算出されたＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘが所定値ＳＲＥＦ以上になったとき（ステップ４の判別結果がＹＥＳのとき）に、ＮＯｘ浄化触媒１２にＮＯｘの還元動作を行わせるために、還元剤をＮＯｘ浄化触媒１２の上流側に供給することにより、ＮＯｘ浄化触媒１２に流入する排ガスを還元雰囲気に制御する還元制御を実行する還元制御手段（ＥＣＵ２、ステップ７，４０，４８）と、を備え、還元制御手段は、還元制御の実行中、還元剤の供給量を表す供給量パラメータ（新気量Ｍ＿ＡＣＴ、エンジン回転数ＮＥ、燃料噴射量ＱＩＮＪ）に応じて、ＮＯｘ浄化触媒１２によって捕捉されているＮＯｘの残量をＮＯｘ残量Ｒ＿ＱＮＯｘとして算出するＮＯｘ残量算出手段（ＥＣＵ２、ステップ２８，２９）と、還元制御の実行中、検出された空燃比パラメータが表す排ガス中の空燃比が所定値よりもリッチ側に移行したとき（ステップ２４の判別結果がＹＥＳのとき）に、還元制御を終了すべきであると決定する第１決定手段（ＥＣＵ２、ステップ２６）と、還元制御の実行中、検出された温度パラメータが表すＮＯｘ浄化触媒の温度が所定温度域にないとき（ステップ８の判別結果がＮＯのとき）に、第１決定手段による還元制御の終了決定を禁止する禁止手段（ＥＣＵ２、ステップ１０，２０）と、還元制御の実行中、禁止手段によって第１決定手段による還元制御の終了決定が禁止されている場合（ステップ２０の判別結果がＮＯの場合）において、ＮＯｘ残量Ｒ＿ＱＮＯｘが所定値ＲＲＥＦ以下のとき（ステップ３０の判別結果がＹＥＳのとき）に、還元制御を終了すべきであると決定する第２決定手段（ＥＣＵ２、ステップ２６）と、を有することを特徴とする。

この内燃機関の排ガス浄化装置によれば、算出されたＮＯｘ捕捉量が所定値以上になったときに、ＮＯｘ浄化触媒にＮＯｘの還元動作を行わせるために、還元剤をＮＯｘ浄化触媒の上流側に供給することにより、ＮＯｘ浄化触媒に流入する排ガスを還元雰囲気に制御する還元制御が実行される。その還元制御の実行中、検出された空燃比パラメータが表す排ガス中の空燃比が所定値よりもリッチ側に移行したときに、第１決定手段によって還元制御を終了すべきであると決定されるとともに、検出された温度パラメータが表すＮＯｘ浄化触媒の温度が所定温度域にないときには、第１決定手段による還元制御の終了決定が禁止される。この場合、前述したように、助触媒は、その温度が所定の温度域にあるときには極めて高い酸素貯蔵能を示すものの、所定の温度域にないときには、かなり低い酸素貯蔵能しか示さないという特性を備えている。したがって、所定温度域を助触媒が極めて高い酸素貯蔵能を示す温度域に設定することによって、助触媒の酸素貯蔵能が極めて高い状態にあるときには、空燃比パラメータ検出手段の検出結果において高い信頼性を確保でき、それにより、第１決定手段の決定結果においても高い信頼性を確保することができることで、還元制御を適切なタイミングで終了することができる。一方、助触媒の酸素貯蔵能が低い状態にあることで、第１決定手段の決定結果の信頼性が低いときには、第１決定手段による還元制御の終了決定が禁止されるので、還元制御が不適切なタイミングで終了されるのを回避することができる。

また、還元制御の実行中、還元剤の供給量を表す供給量パラメータに応じて、ＮＯｘ浄化触媒によって捕捉されているＮＯｘの残量がＮＯｘ残量として算出されるとともに、禁止手段によって第１決定手段による還元制御の終了決定が禁止されている場合、すなわち助触媒の酸素貯蔵能が所定状態にないことで、第１決定手段の決定結果の信頼性が低い場合において、ＮＯｘ残量が所定値以下のときに、還元制御を終了すべきであると決定される。したがって、助触媒の酸素貯蔵能の高低にかかわらず、第１決定手段または第２決定手段によって、還元制御の終了タイミングを適切に決定することができる。その結果、還元制御が過不足なく適切な時間だけ実行されることで、排ガス特性および燃費を向上させることができる。これに加えて、還元制御中、還元剤の供給量は、ＮＯｘ浄化触媒で捕捉されたＮＯｘが還元される量を適切に表すものであるので、そのような還元剤の供給量を表す供給量パラメータに応じて、ＮＯｘ残量を精度よく算出することができる。その結果、第２決定手段による還元制御の終了決定結果において、高い信頼性を確保することができる（なお、本明細書における「温度パラメータの検出」は、センサなどにより温度パラメータを直接検出することに限らず、温度パラメータを他のパラメータに基づいて算出することを含む）。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排ガス浄化装置について説明する。図１は、本実施形態の排ガス浄化装置１およびこれを適用した内燃機関（以下「エンジン」という）３を示しており、この排ガス浄化装置１は、図２に示すように、ＥＣＵ２を備えている。このＥＣＵ２は、後述するように、エンジン３の運転状態に応じて、還元制御処理を含む空燃比制御処理などの各種の制御処理を実行する。

エンジン３は、図示しない車両に搭載された直列４気筒型ディーゼルエンジンであり、４組の気筒３ａおよびピストン３ｂ（１組のみ図示）と、クランクシャフト３ｃなどを備えている。このエンジン３には、クランク角センサ２０が設けられている。このクランク角センサ２０は、マグネットロータおよびＭＲＥピックアップで構成されており、クランクシャフト３ｃの回転に伴い、いずれもパルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ２に出力する。

このＣＲＫ信号は、所定クランク角（例えば３０゜）毎に１パルスが出力され、ＥＣＵ２は、このＣＲＫ信号に基づき、エンジン３の回転数（以下「エンジン回転数」という）ＮＥを算出する。また、ＴＤＣ信号は、各気筒３ａのピストン３ｂが吸気行程のＴＤＣ位置よりも若干、手前の所定のクランク角位置にあることを表す信号であり、所定クランク角毎に１パルスが出力される。

また、エンジン３には、燃料噴射弁４が気筒３ａ毎に設けられており（１つのみ図示）、各燃料噴射弁４はいずれも、ＥＣＵ２に電気的に接続されている。燃料噴射弁４は、後述するように、ＥＣＵ２によって、その開弁時間および開弁タイミングが制御され、それにより、燃料噴射量および燃料噴射タイミングが制御される。

一方、エンジン３の吸気通路６には、上流側から順に、エアフローセンサ２１、ターボチャージャ７、スロットル弁機構８およびスワール弁機構９が設けられている。このエアフローセンサ２１は、熱線式エアフローメータで構成されており、後述するスロットル弁８ａを通過する新気の流量を検出し、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。ＥＣＵ２は、エアフローセンサ２１の検出信号に基づき、気筒３ａ内に実際に吸入されたと推定される新気量Ｍ＿ＡＣＴを算出する。

また、ターボチャージャ７は、吸気通路６のエアフローセンサ２１よりも下流側に設けられたコンプレッサブレード７ａと、排気通路１１の途中に設けられ、コンプレッサブレード７ａと一体に回転するタービンブレード７ｂと、複数の可変ベーン７ｃ（２つのみ図示）と、可変ベーン７ｃを駆動するベーンアクチュエータ７ｄなどを備えている。

このターボチャージャ７では、排気通路１１内の排ガスによってタービンブレード７ｂが回転駆動されると、これと一体のコンプレッサブレード７ａも同時に回転することによって、吸気通路６内の新気が加圧される。すなわち、過給動作が実行される。

また、可変ベーン７ｃは、ターボチャージャ７が発生する過給圧を変化させるためのものであり、ハウジングのタービンブレード７ｂを収容する部分の壁に回動自在に取り付けられている。可変ベーン７ｃは、ＥＣＵ２に接続されたベーンアクチュエータ７ｄに機械的に連結されている。ＥＣＵ２は、ベーンアクチュエータ７ｄを介して可変ベーン７ｃの開度を変化させ、タービンブレード７ｂに吹き付けられる排ガス量を変化させることによって、タービンブレード７ｂの回転速度すなわちコンプレッサブレード７ａの回転速度を変化させ、それにより、過給圧を制御する。

一方、スロットル弁機構８は、スロットル弁８ａおよびこれを駆動するＴＨアクチュエータ８ｂなどを備えている。スロットル弁８ａは、吸気通路６の途中に回動自在に設けられており、当該回動に伴う開度の変化によりスロットル弁８ａを通過する新気の流量を変化させる。ＴＨアクチュエータ８ｂは、モータに減速ギヤ機構（いずれも図示せず）を組み合わせたものであり、ＥＣＵ２に電気的に接続されている。ＥＣＵ２は、ＴＨアクチュエータ８ｂを介してスロットル弁８ａの開度を制御する。

また、吸気通路６のスロットル弁機構８よりも下流側の部分は、１つの集合部と、そこから分岐した４つの分岐部とからなるインテークマニホールド６ａになっている。このインテークマニホールド６ａ内の通路は、集合部から各分岐部にわたってスワール通路６ｂおよびバイパス通路６ｃに分かれており、これらの通路６ｂ，６ｃはそれぞれ、２つの吸気ポートを介して気筒３ａ内に連通している。

前述したスワール弁機構９は、スワールを気筒３ａ内に発生させることによって気筒３ａ内の混合気を攪拌するものであり、スワール通路６ｂ内に設けられたスワール弁９ａと、これを駆動するスワールアクチュエータ９ｂなどを備えている。スワールアクチュエータ９ｂは、モータに減速ギヤ機構（いずれも図示せず）を組み合わせたものであり、ＥＣＵ２に電気的に接続されている。ＥＣＵ２は、スワールアクチュエータ９ｂを介してスワール弁９ａの開度を変化させ、それにより、スワールの発生状態を制御する。

また、エンジン３には、排気還流装置１０が設けられている。この排気還流装置１０は、排気通路１１内の排ガスの一部を吸気通路６側に還流するものであり、吸気通路６および排気通路１１の間に接続されたＥＧＲ通路１０ａと、このＥＧＲ通路１０ａを開閉するＥＧＲ制御弁１０ｂなどで構成されている。ＥＧＲ通路１０ａの一端は、排気通路１１のタービンブレード７ｂよりも上流側の部分に開口し、他端は、吸気通路６のバイパス通路６ｃの部分に開口している。

ＥＧＲ制御弁１０ｂは、そのリフトが最大値と最小値との間でリニアに変化するリニア電磁弁で構成され、ＥＣＵ２に電気的に接続されている。ＥＣＵ２は、ＥＧＲ制御弁１０ｂを介して、ＥＧＲ通路１０ａの開度を変化させ、それにより、排ガスの還流量すなわちＥＧＲ量を制御する。

一方、排気通路１１のタービンブレード７ｂよりも下流側には、ＮＯｘ浄化触媒１２が設けられており、このＮＯｘ浄化触媒１２は、主触媒としての白金およびバリウムと、助触媒としてのセリア−ジルコニア複合酸化物をアルミナ担体に担持させたものである。このセリア−ジルコニア複合酸化物は、所定温度域にあるとき（後述するＴＥＸ＞ＴＲＥＦが成立しているとき）には、高い酸素貯蔵能を示すとともに、所定温度域にないとき（ＴＥＸ≦ＴＲＥＦのとき）には、かなり低い酸素貯蔵能しか示さないという特性を備えている。

このＮＯｘ浄化触媒１２では、酸化雰囲気の排ガスすなわち酸素濃度が理論空燃比に相当する排ガスの酸素濃度よりも高い排ガスが流入したときには、排ガス中のＮＯｘが主触媒によって捕捉されるとともに、酸素が助触媒から放出されることによって、主触媒によるＮＯｘの捕捉動作が促進される。一方、後述する還元制御などにより、還元雰囲気の排ガスが流入したときには、捕捉したＮＯｘが主触媒によって還元されるとともに、酸素が助触媒に吸収されることによって、主触媒によるＮＯｘの還元動作が促進される。

また、排気通路１１のＮＯｘ浄化触媒１２よりも上流側には、これに近接して、第１ＬＡＦセンサ２２および排気温センサ２３が設けられている。この第１ＬＡＦセンサ２２は、ジルコニアおよび白金電極などで構成され、理論空燃比よりもリッチなリッチ領域から極リーン領域までの広範囲な空燃比の領域において、排気通路１１内を流れる排ガス中の酸素濃度をリニアに検出し、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。ＥＣＵ２は、この第１ＬＡＦセンサ２２の検出信号に基づき、ＮＯｘ浄化触媒１２に流入する排ガスの空気過剰率（以下「第１空気過剰率」という）λ１を算出する。

また、排気温センサ２３は、ＮＯｘ浄化触媒１２に流入する排ガスの温度（以下「排気温」という）ＴＥＸを検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。ＥＣＵ２は、この排気温センサ２３の検出信号に基づき、排気温ＴＥＸを算出する。なお、本実施形態では、排気温センサ２３が温度パラメータ検出手段に相当し、排気温ＴＥＸが温度パラメータに相当する。

さらに、排気通路１１のＮＯｘ浄化触媒１２よりも下流側には、これに近接して、第２ＬＡＦセンサ２４が設けられている。この第２ＬＡＦセンサ２４は、第１ＬＡＦセンサ２３と同様に構成されており、理論空燃比よりもリッチなリッチ領域から極リーン領域までの広範囲な空燃比の領域において、排気通路１１内を流れる排ガス中の酸素濃度をリニアに検出し、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。ＥＣＵ２は、この第２ＬＡＦセンサ２４の検出信号に基づき、ＮＯｘ浄化触媒１２を通過した排ガスの空気過剰率（以下「第２空気過剰率」という）λ２を算出する。なお、本実施形態では、第２ＬＡＦセンサ２４が空燃比パラメータ検出手段に相当し、第２空気過剰率λ２が空燃比パラメータに相当する。

一方、ＥＣＵ２には、アクセル開度センサ２５が接続されている。このアクセル開度センサ２５は、車両の図示しないアクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル開度」という）ＡＰを検出し、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。

また、ＥＣＵ２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭおよびＩ／Ｏインターフェース（いずれも図示せず）などからなるマイクロコンピュータで構成されており、前述した各種のセンサ２０〜２５の検出信号などに応じて、エンジン３の運転状態を判別するとともに、運転状態に応じて、以下に述べるように、空燃比制御処理などを実行する。それにより、混合気の空気過剰率λが、通常運転時にはリーン側の値に制御され、還元制御時には、ＮＯｘ浄化触媒１２に捕捉されたＮＯｘを還元するために、後述する所定の還元制御用値λ＿ＲＩＣＨに制御される。

また、ＥＣＵ２は、イグニッション・スイッチがオフされたエンジン停止中でも記憶したデータを保持可能なバックアップ電源付きのＲＡＭと、バックアップ電源付きでない一般的なＲＡＭを備えており、後述するＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘなどの値は、バックアップ電源付きのＲＡＭ内に記憶される。

なお、本実施形態では、ＥＣＵ２が、温度パラメータ検出手段、空燃比パラメータ検出手段、ＮＯｘ捕捉量算出手段、還元制御手段、第１決定手段、禁止手段、第２決定手段およびＮＯｘ残量算出手段に相当する。

次に、図３を参照しながら、ＥＣＵ２により実行される条件判定処理について説明する。この処理は、以下に述べるように、ＮＯｘ浄化触媒１２に捕捉されたＮＯｘを還元するための還元制御の実行条件が成立したか否かを判定するとともに、還元制御の実行条件の成立後に還元制御の終了条件が成立したか否かを判定するものであり、所定の制御周期（例えば１０ｍｓｅｃ）で実行される。

この処理では、まず、ステップ１（図では「Ｓ１」と略す。以下同じ）で、還元条件フラグＦ＿ＲＩＣＨが「１」であるか否かを判別する。この判別結果がＮＯで、Ｆ＿ＲＩＣＨ＝０のときには、ステップ２に進み、後述する要求トルクＰＭＣＭＤおよびエンジン回転数ＮＥに応じて、図示しないマップを検索することにより、ＮＯｘ排出量ＱＮＯｘを算出する。

次いで、ステップ３に進み、ＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘを、その前回値Ｓ＿ＱＮＯｘＺとＮＯｘ排出量ＱＮＯｘの和に設定する。このＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘは、ＮＯｘ浄化触媒１２に捕捉されているＮＯｘ量の推定値に相当するものである。

次いで、ステップ４に進み、ＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘが所定値ＳＲＥＦ以上であるか否かを判別する。この判別結果がＮＯのときには、還元制御の実行条件が成立していないと判定して、そのまま本処理を終了する。

一方、ステップ４の判別結果がＹＥＳのときには、還元制御の実行条件が成立したと判定して、ステップ５に進み、ＮＯｘ残量Ｒ＿ＱＮＯｘをＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘに設定する。

次に、ステップ６で、ＮＯｘ残量Ｒ＿ＱＮＯｘを値０にリセットした後、ステップ７に進み、還元制御の実行条件が成立したことを表すために、還元条件フラグＦ＿ＲＩＣＨを「１」に設定する。このように、ステップ７で還元条件フラグＦ＿ＲＩＣＨが「１」に設定されると、次回以降のループで、ステップ１の判別結果がＹＥＳとなり、その場合には、後述するステップ１１に進む。

ステップ７に続くステップ８で、排気温ＴＥＸが所定値ＴＲＥＦよりも高いか否かを判別する。この判別結果がＹＥＳで、ＮＯｘ浄化触媒１２の助触媒が高い酸素貯蔵能を示す所定温度域にあるときには、第２ＬＡＦセンサ２４の検出信号が信頼性の高い状態にあることで、第２空気過剰率λ２に基づいて還元制御の終了判定を実行すべきであると判定して、それを表すために、ステップ９に進み、ラムダ判定フラグＦ＿λＣＨＥＣＫを「１」に設定する。その後、後述するステップ１１に進む。

一方、ステップ８の判別結果がＮＯで、ＮＯｘ浄化触媒１２の助触媒がかなり低い酸素貯蔵能しか示さない温度域にあるときには、第２ＬＡＦセンサ２４の検出信号が信頼性の低い状態にあることで、ＮＯｘ残量Ｒ＿ＱＮＯｘ基づいて還元制御の終了判定を実行すべきであると判定して、それを表すために、ステップ１０に進み、ラムダ判定フラグＦ＿λＣＨＥＣＫを「０」に設定する。その後、後述するステップ１１に進む。

ステップ１、９または１０のいずれかに続くステップ１１で、以下に述べるように、終了判定処理を実行した後、本処理を終了する。

次に、図４を参照しながら、上記ステップ１１の終了判定処理について説明する。この処理では、まず、ステップ２０で、ラムダ判定フラグＦ＿λＣＨＥＣＫが「１」であるか否かを判別する。この判別結果がＹＥＳで、第２空気過剰率λ２に基づいて還元制御の終了判定を実行すべきであるときには、ステップ２１に進み、還元雰囲気フラグＦ＿λ１ＯＫが「１」であるか否かを判別する。

この判別結果がＮＯのときには、ステップ２２に進み、第１空気過剰率λ１が所定の還元制御用値λ＿ＲＩＣＨ以下であるか否かを判別する。この判別結果がＮＯで、λ１＞λ＿ＲＩＣＨのときには、そのまま本処理を終了する。

一方、ステップ２２の判別結果がＹＥＳのとき、すなわち還元制御の実行に伴いＮＯｘ浄化触媒１２に流入する排ガスが十分に還元雰囲気になったときには、ステップ２３に進み、それを表すために、還元雰囲気フラグＦ＿λ１ＯＫを「１」に設定する。このように、ステップ２３で還元雰囲気フラグＦ＿λ１ＯＫが「１」に設定されると、次回以降のループで、ステップ２１の判別結果がＹＥＳとなり、その場合には、後述するステップ２４に進む。

ステップ２１または２３に続くステップ２４で、第２空気過剰率λ２が所定値λＲＥＦよりも小さいか否かを判別する。この所定値λＲＥＦは、λ＿ＲＩＣＨ＜λＲＥＦ＜１が成立しかつ値１に近い値に設定されている。これは、還元制御中に第２空気過剰率λ２が値１を下回る状態が成立すると、ＮＯｘ浄化触媒１２を通過する還元剤量が増大し、排ガス特性が悪化するので、それを可能な限り回避するためである。

ステップ２４の判別結果がＮＯで、λ２≧λＲＥＦのときには、還元制御を継続すべきであると判定して、そのまま本処理を終了する。一方、ステップ２４の判別結果がＹＥＳで、λ２＜λＲＥＦのときには、ＮＯｘ浄化触媒１２で捕捉したＮＯｘの還元が完了しており、還元制御を終了すべきであると判定して、ステップ２５に進み、還元雰囲気フラグＦ＿λ１ＯＫを「０」にリセットする。

次いで、ステップ２６に進み、還元制御を終了すべきであることを表すために、還元条件フラグＦ＿ＲＩＣＨを「０」にリセットする。その後、本処理を終了する。

一方、ステップ２０の判別結果がＮＯで、ＮＯｘ残量Ｒ＿ＱＮＯｘ基づいて還元制御の終了判定を実行すべきであるときには、ステップ２７に進み、還元条件フラグの前回値Ｆ＿ＲＩＣＨＺが「１」であるか否かを判別する。この判別結果がＮＯのとき、すなわち前回の制御タイミングで還元制御の実行条件が不成立であって、今回の制御タイミングで還元制御の実行条件が成立したときには、後述するステップ３０に進む。

一方、ステップ２７の判別結果がＹＥＳのとき、すなわち前回の制御タイミングで還元制御の実行条件が成立していたときには、ステップ２８に進み、ＮＯｘ還元量ＤＮＯｘを算出する。このＮＯｘ還元量ＤＮＯｘは、前回の制御タイミングから今回の制御タイミングまでの間の還元制御によって還元されたと推定されるＮＯｘ量であり、具体的には、新気量Ｍ＿ＡＣＴ、エンジン回転数ＮＥおよび後述する燃料噴射量ＱＩＮＪに応じて、図示しないマップを検索することにより算出される。なお、本実施形態では、新気量Ｍ＿ＡＣＴ、エンジン回転数ＮＥおよび燃料噴射量ＱＩＮＪが供給量パラメータに相当する。

次いで、ステップ２９に進み、ＮＯｘ残量Ｒ＿ＱＮＯｘを、その前回値Ｒ＿ＱＮＯｘＺからＮＯｘ還元量ＤＮＯｘを減算した値に設定する。

ステップ２７または２９に続くステップ３０で、ＮＯｘ残量Ｒ＿ＱＮＯｘが所定値ＲＲＥＦ以下であるか否かを判別する。この判別結果がＮＯのときには、そのまま本処理を終了する。一方、この判別結果がＹＥＳのときには、ＮＯｘ浄化触媒１２で捕捉したＮＯｘの還元が完了しており、還元制御を終了すべきであると判定して、前述したように、ステップ２６で、還元条件フラグＦ＿ＲＩＣＨを「０」にリセットする。その後、本処理を終了する。

次に、図５を参照しながら、ＥＣＵ２により実行される空燃比制御処理について説明する。この処理は、以下に述べるように、気筒３ａ内に供給される混合気の空燃比を制御するものであり、所定の制御周期（例えばＴＤＣ信号の発生タイミング）で実行される。

この処理では、まず、ステップ４０で、前述した還元条件フラグＦ＿ＲＩＣＨが「１」であるか否かを判別する。この判別結果がＮＯで、還元制御の実行条件が成立していないときには、空燃比をリーン側に制御すべきであると判定して、ステップ４１に進み、エンジン回転数ＮＥおよびアクセル開度ＡＰに応じて、図示しないリーン制御用のマップを検索することにより、要求トルクＰＭＣＭＤを算出する。

ステップ４１に続くステップ４２で、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤに応じて、図示しないリーン制御用のマップを検索することにより、燃料噴射量ＱＩＮＪを算出する。

次いで、ステップ４３に進み、エンジン回転数ＮＥおよび燃料噴射量ＱＩＮＪに応じて、図示しないリーン制御用のマップを検索することにより、燃料噴射終了タイミングφＩＮＪを算出する。それにより、以上のように算出された燃料噴射量ＱＩＮＪおよび燃料噴射終了タイミングφＩＮＪに応じて、燃料が燃料噴射弁４から気筒３ａ内に噴射される。

ステップ４３に続くステップ４４で、リーン制御処理を実行する。具体的には、以下に述べるように、スロットル弁制御処理、過給圧制御処理、スワール制御処理およびＥＧＲ制御処理が実行される。

まず、スロットル弁制御処理では、目標スロットル弁開度ＴＨ＿ＣＭＤが所定の全開値ＴＨ＿ＷＯＴに設定される。それにより、目標スロットル弁開度ＴＨ＿ＣＭＤに対応する制御入力がＴＨアクチュエータ８ｂに入力され、その結果、スロットル弁８ａが全開状態になるように制御される。

また、過給圧制御処理では、燃料噴射量ＱＩＮＪに応じて、図示しないリーン制御用のマップを検索することにより、可変ベーン７ｃの目標開度ＶＡＮＥ＿ＣＭＤを算出する。それにより、この目標開度ＶＡＮＥ＿ＣＭＤに対応する制御入力がベーンアクチュエータ７ｄに入力されることで、過給圧が制御される。

さらに、スワール制御処理では、燃料噴射量ＱＩＮＪに応じて、図示しないリーン制御用のマップを検索することにより、スワール弁９ａの目標スワール開度ＳＷ＿ＣＭＤを算出する。それにより、この目標スワール開度ＳＷ＿ＣＭＤに対応する制御入力がスワールアクチュエータ９ｂに入力されることで、スワールが制御される。

一方、ＥＧＲ制御処理では、燃料噴射量ＱＩＮＪに応じて、図示しないリーン制御用のマップを検索することにより、目標新気量Ｍ＿ＣＭＤを算出する。そして、新気量Ｍ＿ＡＣＴがこの目標新気量Ｍ＿ＣＭＤに収束するように、所定のフィードバック制御アルゴリズムにより、ＥＧＲ制御弁１０ｂが制御される。ステップ４４で、以上のようにリーン制御を実行した後、本処理を終了する。

一方、ステップ４０の判別結果がＹＥＳで、還元制御の実行条件が成立しているときには、ステップ４５に進み、エンジン回転数ＮＥおよびアクセル開度ＡＰに応じて、図示しない還元制御用のマップを検索することにより、要求トルクＰＭＣＭＤを算出する。この還元制御用のマップでは、要求トルクＰＭＣＭＤは、エンジン回転数ＮＥが高いほど、またはアクセル開度ＡＰが大きいほど、より大きい値に設定されている。

次いで、ステップ４６で、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤに応じて、図示しない還元制御用のマップを検索することにより、燃料噴射量ＱＩＮＪを算出する。この還元制御用のマップでは、燃料噴射量ＱＩＮＪは、エンジン回転数ＮＥが高いほど、または要求トルクＰＭＣＭＤが大きいほど、より大きい値に設定されている。

ステップ４６に続くステップ４７で、エンジン回転数ＮＥおよび燃料噴射量ＱＩＮＪに応じて、図示しない還元制御用のマップを検索することにより、燃料噴射終了タイミングφＩＮＪを算出する。それにより、以上のように算出された燃料噴射量ＱＩＮＪおよび燃料噴射終了タイミングφＩＮＪに応じて、燃料が燃料噴射弁４から気筒３ａ内に噴射される。

次いで、ステップ４８に進み、ＮＯｘ浄化触媒１２に捕捉されたＮＯｘを還元するために、以下に述べるように、還元制御処理を実行する。その後、本処理を終了する。

次に、図６を参照しながら、上記還元制御処理について説明する。同図に示すように、この処理では、まず、ステップ５０で、目標空気過剰率λ＿ＣＭＤを所定の還元制御用値λ＿ＲＩＣＨ（例えば値０．９６５）に設定する。

次に、ステップ５１に進み、目標新気量Ｍ＿ＣＭＤを算出する。具体的には、目標空気過剰率λ＿ＣＭＤおよび値１４．７を燃料噴射量ＱＩＮＪに乗算することにより、目標新気量Ｍ＿ＣＭＤを算出する。

次いで、ステップ５２に進み、目標新気量Ｍ＿ＣＭＤおよびエンジン回転数ＮＥに応じて、図示しない還元制御用のマップを検索することにより、目標スロットル弁開度ＴＨ＿ＣＭＤを算出する。それにより、目標スロットル弁開度ＴＨ＿ＣＭＤに対応する制御入力がＴＨアクチュエータ８ｂに入力され、スロットル弁８ａが全開状態よりも絞られた状態に制御される。

ステップ５２に続くステップ５３では、目標新気量Ｍ＿ＣＭＤおよびエンジン回転数ＮＥに応じて、図示しない還元制御用のマップを検索することにより、可変ベーン７ｃの目標開度ＶＡＮＥ＿ＣＭＤを算出する。それにより、この目標開度ＶＡＮＥ＿ＣＭＤに対応する制御入力がベーンアクチュエータ７ｄに入力されることで、過給圧が制御される。

次に、ステップ５４で、目標新気量Ｍ＿ＣＭＤおよびエンジン回転数ＮＥに応じて、図示しない還元制御用のマップを検索することにより、スワール弁９ａの目標スワール開度ＳＷ＿ＣＭＤを算出する。それにより、この目標スワール開度ＳＷ＿ＣＭＤに対応する制御入力がスワールアクチュエータ９ｂに入力されることで、スワールが制御される。

次いで、ステップ５５に進み、以下に述べるように、目標ＥＧＲ量ＥＧＲ＿ＣＭＤを算出する。まず、目標新気量Ｍ＿ＣＭＤおよびエンジン回転数ＮＥに応じて、図示しないマップを検索することにより、基本値ＥＧＲ＿ＦＦを算出する。次いで、第１空気過剰率λ１と目標空気過剰率λ＿ＣＭＤの偏差が値０になるように、所定のフィードバック制御アルゴリズムにより、補正値ＥＧＲ＿ＦＢを算出する。そして、基本値ＥＧＲ＿ＦＦと補正値ＥＧＲ＿ＦＢを加算することにより、目標ＥＧＲ量ＥＧＲ＿ＣＭＤが算出される。その後、本処理を終了する。

ステップ５５で、以上のように目標ＥＧＲ量ＥＧＲ＿ＣＭＤが算出されると、新気量Ｍ＿ＡＣＴが目標新気量Ｍ＿ＣＭＤに収束するように、フィードバック制御され、それにより、第１空気過剰率λが目標空気過剰率λ＿ＣＭＤに収束するように制御される。その結果、還元剤としての未燃燃料を含む還元雰囲気の排ガスがＮＯｘ浄化触媒１２に供給されることによって、ＮＯｘ浄化触媒１２において、捕捉したＮＯｘが還元され、浄化される。

以上のように、本実施形態の排ガス浄化装置１によれば、Ｓ＿ＱＮＯｘ≧ＳＲＥＦが成立した場合、還元条件フラグＦ＿ＲＩＣＨが「１」に設定されるとともに、ラムダ判定フラグＦ＿λＣＨＥＣＫが、ＴＥＸ＞ＴＲＥＦのときには「１」に、ＴＥＸ≦ＴＲＥＦのときには「０」にそれぞれ設定される（ステップ４，７〜１０）。そして、Ｆ＿ＲＩＣＨ＝１の場合、還元制御が実行され（ステップ４０，４８）、その還元制御中、Ｆ＿λＣＨＥＣＫ＝１の場合には、第２空気過剰率λ２が所定値λＲＥＦよりも小さくなったとき、すなわち所定値λＲＥＦよりもリッチ側の値になったときに、還元制御を終了すべきであると決定される（ステップ２４，２６）。

ここで、助触媒としてのセリア−ジルコニア複合酸化物は、前述したように、ＴＥＸ＞ＴＲＥＦのときには、高い酸素貯蔵能を示すという特性を備えているので、第２ＬＡＦセンサ２４の検出結果において高い信頼性を確保でき、それにより、第２空気過剰率λ２に基づく還元制御の終了決定結果においても高い信頼性を確保することができる。その結果、ＴＥＸ＞ＴＲＥＦのときに、還元制御を適切なタイミングで終了することができる。

一方、還元制御中、Ｆ＿λＣＨＥＣＫ＝０の場合、すなわちＴＥＸ≦ＴＲＥＦとなっており、セリア−ジルコニア複合酸化物がかなり低い酸素貯蔵能しか示さないことで、第２ＬＡＦセンサ２４の検出結果の信頼性が低い場合には、ＮＯｘ残量Ｒ＿ＱＮＯｘが所定値ＲＲＥＦ以下のときに、還元制御を終了すべきであると決定される（ステップ２６，３０）。このＮＯｘ残量Ｒ＿ＱＮＯｘは、ＮＯｘ還元量ＤＮＯｘを用いて算出され、このＮＯｘ還元量ＤＮＯｘは、還元剤の供給量を表す３つの値（新気量Ｍ＿ＡＣＴ、エンジン回転数ＮＥおよび燃料噴射量ＱＩＮＪ）に応じて算出される。ここで、還元制御中における還元剤の供給量は、ＮＯｘ浄化触媒１２で捕捉されたＮＯｘが実際に還元される量を適切に表すものであるので、ＮＯｘ還元量ＤＮＯｘを、ＮＯｘ浄化触媒１２におけるＮＯｘの実際の還元量を精度よく表すように算出できる。その結果、ＮＯｘ残量Ｒ＿ＱＮＯｘを精度よく算出できることで、ＮＯｘ残量Ｒ＿ＱＮＯｘに基づく還元制御の終了決定結果においても高い信頼性を確保することができ、それにより、ＴＥＸ≦ＴＲＥＦのときにも、還元制御を適切なタイミングで終了することができる。

以上のように、排気温ＴＥＸが所定値ＴＲＦより大きいか否かにかかわらず、還元制御の終了タイミングを適切に決定することができる。その結果、還元制御が過不足なく適切な時間だけ実行されることで、排ガス特性および燃費を向上させることができる。

なお、実施形態は、ＮＯｘ浄化触媒１２として、主触媒としての白金およびバリウムと、助触媒としてのセリア−ジルコニア複合酸化物とをアルミナ担体に担持させたものを用いた例であるが、本願発明のＮＯｘ浄化触媒はこれに限らず、酸素貯蔵能を有する助触媒を含み、酸化雰囲気の排ガス中のＮＯｘを捕捉するとともに、還元剤を含む還元雰囲気の排ガスが供給されることにより、捕捉したＮＯｘを還元するものであればよい。例えば、主触媒として、白金族元素（ロジウム、パラジウム、イリジウムなど）のいずれかと、アルカリ土類（カルシウムなど）、アルカリ金属（カリウム、ナトリウムなど）および希土類（イットリウムなど）のいずれかとを用いてもよい。また、助触媒として、セリア酸化物などを用いてもよい。

また、実施形態は、酸素貯蔵能パラメータを検出する酸素貯蔵能パラメータ検出手段として、排気温ＴＥＸを検出する排気温センサ２３を用いた例であるが、本願発明の酸素貯蔵能パラメータ検出手段はこれに限らず、ＮＯｘ浄化触媒における助触媒の酸素貯蔵能を表す酸素貯蔵能パラメータを検出できるものであればよい。例えば、各種のセンサにより、エンジン３の運転状態を表す複数の運転状態パラメータ（エンジン回転数ＮＥやアクセル開度ＡＰなど）を検出し、これらの運転状態パラメータに基づき、助触媒の酸素貯蔵能を表す酸素貯蔵能パラメータを推定してもよい。

さらに、実施形態は、ＮＯｘ浄化触媒の温度を表す温度パラメータとして、排気温ＴＥＸを用いた例であるが、本願発明の温度パラメータはこれに限らず、ＮＯｘ浄化触媒の温度を表すものであればよい。例えば、温度センサなどの温度パラメータ検出手段により、ＮＯｘ浄化触媒１２自体の温度を温度パラメータとして直接的に検出してもよい。

また、実施形態は、空燃比パラメータ検出手段として第２ＬＡＦセンサ２４を用いた例であるが、本願発明の空燃比パラメータ検出手段はこれに限らず、ＮＯｘ浄化触媒１２よりも下流側の排気通路における排ガス中の空燃比を表す空燃比パラメータを検出できるものであればよい。例えば、空燃比パラメータ検出手段として、チタニア型酸素濃度センサなどを用いてもよい。

さらに、実施形態は、空燃比パラメータとして空気過剰率λを用いた例であるが、本願発明の空燃比パラメータはこれに限らず、排ガス中の空燃比を表すものであればよい。例えば、空燃比パラメータとして、排ガスの空燃比そのものや排ガス中の酸素濃度を用いてもよい。

一方、実施形態は、還元制御として、第１空気過剰率λ１がリッチ側の値λ＿ＲＩＣＨになるように空燃比制御を実行した例であるが、本願発明の還元制御はこれに限らず、ＮＯｘ浄化触媒１２に流入する排ガスを還元雰囲気に制御できるものであればよい。例えば、還元制御として、排気通路１１に還元剤供給用の燃料噴射弁を設け、この燃料噴射弁から燃料を排気通路１１内に直接噴射することにより、ＮＯｘ浄化触媒１２に流入する排ガスを還元雰囲気に制御するように構成してもよい。

また、実施形態は、本願発明の排ガス浄化装置１をディーゼルエンジンに適用した例であるが、本願発明の排ガス浄化装置は、実施形態のディーゼルエンジンに限らず、各種の内燃機関に適用可能である。例えば、本願発明の排ガス浄化装置をガソリンエンジンに適用してもよい。これに加えて、本願発明の排ガス浄化装置は、実施形態の車両に搭載されたディーゼルエンジンに限らず、船舶用などの各種の内燃機関に適用可能である。

本願発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置およびこれを適用した内燃機関の概略構成を模式的に示す図である。 排ガス浄化装置の概略構成を示すブロック図である。 条件判定処理を示すフローチャートである。 終了判定処理を示すフローチャートである。 空燃比制御処理を示すフローチャートである。 還元制御処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 排ガス浄化装置
２ ＥＣＵ（温度パラメータ検出手段、空燃比パラメータ検出手段、ＮＯｘ捕捉量算 出手段、還元制御手段、第１決定手段、禁止手段、第２決定手段、ＮＯｘ残量算 出手段）
３ 内燃機関
１１ 排気通路
１２ ＮＯｘ浄化触媒
２３ 排気温センサ（温度パラメータ検出手段）
２４ 第２ＬＡＦセンサ（空燃比パラメータ検出手段）
ＴＥＸ 排気温（温度パラメータ）
ＴＲＥＦ 所定値（所定温度域を規定する値）
Ｓ＿ＱＮＯｘ ＮＯｘ捕捉量
ＳＲＥＦ 所定値
λ２ 第２空気過剰率（空燃比パラメータ）
λＲＥＦ 所定値
Ｍ＿ＡＣＴ 新気量（供給量パラメータ）
ＮＥ エンジン回転数（供給量パラメータ）
ＱＩＮＪ 燃料噴射量（供給量パラメータ）
Ｒ＿ＱＮＯｘ ＮＯｘ残量
ＲＲＥＦ 所定値

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、酸素貯蔵能を有する助触媒を含み、酸化雰囲気の排ガス中のＮＯｘを捕捉するとともに、還元剤を含む還元雰囲気の排ガスが供給されることにより、当該捕捉したＮＯｘを還元することによって浄化するＮＯｘ浄化触媒と、
   当該ＮＯｘ浄化触媒における前記助触媒の酸素貯蔵能を表す酸素貯蔵能パラメータとして、当該ＮＯｘ浄化触媒の温度を表す温度パラメータを検出する温度パラメータ検出手段と、
   前記ＮＯｘ浄化触媒よりも下流側の排気通路における排ガス中の空燃比を表す空燃比パラメータを検出する空燃比パラメータ検出手段と、
   前記ＮＯｘ浄化触媒に捕捉されているＮＯｘ量をＮＯｘ捕捉量として算出するＮＯｘ捕捉量算出手段と、
   当該算出されたＮＯｘ捕捉量が所定値以上になったときに、前記ＮＯｘ浄化触媒にＮＯｘの還元動作を行わせるために、前記還元剤を前記ＮＯｘ浄化触媒の上流側に供給することにより、前記ＮＯｘ浄化触媒に流入する排ガスを還元雰囲気に制御する還元制御を実行する還元制御手段と、
   を備え、
   当該還元制御手段は、
   前記還元制御の実行中、前記還元剤の供給量を表す供給量パラメータに応じて、前記ＮＯｘ浄化触媒によって捕捉されているＮＯｘの残量をＮＯｘ残量として算出するＮＯｘ残量算出手段と、
   前記還元制御の実行中、前記検出された空燃比パラメータが表す排ガス中の空燃比が所定値よりもリッチ側に移行したときに、前記還元制御を終了すべきであると決定する第１決定手段と、
   前記還元制御の実行中、前記検出された温度パラメータが表す前記ＮＯｘ浄化触媒の温度が所定温度域にないときに、前記第１決定手段による前記還元制御の終了決定を禁止する禁止手段と、
   前記還元制御の実行中、前記禁止手段によって前記第１決定手段による前記還元制御の終了決定が禁止されている場合において、前記ＮＯｘ残量が所定値以下のときに、前記還元制御を終了すべきであると決定する第２決定手段と、
   を有することを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。

Images