JP4482848B2 - ターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気通路におけるターボ過給機下流に排ガス中のＮＯｘをトラップするトラップ触媒を備えたターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許第２５８６７３９号公報には、流入する空燃比がリーンであるときにＮＯｘをトラップし、流入する空燃比の酸素濃度が低下したリッチであるときにトラップしたＮＯｘを放出するＮＯｘトラップ触媒を有する内燃機関の排気浄化装置において、当該触媒がトラップしたＮＯｘ量を推定し、当該ＮＯｘ量が予め決められた許容量を超えたときに当該触媒に流入する排気ガス中の酸素濃度を低下させてトラップしたＮＯｘを放出する構成が記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術に対して、ターボ過給機を備える筒内噴射式エンジンに上記従来のＮＯｘトラップ触媒を搭載して排気浄化するシステムを考えた場合、空燃比をリーンからリッチに切り替えてＮＯｘを放出する際にリッチな排気ガスとリーンな排気ガスとがターボチャージャで撹拌されて燃料の未燃成分が再燃焼するため、排気ガス温度の上昇を招いて放出したＮＯｘの還元剤となるＨＣが減少し、排気ガスの浄化効果が低減してしまうという問題がある。
【０００４】
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その目的は、ターボ過給機の撹拌によるＮＯｘ還元剤の減少を考慮してＮＯｘ放出時にＮＯｘ還元剤を供給し、排気ガスの浄化効果の低下を抑えるターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係るターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置は、排気通路におけるターボ過給機下流に排ガス中のＮＯｘをトラップするトラップ触媒と、当該ターボ過給機をバイパスするバイパス通路と、当該バイパス通路を開閉するバイパス弁とを備えたターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置において、前記トラップ触媒がトラップしたＮＯｘ量を推定し、当該ＮＯｘ量が閾値に達していると判定したならば当該トラップ触媒を通過する排気ガスの空燃比をリッチにする空燃比設定手段と、前記空燃比設定手段により空燃比がリッチに設定されたときに、前記バイパス弁を開弁する弁制御手段とを具備し、前記弁制御手段は、エンジンの所定運転領域において排気ガス量が所定量より多くなるときに前記バイパス弁を開弁させる。
【０００７】
また、好ましくは、エンジンが前記所定運転領域ならば、前記空燃比設定手段は空燃比のリッチ度合い、リッチ期間、或いは前記閾値の少なくとも１つを補正する。
【０００８】
本発明に係るターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置は、排気通路におけるターボ過給機下流に排ガス中のＮＯｘをトラップするトラップ触媒を備えたターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置において、前記トラップ触媒がトラップしたＮＯｘ量を推定し、当該ＮＯｘ量が閾値に達していると判定したならば当該トラップ触媒を通過する排気ガスの空燃比をリッチにする空燃比設定手段と、前記空燃比設定手段により設定される空燃比のリッチ度合いを、排気ガス中の未燃成分が前記ターボ過給機の撹拌により再燃焼する量に応じて大きくする補正手段とを具備する。
【０００９】
本発明に係るターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置は、排気通路におけるターボ過給機下流に排ガス中のＮＯｘをトラップするトラップ触媒を備えたターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置において、前記トラップ触媒がトラップしたＮＯｘ量を推定し、当該ＮＯｘ量が閾値に達していると判定したならば当該トラップ触媒を通過する排気ガスの空燃比をリッチにする空燃比設定手段と、前記空燃比設定手段により設定される空燃比のリッチ期間を、排気ガス中の未燃成分が前記ターボ過給機の撹拌により再燃焼する量に応じて長くする補正手段とを具備する。
【００１０】
本発明に係るターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置は、排気通路におけるターボ過給機下流に排ガス中のＮＯｘをトラップするトラップ触媒を備えたターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置において、前記トラップ触媒がトラップしたＮＯｘ量を推定し、当該ＮＯｘ量が閾値に達していると判定したならば当該トラップ触媒を通過する排気ガスの空燃比をリッチにする空燃比設定手段と、前記閾値を補正するにあたり、前記トラップ触媒のトラップ性能に依存する許容トラップ量よりも、排気ガス中の未燃成分が前記ターボ過給機の撹拌により再燃焼することで増加するＮＯｘ量の分だけ小さい値に補正する補正手段とを具備する。
【００１１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、トラップ触媒がトラップしたＮＯｘ量を推定し、当該ＮＯｘ量が閾値に達していると判定したならば当該トラップ触媒を通過する排気ガスの空燃比をリッチにすると共に、空燃比がリッチに設定されたときに、バイパス弁を開弁することにより、ターボ過給機の撹拌によるＮＯｘ還元剤の減少を考慮してＮＯｘ放出時にＮＯｘ還元剤を供給し、排気ガスの浄化効果の低下を抑えることができる。
【００１２】
また、エンジンの所定運転領域において排気ガス量が所定量より多くなるときにバイパス弁を開弁させることにより、バイパス通路を通過する排気ガス量が多いため、バイパス弁の開成によるターボ過給機による撹拌効果を抑えてＨＣを供給する効果を高めることができる。
【００１３】
請求項２の発明によれば、エンジンが所定運転領域ならば、空燃比のリッチ度合い、リッチ期間、或いは前記閾値の少なくとも１つを補正することにより、他の制御パラメータによってもＨＣ供給効果を高めることができる。
【００１４】
請求項３の発明によれば、トラップ触媒がトラップしたＮＯｘ量を推定し、当該ＮＯｘ量が閾値に達していると判定したならば当該トラップ触媒を通過する排気ガスの空燃比をリッチにすると共に、空燃比のリッチ度合いを、排気ガス中の未燃成分がターボ過給機の撹拌により再燃焼する量に応じて大きくすることにより、ターボ過給機の撹拌効果によるＨＣ減少量を見越してＮＯｘ還元剤としてのＨＣを十分に確保できる。
【００１５】
請求項４の発明によれば、トラップ触媒がトラップしたＮＯｘ量を推定し、当該ＮＯｘ量が閾値に達していると判定したならば当該トラップ触媒を通過する排気ガスの空燃比をリッチにすると共に、空燃比のリッチ期間を、排気ガス中の未燃成分がターボ過給機の撹拌により再燃焼する量に応じて長くすることにより、ターボ過給機の撹拌効果によるＨＣ減少量を見越してＮＯｘ還元剤としてのＨＣを十分に確保できる。
【００１６】
請求項５の発明によれば、トラップ触媒がトラップしたＮＯｘ量を推定し、当該ＮＯｘ量が閾値に達していると判定したならば当該トラップ触媒を通過する排気ガスの空燃比をリッチにすると共に、閾値を補正するにあたり、トラップ触媒のトラップ性能に依存する許容トラップ量よりも、排気ガス中の未燃成分が前記ターボ過給機の撹拌により再燃焼することで増加するＮＯｘ量の分だけ小さい値に補正することにより、ターボ過給機の撹拌効果によるＨＣ減少量を見越してＮＯｘ還元剤としてのＨＣを十分に確保できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る実施形態のターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
尚、以下に説明する実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で下記実施形態を修正又は変形したもの、例えば、筒内噴射式エンジンだけでなくポート噴射エンジンや、ガソリン、ディーゼル、その他の排気ガスの浄化が必要な内燃機関に適用可能である。
［全体構成］
図１に示すように、本実施形態のターボ過給機付きエンジンは火花点火式の筒内噴射式エンジン１（以下、「エンジン１」という。）であり、吸気弁２が開かれたときに、吸気通路３から燃焼室４内に燃料燃焼用のエアを吸入するようになっている。そして、この燃焼室４内のエア中に、所定のタイミングで燃料噴射弁５（燃料噴射装置）から燃料（ガソリン）が直接噴射され、混合気が形成される。
【００１９】
この混合気は、ピストン６によって圧縮され、所定のタイミングで点火プラグ７（火花点火装置）により点火されて燃焼する。燃焼ガスすなわち排気ガスは、排気弁８が開かれたときに排気通路９に排出される。
【００２０】
燃料噴射弁５には、燃料供給通路１０を介して、高圧燃料ポンプ１１によって燃料が供給される。このように、高圧燃料ポンプ１１が用いられているので、燃焼室４内が高圧となる圧縮行程後半でも支障なく燃料噴射を行うことができる。燃料噴射弁５はスワール型インジェクタであって、燃料噴射孔が燃焼室４に直接臨むように配置されている。また、燃料噴射弁５は、ピストン６が上死点位置近傍に位置するときに、該ピストン６の頂部に形成されたキャビティ６ａ内に向けて燃料を噴射できるように配置されている。これにより、圧縮行程後半において燃料噴射弁５から噴射された燃料が、キャビティ６ａによってはね返され、点火プラグ７まわりに層状化（成層化）される。このように、燃料ないしは混合気が層状化されてその着火性が高められるので、空燃比を大幅にリーンにすることができ、燃費性能が高められる。
【００２１】
吸気通路３には、エア（吸気）の流れ方向にみて、上流側から順に、エアを絞るエレキスロットルバルブ１２と、エアの流れを安定させるサージタンク２１と、スワールを生成するために燃焼室４へのエアの流入方向を調整するガス流動御弁１３とが設けられている。ここで、エレキスロットルバルブ１２は、コントロールユニット２０（ＥＣＵ）から出力される制御信号に応じて作動する電気式アクチュエータ１２ａによって駆動され、燃焼室４に流入するエア量を調節するようになっている。なお、図示していないが、エレキスロットルバルブ１２より上流側において、吸気通路３には、上流側から順に、エア中のダスト等を除去するエアクリーナ（図示せず）と、エア流量を検出するエアフローセンサと、後で説明するターボ式過給機１５のブロワ（ポンプ）と、ブロワにより加圧されて高温となったエアを冷却するインタクーラとが設けられている。
【００２２】
排気通路９には、排気流れ方向に沿って上流側から順に、排気ガス中の酸素濃度ひいては空燃比を検出するリニアＯ2センサ１４（λ＝１近傍で出力が逆転する普通のλＯ2センサでもよい）と、ターボ過給機１５のタービン１５ａと、上流触媒コンバータ１６と、下流触媒コンバータ１７とが設けられている。
【００２３】
詳しくは図示していないが、上流触媒コンバータ１６は２ベッドタイプのものであって、その上流側のベッドにはＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ等を浄化する三元触媒が装填され、下流側のベッドには主としてＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒が装填されている。なお、上流触媒コンバータ１６を１ベッドタイプとして、三元触媒のみを装填するようにしてもよい。
【００２４】
また、下流触媒コンバータ１７は１ベッドタイプのものであって、空燃比がリーンで排気ガス中のＮＯｘをトラップし、空燃比がリッチ（λ＜１）になった時にＮＯｘを放出しつつ排気ガス中のＨＣと反応してＨ2、Ｎ2、ＣＯ2に還元されることによりＮＯｘを浄化するＮＯｘトラップ触媒が装填されている。なお、いずれの触媒も、その温度が活性化温度以上になると十分な浄化力を発揮するが、その温度が活性化温度より低いと、十分な浄化力は得られない。
【００２５】
また、上流及び下流触媒コンバータ１６，１７には各触媒温度を直接的に検出する触媒温度センサ１６ａ，１７ａが配設されている。尚、両触媒１６，１７の温度はエンジン回転数、エンジン水温、始動後の経過時間、排気ガス温度、空燃比などの運転状態から間接的に推定することもできる。
【００２６】
また、エンジン１の排気通路９には、ターボ過給機１５をバイパスするウエストゲート３１が設けられている。ウエストゲート３１はウエストゲートバルブ３２により開閉され、一般には過給圧が過剰に上昇するのを抑制する。
【００２７】
更に、エンジン１には、排気通路９内の排気ガスの一部を吸気通路３に還流させるＥＧＲ通路１８が設けられ、このＥＧＲ通路１８に、ＥＧＲガス流量を制御するＥＧＲ弁１９が介設されている。なお、吸気弁２は、可変バルブタイミング機構２２により、その開弁期間及び開閉タイミングを変えることができる。
【００２８】
コントロールユニット２０は、エンジン１の総合的な制御装置であって、各種制御情報に基づいて種々のエンジン制御を行うようになっている。具体的には、コントロールユニット２０には、吸入空気量、スロットル開度、クランク角、エンジン回転数、エンジン水温（エンジン温度）、空燃比等の各種制御情報が入力される。そして、コントロールユニット２０は、これらの制御情報に基づいて、燃料噴射弁５の燃料噴射量制御（空燃比制御）及び噴射タイミング制御、点火プラグ７の点火時期の制御（点火時期制御）、エレキスロットルバルブ１２の開度の制御、ＥＧＲ弁１９の開度の制御、ガス流動制御弁１３の開度の制御、吸気弁２の開弁期間及び開閉タイミングの制御等を行う。
【００２９】
しかしながら、コントロールユニット２０によるエンジン１の通常の制御は一般に知られており、またかかる通常の制御は本願発明の要旨とするところでもないのでその説明を省略し、以下では本願発明の要旨である排気ガス浄化にかかわる制御について説明する。
［排気ガス浄化制御］
図２は上記エンジン１についての空燃比マップである。このマップでは、エンジン回転数とエンジン負荷とで規定されるエンジンの運転領域が、空燃比がリーンな成層燃焼領域Ａと、リッチな均一燃焼領域Ｂと、燃料カット領域Ｃとに分割されている。
【００３０】
成層燃焼領域Ａは、運転頻度の高い低〜中回転、低〜中負荷側に設定されている。この領域Ａでは、空燃比が理論空燃比より大きくされる（λ＞１）。この領域Ａでのリーン運転時は、燃料を圧縮行程中に噴射し（後段噴射）、燃料を点火プラグ５の近傍に偏在させて成層燃焼させる。このリーン運転時は、排気ガス中のＮＯｘがＮＯｘトラップ触媒１７にトラップされて燃費性能と排気性能とが共に向上する。
【００３１】
均一燃焼領域Ｂは、高速運転時や加速時等の運転領域である高回転、高負荷側に設定されている。この領域Ｂでは、空燃比が理論空燃比より小さくされるか（λ＜１）、あるいは理論空燃比とされる（λ＝１）。この領域Ｂでのリッチ運転時は、燃料を吸気行程中に噴射し（前段噴射）、燃料を燃焼室４内で充分に気化霧化させる。このリッチ運転時は、空燃比が理論空燃比より小さくされたときは、ＮＯｘトラップ触媒１７にトラップされていたＮＯｘが放出され、ＣＯ，ＨＣと酸化還元反応して良好なトルクが得られると共に排気性能が向上する。一方、空燃比が理論空燃比とされたときは、排ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘが三元触媒１６によって同時に浄化される。
【００３２】
燃料カット領域Ｃは、中〜高回転、低負荷側に設定されている。この領域Ｃでは燃焼室４への燃料噴射が停止される。
【００３３】
なお、図２には、成層燃焼領域Ａと均一燃焼領域Ｂとの境界を符号「Ｌ」で示した。また、ＥＧＲの実行領域を斜線で囲んで示した。このエンジン１では、低〜中回転、低〜中負荷の運転領域において、ＥＧＲ制御が実行される。その結果、成層燃焼領域Ａのほぼ全域と、均一燃焼領域Ｂの一部とにおいて、ＥＧＲ制御が実行される。このＥＧＲ制御は、例えば、燃焼室４内の空燃比ないし排気ガスの空燃比が、各領域Ａ，Ｂに応じた目標空燃比となるように、ＥＧＲ弁１９の開度をフィードバック制御して、ＥＧＲガス量を目標ＥＧＲガス量に収束させる制御である。
【００３４】
そして、上記エンジン制御においては、冷間始動時（触媒活性化期間）には、燃料噴射弁５による燃料噴射が、点火時期前の圧縮行程後半に実行される前段燃料噴射と、点火時期後の膨張行程前半で実行される後段燃料噴射とに分けて行われる。なお、前段燃料噴射は、吸気行程又は圧縮行程前半で実行されてもよい。ここで、前段燃料噴射における燃料噴射量は、後段燃料噴射における燃料噴射量以上となるように設定される。これにより、前段燃焼（前段燃料噴射によって噴射された燃料の燃焼）及び後段燃焼（後段燃料噴射によって噴射された燃料の燃焼）により排気ガス温度が効果的に上昇させられ、かつ後段燃焼で必要以上の未燃ＨＣが排出されるのが防止される。
【００３５】
ここで、後段燃料噴射の燃料噴射開始時期は、ＡＴＤＣ３０〜９０°ＣＡの範囲に設定される。これにより、前段燃焼及び後段燃焼により排気ガス温度がさらに効果的に上昇させられ、かつ後段燃焼で必要以上の未燃ＨＣが排出されるのがより有効に防止される。
【００３６】
また、点火プラグ７の点火時期は、圧縮上死点以前に設定される。これにより、燃費性能の悪化を抑制しつつ、両触媒１６、１７内の排気ガス浄化触媒の昇温ないしは活性化を有効に促進することができる。
【００３７】
更に、このエンジン１においては成層燃焼領域でＥＧＲが行われるが、このＥＧＲ制御中に空燃比をリッチに切り換えてＮＯｘを放出するリッチスパイク運転も並行して行われる。その場合に、リッチ運転時はリーン運転時に比べて燃焼室４内の酸素濃度が低くなり、且つＥＧＲガス中に含まれる未燃の酸素濃度も低くなるから、ＥＧＲガス量を通常のリーン運転時と同程度に保っていると、燃焼室４内の酸素濃度が極端に低下して燃焼性悪化の問題が発生する。
【００３８】
そこで、このエンジン１のＥＧＲ制御では、リッチスパイク運転時は、通常のリーン運転時に比べて、ＥＧＲ量を減量する。これにより、新気量がその分増加して、燃焼性悪化の不具合が抑制される。その場合に、ＥＧＲ量をゼロにまで減量すると、ＥＧＲの効果が得られず、排気ガス中にＮＯｘ成分が多量に発生して、還元剤（ＣＯ，ＨＣ）がその発生したＮＯｘ成分の浄化のほうに多量に消費されてしまい、本来のトラップＮＯｘの浄化のほうに利用できる量が少なくなるので、このエンジン１のＥＧＲ制御では、リッチスパイク運転中もＥＧＲ量をゼロにせず、ＥＧＲ量をゼロより大きい所定量まで減量して、すなわちＥＧＲ制御を続行して、ＮＯｘ成分の発生量を抑制するようにしている。
【００３９】
図２のマップのように制御されるエンジン１は、下記（ｉ）〜（ｉｉｉ）の特徴を有する。即ち、
（ｉ）ターボ過給機１５が排気ガス熱を吸収して排気ガス温度が約１００℃程度まで低下する。
【００４０】
（ｉｉ）点火プラグ７近傍の空燃比がリッチになり過ぎることによる成層燃焼領域での制約に対して、ターボ過給機１５により空気充填量を増加させることで高負荷側（高負荷＆高車速側）の成層燃焼領域を拡大できる。
【００４１】
（ｉｉｉ）膨張行程で追加噴射された未燃燃料と排気ガス中の酸素とがタービン１５ａで撹拌されて（撹拌効果）、未燃燃料が排気通路９内で再燃焼して排気ガス温度が上昇し排気ガス中のＨＣが減少する。
【００４２】
ところが、上記特徴を有するエンジン１に対してＮＯｘトラップ触媒を搭載して排気ガスを浄化する場合、下記（ｉｖ），（ｖ）のような弊害が発生する。即ち、
（ｉｖ）低負荷運転が継続された場合、排気ガス温度が低下することによりＮＯｘトラップ触媒の温度が低下し（最適な浄化特性を得られる温度は約３５０℃）、ＮＯｘのトラップ能力が低下してしまう。
【００４３】
（ｖ）タービン１５ａの撹拌効果により未燃燃料が再燃焼し、ＮＯｘの還元剤であるＨＣが減少して放出されたＮＯｘの浄化能力が低下してしまう。
【００４４】
そこで、上記弊害（ｉｖ）に対する対策として、本実施形態では下記（１）の制御を行う。即ち、
（１）ＮＯｘトラップ量を推定して所定ＮＯｘ閾値に達したならば、ＮＯｘトラップ触媒の温度が所定温度以下のときに成層燃焼領域での運転のままで圧縮行程で燃料を追加噴射して空燃比をリッチ（λ＜１）に設定する。ＮＯｘトラップ触媒の温度が所定温度以上のときには、均一燃焼領域にして空気量を減少してリッチに設定する。
【００４５】
一方、上記弊害（ｖ）に対する対策として、本実施形態では下記（２）〜（４）の制御を行う。即ち、
（２）ＮＯｘ放出効果が減少する分だけ、ＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘトラップ特性から決まる許容トラップ量よりも少ない所定トラップ量に達したならば空燃比をリッチに設定する。
【００４６】
（３）ＮＯｘ放出効果が減少する分だけ、ＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘ放出特性から決定される空燃比のリッチ度合いよりも大きくする、或いはリッチ期間を長くする。
【００４７】
（４）空燃比をリッチに設定する際に、ウエストゲートバルブ３２を開成して排気ガスがタービン１５ａをバイパスするように制御する。詳しくは、ウエストゲートバルブ３２の制御は、ＮＯｘトラップ量が空燃比のリッチ化を開始してから過給圧が低下するまでの遅れ時間後にＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘトラップ特性から決まる許容トラップ量に達する時点で開成し、空燃比のリッチ化を過給圧の変化に合わせて開始する。
【００４８】
上記制御により、空燃比のリッチ化開始から空燃比がリッチになるまでの時間を短縮でき、ロスなくＮＯｘ放出を実行できる。また、リーンに戻す際には、先ずウエストゲートバルブ３２を閉成し、過給圧が上昇してからリーン化させる。この構成により、空燃比がリッチ雰囲気において成層燃焼領域下での過給圧不足による失火などを防止できる。
［空燃比の制御態様］
図３は、本実施形態の空燃比の制御態様について説明するフローチャートである。
【００４９】
図３に示すように、ステップＳ１では、空燃比がリーンな成層燃焼領域において、前回のＮＯｘ放出終了時点から現在までにトラップされたＮＯｘの積算トラップ量Ｘを推定演算する。
【００５０】
次のステップＳ３では、タービン１５ａの撹拌効果によるＮＯｘ放出遅れ時間Ａを演算する。
【００５１】
ステップＳ５では、上記ＮＯｘ放出遅れ時間Ａの間にトラップされるＮＯｘ増加量Ｂを推定演算する。
【００５２】
ステップＳ７では、上記積算トラップ量ＸとＮＯｘ増加量Ｂとの和がＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘトラップ特性から決まる許容トラップ量Ｘ０を超えたか否か判定し、許容トラップ量Ｘ０を下回るならば（ステップＳ７でＮＯ）、上記ステップＳ１にリターンして上記処理を繰返し実行する。
【００５３】
一方、ステップＳ７で許容トラップ量Ｘ０に達したならば（ステップＳ７でＹＥＳ）、ステップＳ９に進み、空燃比をリッチに設定（リッチスパイク）してＮＯｘ放出を実行する。
【００５４】
ステップＳ１１では、積算トラップ量Ｘの推定演算を継続する。
【００５５】
ステップＳ１３では、上記ステップＳ９でＮＯｘ放出を開始してからＮＯｘ放出遅れ時間Ａが経過するまで積算トラップ量Ｘび推定演算を継続し、当該時間Ａが経過したならば（ステップＳ１３でＹＥＳ）、ステップＳ１５でＮＯｘ放出量Ｙを演算する。
【００５６】
ステップＳ１７では残存ＮＯｘトラップ量ＸＹを演算し、ステップＳ１９で残存ＮＯｘトラップ量ＸＹが零になるまで、ＮＯｘ放出量Ｙ及び残存ＮＯｘトラップ量ＸＹの演算を継続する。
【００５７】
ステップＳ１９で残存ＮＯｘトラップ量ＸＹが零になったならば（ステップＳ１９でＹＥＳ）、ステップＳ２１で空燃比をリーン化してＮＯｘ放出を終了する。
［ＮＯｘの積算トラップ量Ｘの演算］
上記ステップＳ１におけるＮＯｘの積算トラップ量Ｘの推定は、図４に示すフローチャートに従って行われるが、先に図５及び図６を参照してこの推定の基本的な考え方を説明する。
【００５８】
図５に示すように、リーン運転時は、時間の経過と共に、ＮＯｘトラップ触媒１７が単位時間当たりにトラップできるＮＯｘトラップ可能量Ｘｄが減少していき、トラップできずに通過させてしまうＮＯｘ通過量Ｘｆが増加していく。燃焼室４から最初に排気通路９に排出される排気ガス中のＮＯｘ量をＮＯｘ初期排出量（Ｒａｗ・ＮＯｘ量）Ｘｂとする。ＮＯｘトラップ触媒１７は選択還元型触媒であって、リーン運転時にもある程度の量のＮＯｘ成分を還元浄化する。その選択還元浄化率を「α」、選択還元浄化量を「Ｘｎ」とすると、ＮＯｘトラップ触媒１７に供給されるＮＯｘ供給量Ｘｃは、ＮＯｘ初期排出量Ｘｂから浄化量Ｘｎを差し引いた値となる。そして、そのＮＯｘ供給量ＸｃからＮＯｘトラップ可能量Ｘｄを差し引いた残りの値がＮＯｘ通過量Ｘｆとなる。
【００５９】
図５に示す曲線ａ，ｂはＮＯｘ通過量Ｘｆの時間変化を表わす。実線ａは排気ガス温度が低い場合、破線ｂは高い場合である。積算トラップ量Ｘは、その時点までの曲線ａ又はｂと、供給量Ｘｃとで囲まれた面積で表わされる。図５には、排気ガス温度が低い場合ａを例にとり、斜線部分で示してある。
【００６０】
排気ガス温度が低い場合ａのほうが、高い場合ｂに比べて、瞬時ＮＯｘトラップ可能量Ｘｄが長期に亘って多く、したがってＮＯｘ通過量Ｘｆが長期に亘って少ない。つまり、ＮＯｘトラップ触媒１７の浄化能力が長期に亘って高水準に保たれる。また、同じく、排気ガス温度が低い場合ａのほうが、高い場合ｂに比べて、積算トラップ量Ｘが早期に大きくなる。しかし、上記のように、ＮＯｘトラップ触媒１７の浄化能力は高い。したがって、積算トラップ量ＸだけでＮＯｘ放出処理の開始を判断すると、浄化能力の高い触媒に対しては早々とＮＯｘ放出処理を実行する一方、浄化能力の低い触媒に対してはなかなかＮＯｘ放出処理を実行しないことになって不合理である。
【００６１】
そこで、積算トラップ量Ｘが所定の許容量以上となったときだけでなく、そのような判定条件とは無関係に、瞬時ＮＯｘトラップ可能量Ｘｄが所定量以下に少なくなり、ＮＯｘ通過量Ｘｆが所定量以上に多くなったときにもＮＯｘ放出処理を開始することが好ましい。これにより、ＮＯｘトラップ触媒１７を通過して大気に放出されるＮＯｘ量の増加を確実にくいとめることができる。
【００６２】
また、瞬時ＮＯｘトラップ可能量Ｘｄは、積算トラップ量Ｘが多くなるほど小さくなる。すなわち、積算トラップ量Ｘは、それ自身の値が大きくなるほど、時間当たりの増加量が小さくなる。したがって、この傾向を考慮に入れて、積算トラップ量Ｘの推定を行なうことにより、その推定精度の向上が図られる。
【００６３】
図６は、積算トラップ量Ｘの変化に対する瞬時ＮＯｘトラップ可能量Ｘｄの変化を示したものである。前述したように、瞬時ＮＯｘトラップ可能量Ｘｄは、積算トラップ量Ｘが増大するに従って小さくなる。ここで重要なことは、瞬時ＮＯｘトラップ可能量Ｘｄが常に瞬時ＮＯｘトラップ量Ｘｅではないということである。積算トラップ量Ｘは、実質的に、瞬時ＮＯｘトラップ量Ｘｅが積算された値である。
【００６４】
符号アで示すように、瞬時ＮＯｘトラップ可能量Ｘｄが、瞬時ＮＯｘ供給量Ｘｃより大きいときは、ＮＯｘトラップ触媒１７には、瞬時ＮＯｘ供給量Ｘｃが全量トラップされるから、瞬時ＮＯｘトラップ量Ｘｅの値としては、瞬時ＮＯｘ供給量Ｘｃが採用される。これとは逆に、符号イで示すように、瞬時ＮＯｘ供給量Ｘｃが、瞬時ＮＯｘトラップ可能量Ｘｄより大きいときは、ＮＯｘトラップ触媒１７には、瞬時ＮＯｘ供給量Ｘｃが全量トラップされず、一部を通過させてしまうから、瞬時ＮＯｘトラップ量Ｘｅの値としては、瞬時ＮＯｘトラップ可能量Ｘｄが採用される。
【００６５】
従って、瞬時ＮＯｘ供給量Ｘｃと、瞬時ＮＯｘトラップ可能量Ｘｄとを比較して、小さいほうの値を瞬時ＮＯｘトラップ量Ｘｅとすることにより、当該瞬時ＮＯｘトラップ量Ｘｅが合理的に推定され、ひいては、積算トラップ量Ｘの推定精度が改善されることになる。そして、瞬時ＮＯｘトラップ可能量Ｘｄが瞬時ＮＯｘトラップ量Ｘｅの値に採用されたときには、積算トラップ量Ｘが多くなるほど瞬時ＮＯｘトラップ量Ｘｅが小さくなることになる。
【００６６】
積算トラップ量Ｘの推定は、まず、図４のフローチャートのステップＳ３１で、エンジン回転数とアクセル開度とに基づいてエンジン負荷を演算することから始まる。次いで、ステップＳ３２で、エンジン負荷とエンジン回転数とに基づいてＮＯｘ初期排出量Ｘｂを設定する。ここで、ＮＯｘ初期排出量Ｘｂは、エンジン負荷が大きいほど、またエンジン回転数が高いほど大きい値に設定される。 次いで、ステップＳ３３で、排気ガス温度とＮＯｘ初期排出濃度Ｃｎとに基づいてＮＯｘトラップ触媒１７の選択還元浄化率αを設定する。選択還元浄化率αは、排気ガス温度が高いほど小さい値に設定され、ＮＯｘ初期排出濃度Ｃｎが高いほど大きい値に設定される。
【００６７】
次いで、ステップＳ３４で、選択還元浄化率α及びＮＯｘ初期排出量ＸｂからＮＯｘ供給量Ｘｃを設定する。ＮＯｘ供給量Ｘｃは、例えば下記式に従って求められる。
【００６８】
Ｘｃ＝Ｘｂ×（１−α）
ここで、選択還元浄化率αはゼロ以上１以下の数値である（０≦α≦１）。また、（Ｘｂ×α）が選択還元浄化量Ｘｎである。
【００６９】
次いで、ステップＳ３５で、ＮＯｘ供給量Ｘｃ、積算トラップ量Ｘ、及び排気ガス温度からＮＯｘトラップ可能量Ｘｄを設定する。ＮＯｘトラップ可能量Ｘｄは、ＮＯｘ供給量Ｘｃが多いほど大きい値に設定され、積算トラップ量Ｘが多いほど小さい値に設定され、排気ガス温度が高いほど小さい値に設定される。
【００７０】
次いで、ステップＳ３６で、ＮＯｘ供給量ＸｃとＮＯｘトラップ可能量Ｘｄとのうち小さいほうの値をＮＯｘトラップ量の今回値、すなわち瞬時ＮＯｘトラップ量Ｘｅとする。そして、ステップＳ３７で、この瞬時ＮＯｘトラップ量Ｘｅを積算トラップ量Ｘに加算することにより、積算トラップ量Ｘを更新し、積算トラップ量Ｘの今回値を得る。
［残存ＮＯｘトラップ量ＸＹの演算］
上記ステップＳ１７における残存ＮＯｘトラップ量ＸＹの推定は、図７に示すフローチャートに従って行われ、まず、ステップＳ４１で、空燃比、排気ガス流量、残存ＮＯｘトラップ量ＸＹ、及び排気ガス温度に基づいてＮＯｘ放出量の今回値、すなわち瞬時ＮＯｘ放出量Ｙｅを設定する。ここで、瞬時ＮＯｘ放出量Ｙｅは、空燃比がリッチになるほど大きい値に設定され、排気ガス流量が多いほど大きい値に設定され、残存ＮＯｘトラップ量ＸＹが多いほど大きい値に設定され、排気ガス温度が高いほど大きい値に設定される。
【００７１】
そして、ステップＳ４２で、この瞬時ＮＯｘ放出量Ｙｅを残存ＮＯｘトラップ量ＸＹから減算することにより、残存ＮＯｘトラップ量ＸＹを更新し、残存ＮＯｘトラップ量ＸＹの今回値を得る。
［ウエストゲートバルブの制御態様］
図８は、本実施形態のウエストゲートバルブの制御態様について説明するフローチャートである。図９は、図８のフローを実施した場合の空燃比とＮＯｘトラップ量の変化、過給圧及びウエストゲートバルブの動作タイミングを示すタイムチャートである。
【００７２】
図８及び図９に示すように、ステップＳ５１では、図３のステップＳ１と同様に、ウエストゲートバルブ３２が閉成され空燃比がリーンな成層運転領域において、前回のＮＯｘ放出終了時点から現在までのＮＯｘの積算トラップ量Ｘを推定演算する。
【００７３】
次のステップＳ５３では、ウエストゲート３２開成後実際に過給圧が低下を開始するまでの過給圧低下時間Ｃを演算する。
【００７４】
ステップＳ５５では、上記過給圧低下時間Ｃの間にトラップされるＮＯｘ増加量Ｄを推定演算する。これは、実際に過給圧が低下を開始するまでの遅れ時間の間に増加するＮＯｘ増加量Ｄを考慮するための処理である。
【００７５】
ステップＳ５７では、上記積算トラップ量ＸとＮＯｘ増加量Ｄとの和がＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘトラップ特性から決まる許容トラップ量Ｘ０を超えたか否か判定し、許容トラップ量Ｘ０を下回るならば（ステップＳ５７でＮＯ）、上記ステップＳ５１にリターンして上記処理を繰返し実行する。
【００７６】
一方、ステップＳ５７で許容トラップ量Ｘ０に達したならば（ステップＳ５７でＹＥＳ）、ステップＳ５９に進み、ウエストゲートバルブ３２を開成する。
【００７７】
ステップＳ６１で過給圧が所定圧より低下したならば（ステップＳ６１でＹＥＳ）、ステップＳ６３に進み、空燃比をリッチに設定（リッチスパイク）してＮＯｘ放出を実行する。
【００７８】
ステップＳ６５では、積算トラップ量Ｘの推定演算を継続する。
【００７９】
ステップＳ６７では、ウエストゲートバルブ３２閉成後実際に過給圧が上昇を開始するまでの過給圧上昇時間Ｅを演算する。
【００８０】
ステップＳ６９では、上記過給圧上昇時間Ｅの間に放出されるＮＯｘ放出量Ｆを推定演算する。これは、実際に過給圧が上昇を開始するまでの遅れ時間の間に放出されるＮＯｘ放出量Ｆを考慮するための処理である。
【００８１】
ステップＳ７１では、図３のステップＳ１７と同様に、ＮＯｘ放出量Ｙを演算する。
【００８２】
ステップＳ７３では残存ＮＯｘトラップ量ＸＹを演算し、ステップＳ７５で残存ＮＯｘトラップ量ＸＹが零になるまで、ＮＯｘ放出量Ｙ及び残存ＮＯｘトラップ量ＸＹの演算を継続する。
【００８３】
ステップＳ７５で残存ＮＯｘトラップ量ＸＹが零になったならば（ステップＳ７５でＹＥＳ）、ステップＳ７７に進み、ウエストゲートバルブ３２を閉成する。
【００８４】
ステップＳ７９で過給圧が所定圧より上昇したならば（ステップＳ７９でＹＥＳ）、ステップＳ８１に進み、空燃比をリーン化してＮＯｘ放出を実行する。
【００８５】
尚、上記ステップＳ５１の積算トラップ量及びＳ７３の残存ＮＯｘトラップ量ＸＹの演算は、上記図４乃至図７で説明した通りである。
［ＥＧＲ制御に基づく燃料噴射制御態様］
図１０は、本実施形態のＥＧＲ制御に基づく燃料噴射制御態様について説明するフローチャートである。
【００８６】
図９に示すように、ステップＳ９１では、図３のステップＳ１と同様に、前回のＮＯｘ放出終了時点から現在までのＮＯｘの積算トラップ量Ｘを推定演算する。
【００８７】
次のステップＳ９３では、上記積算トラップ量ＸがＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘトラップ特性から決まる許容トラップ量Ｘ０を超えたか否か判定し、許容トラップ量Ｘ０を下回るならば（ステップＳ９３でＮＯ）、上記ステップＳ９１にリターンして上記処理を繰返し実行する。
【００８８】
一方、ステップＳ９３で許容トラップ量Ｘ０に達したならば（ステップＳ９３でＹＥＳ）、ステップＳ９５に進み、空燃比をリッチに設定（リッチスパイク）してＮＯｘ放出を実行する。
【００８９】
ステップＳ９７では、積算トラップ量Ｘの推定演算を継続する。
【００９０】
ステップＳ９９では、ＮＯｘトラップ触媒１７の温度が所定温度を超えているか否か判定し、所定温度を超えていないならば（ステップＳ９９でＮＯ）、ステップＳ１０１に進み、膨張行程にて燃料を追加噴射して空燃比をリッチに設定する。
【００９１】
また、ステップＳ９９で所定温度を超えているならば（ステップＳ９９でＹＥＳ）、ステップＳ１０３に進み、均一運転領域において吸入空気量を減量して空燃比をリッチに設定する。
【００９２】
ステップＳ１０５では、ＥＧＲ弁１９が開成されているならば（ステップＳ１０５でＹＥＳ）、ステップＳ１０７に進み、ＥＧＲ弁１９の開度に応じて圧縮行程での燃料噴射量を減量補正する。これにより、膨張行程にて噴射した未燃燃料が吸気系に還流されて次の圧縮行程での空燃比がリッチになりすぎるのを防止している。
【００９３】
また、ステップＳ１０５でＥＧＲ弁１９が開成されていないならば（ステップＳ１０５でＮＯ）、燃料噴射量の減量補正を行わずに、ステップＳ１０９に進む。
【００９４】
ステップＳ１０９ではＮＯｘ放出量Ｙを演算する。
【００９５】
ステップＳ１１１では、図３のステップＳ１７と同様に、残存ＮＯｘトラップ量ＸＹを演算し、ステップＳ１１３で残存ＮＯｘトラップ量ＸＹが零になるまで、ステップＳ９９以降の処理を継続する。
【００９６】
ステップＳ１１３で残存ＮＯｘトラップ量ＸＹが零になったならば（ステップＳ１１３でＹＥＳ）、ステップＳ１１５に進み、空燃比をリーン化してＮＯｘ放出を終了する。
【００９７】
尚、上記図３及び図８で説明した制御態様をエンジン負荷によって切り換えて実行してもよい。詳しくは、エンジンが成層燃焼領域で車速が所定車速よりも低く排気ガス量（＜所定量）の少ない低負荷運転状態では図３の処理を実行する一方、車速が所定車速よりも高く排気ガス量（＞所定量）が多い高負荷運転状態では図３又は図８のいずれか又は両方の処理を実行する。このように制御する理由は、排気ガス量が少なければ、結果的にタービン１５ａにほとんどの排気ガスが流れてウエストゲートを通過する排気ガス量も少ないため、ウエストゲートバルブ３２の開成によりタービン１５ａの撹拌効果を抑えてＨＣを供給する効果が減じてしまうためである。
【００９８】
また、上記排気ガス量の少ない低負荷運転領域では、空燃比のリッチ度合い、リッチ期間、許容トラップ量のいずれかを変更して、又はこれらを組み合わせて制御してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態のエンジンの制御システム構成図である。
【図２】本実施形態のエンジンについての空燃比マップを示す図である。
【図３】本実施形態の空燃比の制御態様について説明するフローチャートである。
【図４】図３のＮＯｘの積算トラップ量の推定手順を示すフローチャートである。
【図５】ＮＯｘの積算トラップ量の推定理論を説明する図である。
【図６】ＮＯｘの積算トラップ量の推定理論を説明する図である。
【図７】図３の残存ＮＯｘトラップ量の推定手順を示すフローチャートである。
【図８】本実施形態のウエストゲートバルブの制御態様について説明するフローチャートである。
【図９】図８のフローを実施した場合の空燃比とＮＯｘトラップ量の変化、過給圧及びウエストゲートバルブの動作タイミングを示すタイムチャートである。
【図１０】本実施形態のＥＧＲ制御に基づく燃料噴射制御態様について説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１ エンジン
２ 吸気弁
３ 吸気通路
４ 燃焼室
５ 燃料噴射弁
６ ピストン
７ 点火プラグ
８ 排気弁
９ 排気通路
１０ 燃料供給通路
１１ 高圧燃料ポンプ
１２ エレキスロットルバルブ
１２ａ 電気式アクチュエータ
１３ ガス流動制御弁
１４ リニアＯ2センサ
１５ ターボ過給機
１５ａ タービン
１６ 上流触媒コンバータ（三元触媒）
１７ 下流触媒コンバータ（ＮＯｘトラップ触媒）
１８ ＥＧＲ通路
１９ ＥＧＲ弁
２０ コントロールユニット
２１ サージタンク
２２ 可変バルブタイミング機構
３１ ウエストゲート
３２ ウエストゲートバルブ
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気通路におけるターボ過給機下流に排ガス中のＮＯｘをトラップするトラップ触媒を備えたターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許第２５８６７３９号公報には、流入する空燃比がリーンであるときにＮＯｘをトラップし、流入する空燃比の酸素濃度が低下したリッチであるときにトラップしたＮＯｘを放出するＮＯｘトラップ触媒を有する内燃機関の排気浄化装置において、当該触媒がトラップしたＮＯｘ量を推定し、当該ＮＯｘ量が予め決められた許容量を超えたときに当該触媒に流入する排気ガス中の酸素濃度を低下させてトラップしたＮＯｘを放出する構成が記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術に対して、ターボ過給機を備える筒内噴射式エンジンに上記従来のＮＯｘトラップ触媒を搭載して排気浄化するシステムを考えた場合、空燃比をリーンからリッチに切り替えてＮＯｘを放出する際にリッチな排気ガスとリーンな排気ガスとがターボチャージャで撹拌されて燃料の未燃成分が再燃焼するため、排気ガス温度の上昇を招いて放出したＮＯｘの還元剤となるＨＣが減少し、排気ガスの浄化効果が低減してしまうという問題がある。
【０００４】
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その目的は、ターボ過給機の撹拌によるＮＯｘ還元剤の減少を考慮してＮＯｘ放出時にＮＯｘ還元剤を供給し、排気ガスの浄化効果の低下を抑えるターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係るターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置は、排気通路におけるターボ過給機下流に排ガス中のＮＯｘをトラップするトラップ触媒と、当該ターボ過給機をバイパスするバイパス通路と、当該バイパス通路を開閉するバイパス弁とを備えたターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置において、前記トラップ触媒がトラップしたＮＯｘ量を推定し、当該ＮＯｘ量が閾値に達していると判定したならば当該トラップ触媒を通過する排気ガスの空燃比をリッチにする空燃比設定手段と、前記空燃比設定手段により空燃比がリッチに設定されたときに、前記バイパス弁を開弁する弁制御手段とを具備し、前記弁制御手段は、エンジンの所定運転領域において排気ガス量が所定量より多くなるときに前記バイパス弁を開弁させる。
【０００７】
また、好ましくは、エンジンが前記所定運転領域ならば、前記空燃比設定手段は空燃比のリッチ度合い、リッチ期間、或いは前記閾値の少なくとも１つを補正する。
【０００８】
本発明に係るターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置は、排気通路におけるターボ過給機下流に排ガス中のＮＯｘをトラップするトラップ触媒を備えたターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置において、前記トラップ触媒がトラップしたＮＯｘ量を推定し、当該ＮＯｘ量が閾値に達していると判定したならば当該トラップ触媒を通過する排気ガスの空燃比をリッチにする空燃比設定手段と、前記空燃比設定手段により設定される空燃比のリッチ度合いを、排気ガス中の未燃成分が前記ターボ過給機の撹拌により再燃焼する量に応じて大きくする補正手段とを具備する。
【０００９】
本発明に係るターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置は、排気通路におけるターボ過給機下流に排ガス中のＮＯｘをトラップするトラップ触媒を備えたターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置において、前記トラップ触媒がトラップしたＮＯｘ量を推定し、当該ＮＯｘ量が閾値に達していると判定したならば当該トラップ触媒を通過する排気ガスの空燃比をリッチにする空燃比設定手段と、前記空燃比設定手段により設定される空燃比のリッチ期間を、排気ガス中の未燃成分が前記ターボ過給機の撹拌により再燃焼する量に応じて長くする補正手段とを具備する。
【００１０】
本発明に係るターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置は、排気通路におけるターボ過給機下流に排ガス中のＮＯｘをトラップするトラップ触媒を備えたターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置において、前記トラップ触媒がトラップしたＮＯｘ量を推定し、当該ＮＯｘ量が閾値に達していると判定したならば当該トラップ触媒を通過する排気ガスの空燃比をリッチにする空燃比設定手段と、前記閾値を補正するにあたり、前記トラップ触媒のトラップ性能に依存する許容トラップ量よりも、排気ガス中の未燃成分が前記ターボ過給機の撹拌により再燃焼することで増加するＮＯｘ量の分だけ小さい値に補正する補正手段とを具備する。
【００１１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、トラップ触媒がトラップしたＮＯｘ量を推定し、当該ＮＯｘ量が閾値に達していると判定したならば当該トラップ触媒を通過する排気ガスの空燃比をリッチにすると共に、空燃比がリッチに設定されたときに、バイパス弁を開弁することにより、ターボ過給機の撹拌によるＮＯｘ還元剤の減少を考慮してＮＯｘ放出時にＮＯｘ還元剤を供給し、排気ガスの浄化効果の低下を抑えることができる。
【００１２】
また、エンジンの所定運転領域において排気ガス量が所定量より多くなるときにバイパス弁を開弁させることにより、バイパス通路を通過する排気ガス量が多いため、バイパス弁の開成によるターボ過給機による撹拌効果を抑えてＨＣを供給する効果を高めることができる。
【００１３】
請求項２の発明によれば、エンジンが所定運転領域ならば、空燃比のリッチ度合い、リッチ期間、或いは前記閾値の少なくとも１つを補正することにより、他の制御パラメータによってもＨＣ供給効果を高めることができる。
【００１４】
請求項３の発明によれば、トラップ触媒がトラップしたＮＯｘ量を推定し、当該ＮＯｘ量が閾値に達していると判定したならば当該トラップ触媒を通過する排気ガスの空燃比をリッチにすると共に、空燃比のリッチ度合いを、排気ガス中の未燃成分がターボ過給機の撹拌により再燃焼する量に応じて大きくすることにより、ターボ過給機の撹拌効果によるＨＣ減少量を見越してＮＯｘ還元剤としてのＨＣを十分に確保できる。
【００１５】
請求項４の発明によれば、トラップ触媒がトラップしたＮＯｘ量を推定し、当該ＮＯｘ量が閾値に達していると判定したならば当該トラップ触媒を通過する排気ガスの空燃比をリッチにすると共に、空燃比のリッチ期間を、排気ガス中の未燃成分がターボ過給機の撹拌により再燃焼する量に応じて長くすることにより、ターボ過給機の撹拌効果によるＨＣ減少量を見越してＮＯｘ還元剤としてのＨＣを十分に確保できる。
【００１６】
請求項５の発明によれば、トラップ触媒がトラップしたＮＯｘ量を推定し、当該ＮＯｘ量が閾値に達していると判定したならば当該トラップ触媒を通過する排気ガスの空燃比をリッチにすると共に、閾値を補正するにあたり、トラップ触媒のトラップ性能に依存する許容トラップ量よりも、排気ガス中の未燃成分が前記ターボ過給機の撹拌により再燃焼することで増加するＮＯｘ量の分だけ小さい値に補正することにより、ターボ過給機の撹拌効果によるＨＣ減少量を見越してＮＯｘ還元剤としてのＨＣを十分に確保できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る実施形態のターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
尚、以下に説明する実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で下記実施形態を修正又は変形したもの、例えば、筒内噴射式エンジンだけでなくポート噴射エンジンや、ガソリン、ディーゼル、その他の排気ガスの浄化が必要な内燃機関に適用可能である。
［全体構成］
図１に示すように、本実施形態のターボ過給機付きエンジンは火花点火式の筒内噴射式エンジン１（以下、「エンジン１」という。）であり、吸気弁２が開かれたときに、吸気通路３から燃焼室４内に燃料燃焼用のエアを吸入するようになっている。そして、この燃焼室４内のエア中に、所定のタイミングで燃料噴射弁５（燃料噴射装置）から燃料（ガソリン）が直接噴射され、混合気が形成される。
【００１９】
この混合気は、ピストン６によって圧縮され、所定のタイミングで点火プラグ７（火花点火装置）により点火されて燃焼する。燃焼ガスすなわち排気ガスは、排気弁８が開かれたときに排気通路９に排出される。
【００２０】
燃料噴射弁５には、燃料供給通路１０を介して、高圧燃料ポンプ１１によって燃料が供給される。このように、高圧燃料ポンプ１１が用いられているので、燃焼室４内が高圧となる圧縮行程後半でも支障なく燃料噴射を行うことができる。燃料噴射弁５はスワール型インジェクタであって、燃料噴射孔が燃焼室４に直接臨むように配置されている。また、燃料噴射弁５は、ピストン６が上死点位置近傍に位置するときに、該ピストン６の頂部に形成されたキャビティ６ａ内に向けて燃料を噴射できるように配置されている。これにより、圧縮行程後半において燃料噴射弁５から噴射された燃料が、キャビティ６ａによってはね返され、点火プラグ７まわりに層状化（成層化）される。このように、燃料ないしは混合気が層状化されてその着火性が高められるので、空燃比を大幅にリーンにすることができ、燃費性能が高められる。
【００２１】
吸気通路３には、エア（吸気）の流れ方向にみて、上流側から順に、エアを絞るエレキスロットルバルブ１２と、エアの流れを安定させるサージタンク２１と、スワールを生成するために燃焼室４へのエアの流入方向を調整するガス流動御弁１３とが設けられている。ここで、エレキスロットルバルブ１２は、コントロールユニット２０（ＥＣＵ）から出力される制御信号に応じて作動する電気式アクチュエータ１２ａによって駆動され、燃焼室４に流入するエア量を調節するようになっている。なお、図示していないが、エレキスロットルバルブ１２より上流側において、吸気通路３には、上流側から順に、エア中のダスト等を除去するエアクリーナ（図示せず）と、エア流量を検出するエアフローセンサと、後で説明するターボ式過給機１５のブロワ（ポンプ）と、ブロワにより加圧されて高温となったエアを冷却するインタクーラとが設けられている。
【００２２】
排気通路９には、排気流れ方向に沿って上流側から順に、排気ガス中の酸素濃度ひいては空燃比を検出するリニアＯ2センサ１４（λ＝１近傍で出力が逆転する普通のλＯ2センサでもよい）と、ターボ過給機１５のタービン１５ａと、上流触媒コンバータ１６と、下流触媒コンバータ１７とが設けられている。
【００２３】
詳しくは図示していないが、上流触媒コンバータ１６は２ベッドタイプのものであって、その上流側のベッドにはＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ等を浄化する三元触媒が装填され、下流側のベッドには主としてＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒が装填されている。なお、上流触媒コンバータ１６を１ベッドタイプとして、三元触媒のみを装填するようにしてもよい。
【００２４】
また、下流触媒コンバータ１７は１ベッドタイプのものであって、空燃比がリーンで排気ガス中のＮＯｘをトラップし、空燃比がリッチ（λ＜１）になった時にＮＯｘを放出しつつ排気ガス中のＨＣと反応してＨ2、Ｎ2、ＣＯ2に還元されることによりＮＯｘを浄化するＮＯｘトラップ触媒が装填されている。なお、いずれの触媒も、その温度が活性化温度以上になると十分な浄化力を発揮するが、その温度が活性化温度より低いと、十分な浄化力は得られない。
【００２５】
また、上流及び下流触媒コンバータ１６，１７には各触媒温度を直接的に検出する触媒温度センサ１６ａ，１７ａが配設されている。尚、両触媒１６，１７の温度はエンジン回転数、エンジン水温、始動後の経過時間、排気ガス温度、空燃比などの運転状態から間接的に推定することもできる。
【００２６】
また、エンジン１の排気通路９には、ターボ過給機１５をバイパスするウエストゲート３１が設けられている。ウエストゲート３１はウエストゲートバルブ３２により開閉され、一般には過給圧が過剰に上昇するのを抑制する。
【００２７】
更に、エンジン１には、排気通路９内の排気ガスの一部を吸気通路３に還流させるＥＧＲ通路１８が設けられ、このＥＧＲ通路１８に、ＥＧＲガス流量を制御するＥＧＲ弁１９が介設されている。なお、吸気弁２は、可変バルブタイミング機構２２により、その開弁期間及び開閉タイミングを変えることができる。
【００２８】
コントロールユニット２０は、エンジン１の総合的な制御装置であって、各種制御情報に基づいて種々のエンジン制御を行うようになっている。具体的には、コントロールユニット２０には、吸入空気量、スロットル開度、クランク角、エンジン回転数、エンジン水温（エンジン温度）、空燃比等の各種制御情報が入力される。そして、コントロールユニット２０は、これらの制御情報に基づいて、燃料噴射弁５の燃料噴射量制御（空燃比制御）及び噴射タイミング制御、点火プラグ７の点火時期の制御（点火時期制御）、エレキスロットルバルブ１２の開度の制御、ＥＧＲ弁１９の開度の制御、ガス流動制御弁１３の開度の制御、吸気弁２の開弁期間及び開閉タイミングの制御等を行う。
【００２９】
しかしながら、コントロールユニット２０によるエンジン１の通常の制御は一般に知られており、またかかる通常の制御は本願発明の要旨とするところでもないのでその説明を省略し、以下では本願発明の要旨である排気ガス浄化にかかわる制御について説明する。
［排気ガス浄化制御］
図２は上記エンジン１についての空燃比マップである。このマップでは、エンジン回転数とエンジン負荷とで規定されるエンジンの運転領域が、空燃比がリーンな成層燃焼領域Ａと、リッチな均一燃焼領域Ｂと、燃料カット領域Ｃとに分割されている。
【００３０】
成層燃焼領域Ａは、運転頻度の高い低〜中回転、低〜中負荷側に設定されている。この領域Ａでは、空燃比が理論空燃比より大きくされる（λ＞１）。この領域Ａでのリーン運転時は、燃料を圧縮行程中に噴射し（後段噴射）、燃料を点火プラグ５の近傍に偏在させて成層燃焼させる。このリーン運転時は、排気ガス中のＮＯｘがＮＯｘトラップ触媒１７にトラップされて燃費性能と排気性能とが共に向上する。
【００３１】
均一燃焼領域Ｂは、高速運転時や加速時等の運転領域である高回転、高負荷側に設定されている。この領域Ｂでは、空燃比が理論空燃比より小さくされるか（λ＜１）、あるいは理論空燃比とされる（λ＝１）。この領域Ｂでのリッチ運転時は、燃料を吸気行程中に噴射し（前段噴射）、燃料を燃焼室４内で充分に気化霧化させる。このリッチ運転時は、空燃比が理論空燃比より小さくされたときは、ＮＯｘトラップ触媒１７にトラップされていたＮＯｘが放出され、ＣＯ，ＨＣと酸化還元反応して良好なトルクが得られると共に排気性能が向上する。一方、空燃比が理論空燃比とされたときは、排ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘが三元触媒１６によって同時に浄化される。
【００３２】
燃料カット領域Ｃは、中〜高回転、低負荷側に設定されている。この領域Ｃでは燃焼室４への燃料噴射が停止される。
【００３３】
なお、図２には、成層燃焼領域Ａと均一燃焼領域Ｂとの境界を符号「Ｌ」で示した。また、ＥＧＲの実行領域を斜線で囲んで示した。このエンジン１では、低〜中回転、低〜中負荷の運転領域において、ＥＧＲ制御が実行される。その結果、成層燃焼領域Ａのほぼ全域と、均一燃焼領域Ｂの一部とにおいて、ＥＧＲ制御が実行される。このＥＧＲ制御は、例えば、燃焼室４内の空燃比ないし排気ガスの空燃比が、各領域Ａ，Ｂに応じた目標空燃比となるように、ＥＧＲ弁１９の開度をフィードバック制御して、ＥＧＲガス量を目標ＥＧＲガス量に収束させる制御である。
【００３４】
そして、上記エンジン制御においては、冷間始動時（触媒活性化期間）には、燃料噴射弁５による燃料噴射が、点火時期前の圧縮行程後半に実行される前段燃料噴射と、点火時期後の膨張行程前半で実行される後段燃料噴射とに分けて行われる。なお、前段燃料噴射は、吸気行程又は圧縮行程前半で実行されてもよい。ここで、前段燃料噴射における燃料噴射量は、後段燃料噴射における燃料噴射量以上となるように設定される。これにより、前段燃焼（前段燃料噴射によって噴射された燃料の燃焼）及び後段燃焼（後段燃料噴射によって噴射された燃料の燃焼）により排気ガス温度が効果的に上昇させられ、かつ後段燃焼で必要以上の未燃ＨＣが排出されるのが防止される。
【００３５】
ここで、後段燃料噴射の燃料噴射開始時期は、ＡＴＤＣ３０〜９０°ＣＡの範囲に設定される。これにより、前段燃焼及び後段燃焼により排気ガス温度がさらに効果的に上昇させられ、かつ後段燃焼で必要以上の未燃ＨＣが排出されるのがより有効に防止される。
【００３６】
また、点火プラグ７の点火時期は、圧縮上死点以前に設定される。これにより、燃費性能の悪化を抑制しつつ、両触媒１６、１７内の排気ガス浄化触媒の昇温ないしは活性化を有効に促進することができる。
【００３７】
更に、このエンジン１においては成層燃焼領域でＥＧＲが行われるが、このＥＧＲ制御中に空燃比をリッチに切り換えてＮＯｘを放出するリッチスパイク運転も並行して行われる。その場合に、リッチ運転時はリーン運転時に比べて燃焼室４内の酸素濃度が低くなり、且つＥＧＲガス中に含まれる未燃の酸素濃度も低くなるから、ＥＧＲガス量を通常のリーン運転時と同程度に保っていると、燃焼室４内の酸素濃度が極端に低下して燃焼性悪化の問題が発生する。
【００３８】
そこで、このエンジン１のＥＧＲ制御では、リッチスパイク運転時は、通常のリーン運転時に比べて、ＥＧＲ量を減量する。これにより、新気量がその分増加して、燃焼性悪化の不具合が抑制される。その場合に、ＥＧＲ量をゼロにまで減量すると、ＥＧＲの効果が得られず、排気ガス中にＮＯｘ成分が多量に発生して、還元剤（ＣＯ，ＨＣ）がその発生したＮＯｘ成分の浄化のほうに多量に消費されてしまい、本来のトラップＮＯｘの浄化のほうに利用できる量が少なくなるので、このエンジン１のＥＧＲ制御では、リッチスパイク運転中もＥＧＲ量をゼロにせず、ＥＧＲ量をゼロより大きい所定量まで減量して、すなわちＥＧＲ制御を続行して、ＮＯｘ成分の発生量を抑制するようにしている。
【００３９】
図２のマップのように制御されるエンジン１は、下記（ｉ）〜（ｉｉｉ）の特徴を有する。即ち、
（ｉ）ターボ過給機１５が排気ガス熱を吸収して排気ガス温度が約１００℃程度まで低下する。
【００４０】
（ｉｉ）点火プラグ７近傍の空燃比がリッチになり過ぎることによる成層燃焼領域での制約に対して、ターボ過給機１５により空気充填量を増加させることで高負荷側（高負荷＆高車速側）の成層燃焼領域を拡大できる。
【００４１】
（ｉｉｉ）膨張行程で追加噴射された未燃燃料と排気ガス中の酸素とがタービン１５ａで撹拌されて（撹拌効果）、未燃燃料が排気通路９内で再燃焼して排気ガス温度が上昇し排気ガス中のＨＣが減少する。
【００４２】
ところが、上記特徴を有するエンジン１に対してＮＯｘトラップ触媒を搭載して排気ガスを浄化する場合、下記（ｉｖ），（ｖ）のような弊害が発生する。即ち、
（ｉｖ）低負荷運転が継続された場合、排気ガス温度が低下することによりＮＯｘトラップ触媒の温度が低下し（最適な浄化特性を得られる温度は約３５０℃）、ＮＯｘのトラップ能力が低下してしまう。
【００４３】
（ｖ）タービン１５ａの撹拌効果により未燃燃料が再燃焼し、ＮＯｘの還元剤であるＨＣが減少して放出されたＮＯｘの浄化能力が低下してしまう。
【００４４】
そこで、上記弊害（ｉｖ）に対する対策として、本実施形態では下記（１）の制御を行う。即ち、
（１）ＮＯｘトラップ量を推定して所定ＮＯｘ閾値に達したならば、ＮＯｘトラップ触媒の温度が所定温度以下のときに成層燃焼領域での運転のままで圧縮行程で燃料を追加噴射して空燃比をリッチ（λ＜１）に設定する。ＮＯｘトラップ触媒の温度が所定温度以上のときには、均一燃焼領域にして空気量を減少してリッチに設定する。
【００４５】
一方、上記弊害（ｖ）に対する対策として、本実施形態では下記（２）〜（４）の制御を行う。即ち、
（２）ＮＯｘ放出効果が減少する分だけ、ＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘトラップ特性から決まる許容トラップ量よりも少ない所定トラップ量に達したならば空燃比をリッチに設定する。
【００４６】
（３）ＮＯｘ放出効果が減少する分だけ、ＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘ放出特性から決定される空燃比のリッチ度合いよりも大きくする、或いはリッチ期間を長くする。
【００４７】
（４）空燃比をリッチに設定する際に、ウエストゲートバルブ３２を開成して排気ガスがタービン１５ａをバイパスするように制御する。詳しくは、ウエストゲートバルブ３２の制御は、ＮＯｘトラップ量が空燃比のリッチ化を開始してから過給圧が低下するまでの遅れ時間後にＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘトラップ特性から決まる許容トラップ量に達する時点で開成し、空燃比のリッチ化を過給圧の変化に合わせて開始する。
【００４８】
上記制御により、空燃比のリッチ化開始から空燃比がリッチになるまでの時間を短縮でき、ロスなくＮＯｘ放出を実行できる。また、リーンに戻す際には、先ずウエストゲートバルブ３２を閉成し、過給圧が上昇してからリーン化させる。この構成により、空燃比がリッチ雰囲気において成層燃焼領域下での過給圧不足による失火などを防止できる。
［空燃比の制御態様］
図３は、本実施形態の空燃比の制御態様について説明するフローチャートである。
【００４９】
図３に示すように、ステップＳ１では、空燃比がリーンな成層燃焼領域において、前回のＮＯｘ放出終了時点から現在までにトラップされたＮＯｘの積算トラップ量Ｘを推定演算する。
【００５０】
次のステップＳ３では、タービン１５ａの撹拌効果によるＮＯｘ放出遅れ時間Ａを演算する。
【００５１】
ステップＳ５では、上記ＮＯｘ放出遅れ時間Ａの間にトラップされるＮＯｘ増加量Ｂを推定演算する。
【００５２】
ステップＳ７では、上記積算トラップ量ＸとＮＯｘ増加量Ｂとの和がＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘトラップ特性から決まる許容トラップ量Ｘ０を超えたか否か判定し、許容トラップ量Ｘ０を下回るならば（ステップＳ７でＮＯ）、上記ステップＳ１にリターンして上記処理を繰返し実行する。
【００５３】
一方、ステップＳ７で許容トラップ量Ｘ０に達したならば（ステップＳ７でＹＥＳ）、ステップＳ９に進み、空燃比をリッチに設定（リッチスパイク）してＮＯｘ放出を実行する。
【００５４】
ステップＳ１１では、積算トラップ量Ｘの推定演算を継続する。
【００５５】
ステップＳ１３では、上記ステップＳ９でＮＯｘ放出を開始してからＮＯｘ放出遅れ時間Ａが経過するまで積算トラップ量Ｘび推定演算を継続し、当該時間Ａが経過したならば（ステップＳ１３でＹＥＳ）、ステップＳ１５でＮＯｘ放出量Ｙを演算する。
【００５６】
ステップＳ１７では残存ＮＯｘトラップ量ＸＹを演算し、ステップＳ１９で残存ＮＯｘトラップ量ＸＹが零になるまで、ＮＯｘ放出量Ｙ及び残存ＮＯｘトラップ量ＸＹの演算を継続する。
【００５７】
ステップＳ１９で残存ＮＯｘトラップ量ＸＹが零になったならば（ステップＳ１９でＹＥＳ）、ステップＳ２１で空燃比をリーン化してＮＯｘ放出を終了する。
［ＮＯｘの積算トラップ量Ｘの演算］
上記ステップＳ１におけるＮＯｘの積算トラップ量Ｘの推定は、図４に示すフローチャートに従って行われるが、先に図５及び図６を参照してこの推定の基本的な考え方を説明する。
【００５８】
図５に示すように、リーン運転時は、時間の経過と共に、ＮＯｘトラップ触媒１７が単位時間当たりにトラップできるＮＯｘトラップ可能量Ｘｄが減少していき、トラップできずに通過させてしまうＮＯｘ通過量Ｘｆが増加していく。燃焼室４から最初に排気通路９に排出される排気ガス中のＮＯｘ量をＮＯｘ初期排出量（Ｒａｗ・ＮＯｘ量）Ｘｂとする。ＮＯｘトラップ触媒１７は選択還元型触媒であって、リーン運転時にもある程度の量のＮＯｘ成分を還元浄化する。その選択還元浄化率を「α」、選択還元浄化量を「Ｘｎ」とすると、ＮＯｘトラップ触媒１７に供給されるＮＯｘ供給量Ｘｃは、ＮＯｘ初期排出量Ｘｂから浄化量Ｘｎを差し引いた値となる。そして、そのＮＯｘ供給量ＸｃからＮＯｘトラップ可能量Ｘｄを差し引いた残りの値がＮＯｘ通過量Ｘｆとなる。
【００５９】
図５に示す曲線ａ，ｂはＮＯｘ通過量Ｘｆの時間変化を表わす。実線ａは排気ガス温度が低い場合、破線ｂは高い場合である。積算トラップ量Ｘは、その時点までの曲線ａ又はｂと、供給量Ｘｃとで囲まれた面積で表わされる。図５には、排気ガス温度が低い場合ａを例にとり、斜線部分で示してある。
【００６０】
排気ガス温度が低い場合ａのほうが、高い場合ｂに比べて、瞬時ＮＯｘトラップ可能量Ｘｄが長期に亘って多く、したがってＮＯｘ通過量Ｘｆが長期に亘って少ない。つまり、ＮＯｘトラップ触媒１７の浄化能力が長期に亘って高水準に保たれる。また、同じく、排気ガス温度が低い場合ａのほうが、高い場合ｂに比べて、積算トラップ量Ｘが早期に大きくなる。しかし、上記のように、ＮＯｘトラップ触媒１７の浄化能力は高い。したがって、積算トラップ量ＸだけでＮＯｘ放出処理の開始を判断すると、浄化能力の高い触媒に対しては早々とＮＯｘ放出処理を実行する一方、浄化能力の低い触媒に対してはなかなかＮＯｘ放出処理を実行しないことになって不合理である。
【００６１】
そこで、積算トラップ量Ｘが所定の許容量以上となったときだけでなく、そのような判定条件とは無関係に、瞬時ＮＯｘトラップ可能量Ｘｄが所定量以下に少なくなり、ＮＯｘ通過量Ｘｆが所定量以上に多くなったときにもＮＯｘ放出処理を開始することが好ましい。これにより、ＮＯｘトラップ触媒１７を通過して大気に放出されるＮＯｘ量の増加を確実にくいとめることができる。
【００６２】
また、瞬時ＮＯｘトラップ可能量Ｘｄは、積算トラップ量Ｘが多くなるほど小さくなる。すなわち、積算トラップ量Ｘは、それ自身の値が大きくなるほど、時間当たりの増加量が小さくなる。したがって、この傾向を考慮に入れて、積算トラップ量Ｘの推定を行なうことにより、その推定精度の向上が図られる。
【００６３】
図６は、積算トラップ量Ｘの変化に対する瞬時ＮＯｘトラップ可能量Ｘｄの変化を示したものである。前述したように、瞬時ＮＯｘトラップ可能量Ｘｄは、積算トラップ量Ｘが増大するに従って小さくなる。ここで重要なことは、瞬時ＮＯｘトラップ可能量Ｘｄが常に瞬時ＮＯｘトラップ量Ｘｅではないということである。積算トラップ量Ｘは、実質的に、瞬時ＮＯｘトラップ量Ｘｅが積算された値である。
【００６４】
符号アで示すように、瞬時ＮＯｘトラップ可能量Ｘｄが、瞬時ＮＯｘ供給量Ｘｃより大きいときは、ＮＯｘトラップ触媒１７には、瞬時ＮＯｘ供給量Ｘｃが全量トラップされるから、瞬時ＮＯｘトラップ量Ｘｅの値としては、瞬時ＮＯｘ供給量Ｘｃが採用される。これとは逆に、符号イで示すように、瞬時ＮＯｘ供給量Ｘｃが、瞬時ＮＯｘトラップ可能量Ｘｄより大きいときは、ＮＯｘトラップ触媒１７には、瞬時ＮＯｘ供給量Ｘｃが全量トラップされず、一部を通過させてしまうから、瞬時ＮＯｘトラップ量Ｘｅの値としては、瞬時ＮＯｘトラップ可能量Ｘｄが採用される。
【００６５】
従って、瞬時ＮＯｘ供給量Ｘｃと、瞬時ＮＯｘトラップ可能量Ｘｄとを比較して、小さいほうの値を瞬時ＮＯｘトラップ量Ｘｅとすることにより、当該瞬時ＮＯｘトラップ量Ｘｅが合理的に推定され、ひいては、積算トラップ量Ｘの推定精度が改善されることになる。そして、瞬時ＮＯｘトラップ可能量Ｘｄが瞬時ＮＯｘトラップ量Ｘｅの値に採用されたときには、積算トラップ量Ｘが多くなるほど瞬時ＮＯｘトラップ量Ｘｅが小さくなることになる。
【００６６】
積算トラップ量Ｘの推定は、まず、図４のフローチャートのステップＳ３１で、エンジン回転数とアクセル開度とに基づいてエンジン負荷を演算することから始まる。次いで、ステップＳ３２で、エンジン負荷とエンジン回転数とに基づいてＮＯｘ初期排出量Ｘｂを設定する。ここで、ＮＯｘ初期排出量Ｘｂは、エンジン負荷が大きいほど、またエンジン回転数が高いほど大きい値に設定される。 次いで、ステップＳ３３で、排気ガス温度とＮＯｘ初期排出濃度Ｃｎとに基づいてＮＯｘトラップ触媒１７の選択還元浄化率αを設定する。選択還元浄化率αは、排気ガス温度が高いほど小さい値に設定され、ＮＯｘ初期排出濃度Ｃｎが高いほど大きい値に設定される。
【００６７】
次いで、ステップＳ３４で、選択還元浄化率α及びＮＯｘ初期排出量ＸｂからＮＯｘ供給量Ｘｃを設定する。ＮＯｘ供給量Ｘｃは、例えば下記式に従って求められる。
【００６８】
Ｘｃ＝Ｘｂ×（１−α）
ここで、選択還元浄化率αはゼロ以上１以下の数値である（０≦α≦１）。また、（Ｘｂ×α）が選択還元浄化量Ｘｎである。
【００６９】
次いで、ステップＳ３５で、ＮＯｘ供給量Ｘｃ、積算トラップ量Ｘ、及び排気ガス温度からＮＯｘトラップ可能量Ｘｄを設定する。ＮＯｘトラップ可能量Ｘｄは、ＮＯｘ供給量Ｘｃが多いほど大きい値に設定され、積算トラップ量Ｘが多いほど小さい値に設定され、排気ガス温度が高いほど小さい値に設定される。
【００７０】
次いで、ステップＳ３６で、ＮＯｘ供給量ＸｃとＮＯｘトラップ可能量Ｘｄとのうち小さいほうの値をＮＯｘトラップ量の今回値、すなわち瞬時ＮＯｘトラップ量Ｘｅとする。そして、ステップＳ３７で、この瞬時ＮＯｘトラップ量Ｘｅを積算トラップ量Ｘに加算することにより、積算トラップ量Ｘを更新し、積算トラップ量Ｘの今回値を得る。
［残存ＮＯｘトラップ量ＸＹの演算］
上記ステップＳ１７における残存ＮＯｘトラップ量ＸＹの推定は、図７に示すフローチャートに従って行われ、まず、ステップＳ４１で、空燃比、排気ガス流量、残存ＮＯｘトラップ量ＸＹ、及び排気ガス温度に基づいてＮＯｘ放出量の今回値、すなわち瞬時ＮＯｘ放出量Ｙｅを設定する。ここで、瞬時ＮＯｘ放出量Ｙｅは、空燃比がリッチになるほど大きい値に設定され、排気ガス流量が多いほど大きい値に設定され、残存ＮＯｘトラップ量ＸＹが多いほど大きい値に設定され、排気ガス温度が高いほど大きい値に設定される。
【００７１】
そして、ステップＳ４２で、この瞬時ＮＯｘ放出量Ｙｅを残存ＮＯｘトラップ量ＸＹから減算することにより、残存ＮＯｘトラップ量ＸＹを更新し、残存ＮＯｘトラップ量ＸＹの今回値を得る。
［ウエストゲートバルブの制御態様］
図８は、本実施形態のウエストゲートバルブの制御態様について説明するフローチャートである。図９は、図８のフローを実施した場合の空燃比とＮＯｘトラップ量の変化、過給圧及びウエストゲートバルブの動作タイミングを示すタイムチャートである。
【００７２】
図８及び図９に示すように、ステップＳ５１では、図３のステップＳ１と同様に、ウエストゲートバルブ３２が閉成され空燃比がリーンな成層運転領域において、前回のＮＯｘ放出終了時点から現在までのＮＯｘの積算トラップ量Ｘを推定演算する。
【００７３】
次のステップＳ５３では、ウエストゲート３２開成後実際に過給圧が低下を開始するまでの過給圧低下時間Ｃを演算する。
【００７４】
ステップＳ５５では、上記過給圧低下時間Ｃの間にトラップされるＮＯｘ増加量Ｄを推定演算する。これは、実際に過給圧が低下を開始するまでの遅れ時間の間に増加するＮＯｘ増加量Ｄを考慮するための処理である。
【００７５】
ステップＳ５７では、上記積算トラップ量ＸとＮＯｘ増加量Ｄとの和がＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘトラップ特性から決まる許容トラップ量Ｘ０を超えたか否か判定し、許容トラップ量Ｘ０を下回るならば（ステップＳ５７でＮＯ）、上記ステップＳ５１にリターンして上記処理を繰返し実行する。
【００７６】
一方、ステップＳ５７で許容トラップ量Ｘ０に達したならば（ステップＳ５７でＹＥＳ）、ステップＳ５９に進み、ウエストゲートバルブ３２を開成する。
【００７７】
ステップＳ６１で過給圧が所定圧より低下したならば（ステップＳ６１でＹＥＳ）、ステップＳ６３に進み、空燃比をリッチに設定（リッチスパイク）してＮＯｘ放出を実行する。
【００７８】
ステップＳ６５では、積算トラップ量Ｘの推定演算を継続する。
【００７９】
ステップＳ６７では、ウエストゲートバルブ３２閉成後実際に過給圧が上昇を開始するまでの過給圧上昇時間Ｅを演算する。
【００８０】
ステップＳ６９では、上記過給圧上昇時間Ｅの間に放出されるＮＯｘ放出量Ｆを推定演算する。これは、実際に過給圧が上昇を開始するまでの遅れ時間の間に放出されるＮＯｘ放出量Ｆを考慮するための処理である。
【００８１】
ステップＳ７１では、図３のステップＳ１７と同様に、ＮＯｘ放出量Ｙを演算する。
【００８２】
ステップＳ７３では残存ＮＯｘトラップ量ＸＹを演算し、ステップＳ７５で残存ＮＯｘトラップ量ＸＹが零になるまで、ＮＯｘ放出量Ｙ及び残存ＮＯｘトラップ量ＸＹの演算を継続する。
【００８３】
ステップＳ７５で残存ＮＯｘトラップ量ＸＹが零になったならば（ステップＳ７５でＹＥＳ）、ステップＳ７７に進み、ウエストゲートバルブ３２を閉成する。
【００８４】
ステップＳ７９で過給圧が所定圧より上昇したならば（ステップＳ７９でＹＥＳ）、ステップＳ８１に進み、空燃比をリーン化してＮＯｘ放出を実行する。
【００８５】
尚、上記ステップＳ５１の積算トラップ量及びＳ７３の残存ＮＯｘトラップ量ＸＹの演算は、上記図４乃至図７で説明した通りである。
［ＥＧＲ制御に基づく燃料噴射制御態様］
図１０は、本実施形態のＥＧＲ制御に基づく燃料噴射制御態様について説明するフローチャートである。
【００８６】
図９に示すように、ステップＳ９１では、図３のステップＳ１と同様に、前回のＮＯｘ放出終了時点から現在までのＮＯｘの積算トラップ量Ｘを推定演算する。
【００８７】
次のステップＳ９３では、上記積算トラップ量ＸがＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘトラップ特性から決まる許容トラップ量Ｘ０を超えたか否か判定し、許容トラップ量Ｘ０を下回るならば（ステップＳ９３でＮＯ）、上記ステップＳ９１にリターンして上記処理を繰返し実行する。
【００８８】
一方、ステップＳ９３で許容トラップ量Ｘ０に達したならば（ステップＳ９３でＹＥＳ）、ステップＳ９５に進み、空燃比をリッチに設定（リッチスパイク）してＮＯｘ放出を実行する。
【００８９】
ステップＳ９７では、積算トラップ量Ｘの推定演算を継続する。
【００９０】
ステップＳ９９では、ＮＯｘトラップ触媒１７の温度が所定温度を超えているか否か判定し、所定温度を超えていないならば（ステップＳ９９でＮＯ）、ステップＳ１０１に進み、膨張行程にて燃料を追加噴射して空燃比をリッチに設定する。
【００９１】
また、ステップＳ９９で所定温度を超えているならば（ステップＳ９９でＹＥＳ）、ステップＳ１０３に進み、均一運転領域において吸入空気量を減量して空燃比をリッチに設定する。
【００９２】
ステップＳ１０５では、ＥＧＲ弁１９が開成されているならば（ステップＳ１０５でＹＥＳ）、ステップＳ１０７に進み、ＥＧＲ弁１９の開度に応じて圧縮行程での燃料噴射量を減量補正する。これにより、膨張行程にて噴射した未燃燃料が吸気系に還流されて次の圧縮行程での空燃比がリッチになりすぎるのを防止している。
【００９３】
また、ステップＳ１０５でＥＧＲ弁１９が開成されていないならば（ステップＳ１０５でＮＯ）、燃料噴射量の減量補正を行わずに、ステップＳ１０９に進む。
【００９４】
ステップＳ１０９ではＮＯｘ放出量Ｙを演算する。
【００９５】
ステップＳ１１１では、図３のステップＳ１７と同様に、残存ＮＯｘトラップ量ＸＹを演算し、ステップＳ１１３で残存ＮＯｘトラップ量ＸＹが零になるまで、ステップＳ９９以降の処理を継続する。
【００９６】
ステップＳ１１３で残存ＮＯｘトラップ量ＸＹが零になったならば（ステップＳ１１３でＹＥＳ）、ステップＳ１１５に進み、空燃比をリーン化してＮＯｘ放出を終了する。
【００９７】
尚、上記図３及び図８で説明した制御態様をエンジン負荷によって切り換えて実行してもよい。詳しくは、エンジンが成層燃焼領域で車速が所定車速よりも低く排気ガス量（＜所定量）の少ない低負荷運転状態では図３の処理を実行する一方、車速が所定車速よりも高く排気ガス量（＞所定量）が多い高負荷運転状態では図３又は図８のいずれか又は両方の処理を実行する。このように制御する理由は、排気ガス量が少なければ、結果的にタービン１５ａにほとんどの排気ガスが流れてウエストゲートを通過する排気ガス量も少ないため、ウエストゲートバルブ３２の開成によりタービン１５ａの撹拌効果を抑えてＨＣを供給する効果が減じてしまうためである。
【００９８】
また、上記排気ガス量の少ない低負荷運転領域では、空燃比のリッチ度合い、リッチ期間、許容トラップ量のいずれかを変更して、又はこれらを組み合わせて制御してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態のエンジンの制御システム構成図である。
【図２】本実施形態のエンジンについての空燃比マップを示す図である。
【図３】本実施形態の空燃比の制御態様について説明するフローチャートである。
【図４】図３のＮＯｘの積算トラップ量の推定手順を示すフローチャートである。
【図５】ＮＯｘの積算トラップ量の推定理論を説明する図である。
【図６】ＮＯｘの積算トラップ量の推定理論を説明する図である。
【図７】図３の残存ＮＯｘトラップ量の推定手順を示すフローチャートである。
【図８】本実施形態のウエストゲートバルブの制御態様について説明するフローチャートである。
【図９】図８のフローを実施した場合の空燃比とＮＯｘトラップ量の変化、過給圧及びウエストゲートバルブの動作タイミングを示すタイムチャートである。
【図１０】本実施形態のＥＧＲ制御に基づく燃料噴射制御態様について説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１ エンジン
２ 吸気弁
３ 吸気通路
４ 燃焼室
５ 燃料噴射弁
６ ピストン
７ 点火プラグ
８ 排気弁
９ 排気通路
１０ 燃料供給通路
１１ 高圧燃料ポンプ
１２ エレキスロットルバルブ
１２ａ 電気式アクチュエータ
１３ ガス流動制御弁
１４ リニアＯ2センサ
１５ ターボ過給機
１５ａ タービン
１６ 上流触媒コンバータ（三元触媒）
１７ 下流触媒コンバータ（ＮＯｘトラップ触媒）
１８ ＥＧＲ通路
１９ ＥＧＲ弁
２０ コントロールユニット
２１ サージタンク
２２ 可変バルブタイミング機構
３１ ウエストゲート
３２ ウエストゲートバルブ
Claims (5)
- 排気通路におけるターボ過給機下流に排ガス中のＮＯｘをトラップするトラップ触媒と、当該ターボ過給機をバイパスするバイパス通路と、当該バイパス通路を開閉するバイパス弁とを備えたターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置において、
前記トラップ触媒がトラップしたＮＯｘ量を推定し、当該ＮＯｘ量が閾値に達していると判定したならば当該トラップ触媒を通過する排気ガスの空燃比をリッチにする空燃比設定手段と、
前記空燃比設定手段により空燃比がリッチに設定されたときに、前記バイパス弁を開弁する弁制御手段とを具備し、
前記弁制御手段は、エンジンの所定運転領域において排気ガス量が所定量より多くなるときに前記バイパス弁を開弁させることを特徴とするターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置。 - エンジンが前記所定運転領域ならば、前記空燃比設定手段は空燃比のリッチ度合い、リッチ期間、或いは前記閾値の少なくとも１つを補正することを特徴とする請求項１に記載のターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置。
- 排気通路におけるターボ過給機下流に排ガス中のＮＯｘをトラップするトラップ触媒を備えたターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置において、
前記トラップ触媒がトラップしたＮＯｘ量を推定し、当該ＮＯｘ量が閾値に達していると判定したならば当該トラップ触媒を通過する排気ガスの空燃比をリッチにする空燃比設定手段と、
前記空燃比設定手段により設定される空燃比のリッチ度合いを、排気ガス中の未燃成分が前記ターボ過給機の撹拌により再燃焼する量に応じて大きくする補正手段とを具備することを特徴とするターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置。 - 排気通路におけるターボ過給機下流に排ガス中のＮＯｘをトラップするトラップ触媒を備えたターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置において、
前記トラップ触媒がトラップしたＮＯｘ量を推定し、当該ＮＯｘ量が閾値に達していると判定したならば当該トラップ触媒を通過する排気ガスの空燃比をリッチにする空燃比設定手段と、
前記空燃比設定手段により設定される空燃比のリッチ期間を、排気ガス中の未燃成分が前記ターボ過給機の撹拌により再燃焼する量に応じて長くする補正手段とを具備することを特徴とするターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置。 - 排気通路におけるターボ過給機下流に排ガス中のＮＯｘをトラップするトラップ触媒を備えたターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置において、
前記トラップ触媒がトラップしたＮＯｘ量を推定し、当該ＮＯｘ量が閾値に達していると判定したならば当該トラップ触媒を通過する排気ガスの空燃比をリッチにする空燃比設定手段と、
前記閾値を補正するにあたり、前記トラップ触媒のトラップ性能に依存する許容トラップ量よりも、排気ガス中の未燃成分が前記ターボ過給機の撹拌により再燃焼することで増加するＮＯｘ量の分だけ小さい値に補正する補正手段とを具備することを特徴とするターボ過給機付きエンジンの排気浄化装置。
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