JP4492145B2

JP4492145B2 - 排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システム

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Publication number: JP4492145B2
Application number: JP2004033021A
Authority: JP
Inventors: 大治長岡; 正志我部
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2004-02-10
Filing date: 2004-02-10
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2024-02-10
Also published as: JP2005226463A

Description

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排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムに関する。

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。

このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、基本的に、アルミナ等の触媒担体上に、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）を担持した触媒である。

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（酸素過多）状態であって雰囲気中にＯ₂（酸素）が存在する場合には、排気ガス中のＮＯ（一酸化窒素）が貴金属類により酸化されてＮＯ₂（二酸化窒素）となり、このＮＯ₂はＮＯｘ吸蔵材に硝酸塩（Ｂａ₂ＮＯ₄等）として蓄積される。

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、Ｂａ等のＮＯｘ吸蔵材はＣＯ（一酸化炭素）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は貴金属類の三元機能により排気ガス中に含まれている未燃ＨＣ（炭化水素）やＣＯ等で還元されＮ₂（窒素）となり、排気ガス中の諸成分は、ＣＯ₂（二酸化炭素），Ｈ₂Ｏ（水），Ｎ₂等の無害な物質として大気中に放出される。

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。

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。

しかしながら、この排気ガスの空燃比がリッチの状態を燃料系のみで実現しようとすると、燃費が悪化するので、通常は、ＥＧＲ等を利用した吸入空気中の酸素量の減少と、ポスト噴射等による燃料量の増加とを組み合わせることにより実現している（例えば、特許文献１〜４参照。）。

この吸気系と燃料系を組み合わせて、リッチ制御を行う場合には、この吸気系制御と燃料系制御とでは、応答性に違いがあり、問題となる。つまり、吸気系によるリッチ制御では、大量のＥＧＲガスを循環させて吸気中の酸素濃度を下げる。このＥＧＲガスの循環に時間が掛かるので、空燃比がリッチ状態になるのに時間が掛かる。従って、応答は緩慢となり制御の応答性は悪い。一方、燃料系によるリッチ制御では、シリンダ内（筒内）噴射におけるポスト噴射、または、燃料の排気管内への直接噴射を行うが、燃料添加によって空燃比は瞬時に変化するので、応答は非常に早く，制御の応答性は良い。

そのため、通常は吸気系制御の空燃比の応答遅れを考慮して、燃料添加の開始時期を決めている。この吸気系と燃料系の両方を組み合わせたリッチ制御においては、低負荷側では、リーン運転時のλ（空気過剰率）が高いために、燃料系制御でリッチ状態を実現しようとすると、燃費の悪化が著しくなるので、吸気系制御の比重を大きくしている。また、高負荷側では、燃焼温度が上昇しているため、吸気系制御により酸素濃度を低下させてしまうと、ＳＯＯＴが増加するため、燃料系制御の比重を大きくしている。

しかしながら、低負荷側で、リッチ制御における吸気系制御の比重を大きくすると、吸気系制御の応答性が悪いために、リッチ制御時間を長くとる必要が生じる。このリッチ制御中は、低負荷のため、触媒温度も約２００℃〜３００℃程度と低いので、触媒のＨＣ活性も低く、かつ、低酸素濃度で燃焼状態も悪い状態となる。従って、この状態が長時間の間続くと、ＨＣの発生量が増加し、ＨＣが触媒後流に排出されてしまうというＨＣスリップの問題が生じる。その上、エンジンのシリンダ内の膨張行程で生成されるＨＣは、触媒温度が４００℃程度にならないと酸化できない飽和炭化水素（直鎖）が多いため、シリンダ内から排出されるＨＣを低減させる必要がある。

また、このＨＣスリップの問題を解決するために、リッチ制御時間を短縮すると、ＨＣの流出量（スリップ量）は減少するが、それと同時に、吸気系によるリッチ制御の応答の遅れのために、空燃比が下がりきらない内にリッチ状態にするために、燃料噴射量が多くなり燃費が悪化する。このように、このＨＣスリップと燃費の悪化とはトレードオフの関係にあり、この両方を同時に解決することが重要な課題となっている。
特開平１１−２９４１４５号公報特開２００１−９８９７５号公報特開２００１−１２３８５８号公報特開２００２−２２７６９２号公報

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、燃費とＨＣスリップの両方を共に低減できるリッチ制御を行うことにより、燃費の悪化とＨＣ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方法及び排気ガス浄化システムを提供することにある。

以上のような目的を達成するための排気ガス浄化方法は、排気ガスの空燃比が、リーン状態の場合にＮＯｘを吸蔵し、かつ、リッチ状態の場合に吸蔵していたＮＯｘを放出すると共に還元するＮＯｘ吸蔵還元型触媒を備え、該ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力を回復するための再生制御を行う排気ガス浄化システムにおいて、排気ガスの空燃比をリッチ状態にする必要があると判断した場合に、ＥＧＲ量又は吸気量の少なくとも一つを制御することにより排気ガスの空燃比を低下させる吸気系リッチ制御を行って、排気ガスの空燃比をストイキよりも高く設定した所定の第１の目標空燃比にした後、該吸気系リッチ制御に加えて、排気ガス中への燃料添加により空燃比を低下させる燃料系リッチ制御を行って、排気ガスの空燃比を前記所定の第１の目標空燃比よりも低く設定された所定の第２の目標空燃比にすると共に、前記燃料系リッチ制御開始時の空燃比が低い程、前記燃料系リッチ制御に添加する燃料量を少なくすることを特徴とする方法である。

なお、ここでいう排気ガスの空燃比状態とは、必ずしもシリンダ内における空燃比の状態を意味するものではなく、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流入する排気ガス中に供給した空気量と燃料量（シリンダ内で燃焼した分も含めて）との比のことをいう。

そして、この所定の第１の目標空燃比は、ストイキ（理論空燃比）よりも高い値で、触媒前で空気過剰率（＝空燃比／理論空燃比：λ）換算値で１．０３〜１．１０であり、第２の目標空燃比は、ストイキ又はリッチの値で、触媒後で空気過剰率換算値で、１．０〜０．９９５である。また、排気ガス中への燃料添加は、排気管に備えた燃料噴射弁からの排気管内への燃料直接噴射や、シリンダ内（筒内）への燃料噴射におけるポスト噴射等によって行う。

リッチ時に触媒で酸素が発生し、ＮＯｘ還元後にはこの酸素発生も終了するため、リッチ初期は応答性の良い触媒入口の空燃比で制御し、燃料系リッチ制御は、ＨＣがスリップするため、触媒後の空燃比が過度に下がらないように制御する。

この方法によれば、第１の目標空燃比になるまでは、吸気系リッチ制御のみとし、燃料添加を行わないので、燃費の悪化を最小限に止めることができると共に、ＨＣのスリップ量も抑制できる。そして、第１の目標空燃比になってから、燃料系リッチ制御を行って第２の目標空燃比にするので、少ない燃料量で排気ガスの空燃比をストイキ状態又はリッチ状態にすることができ、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒におけるＮＯｘの放出及び還元を行うことができる。従って、ＥＧＲ等の吸気系リッチ制御による燃焼の悪化を最小限に止め、且つ、燃料噴射による燃料系リッチ制御による空燃比低下のための燃費悪化を防止し、ＨＣスリップも防止することができる。

なお、予め、試験で燃料系リッチ制御を継続した場合にＨＣスリップが発生する時間を求めておき、これより短い時間をＨＣスリップが発生しない許容時間（上限時間）として、この許容時間内に、この間欠的に行う燃料系リッチ制御の１回当たり制御継続時間及び制御休止時間を設定する。この１回当たりの制御継続時間は、例えば、最小０．３ｓ〜最大１．５ｓ、即ち１ｓ前後であり、制御休止時間は、例えば、０．３ｓ〜１．５ｓである。

この１回当たりの制御継続時間を短くすることにより、燃料系リッチ制御中において、排気ガス中に添加される燃料の量を、触媒で処理可能な範囲内の量に抑えることができるので、未処理の燃料（ＨＣ）の流出、即ち、ＨＣスリップを防止することができる。

更に、上記の排気ガス浄化方法で、排気ガスの空燃比を所定の第１の目標空燃比にした後で、排気ガスの空燃比を前記所定の第２の目標空燃比にするための前記燃料系リッチ制御を間欠的に行うと共に、前記燃料系リッチ制御において、前記燃料系リッチ制御開始時の空燃比が低い程、前記燃料系リッチ制御の１回当たりの制御継続時間を長くする。

吸気系リッチ制御で空燃比の低下が大きい場合には、添加燃料量が少なくても、目標とする所定の第２の目標空燃比にすることができるので、添加する燃料量を少なくして、燃費の抑制とＨＣスリップの回避を図る。また、添加する燃料量が少なくなるので、添加時間を長くしても、触媒で処理可能な範囲内の量に抑えることができる。

そして、上記の排気ガス浄化方法を実施するための排気ガス浄化システムは、排気ガスの空燃比が、リーン状態の場合にＮＯｘを吸蔵し、かつ、リッチ状態の場合に吸蔵していたＮＯｘを放出すると共に還元する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再生制御を行う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、前記触媒再生制御手段が、排気ガスの空燃比をリッチ状態にする必要が有るか否かを判断するリッチ制御開始判断手段と、ＥＧＲ量又は吸気量の少なくとも一つを制御することにより排気ガスの空燃比をストイキよりも高く設定した所定の第１の目標空燃比に低下させる吸気系リッチ制御手段と、排気ガス中への燃料添加により排気ガスの空燃比を前記所定の第１の目標空燃比よりも低い所定の第２の目標空燃比に低下させる燃料系リッチ制御手段とを備えて構成されると共に、前記触媒再生制御手段が、前記リッチ制御開始判断手段により排気ガスの空燃比をリッチ状態にする必要があると判断した場合に、前記吸気系リッチ制御手段により排気ガスの空燃比を前記所定の第１の目標空燃比にした後、該吸気系リッチ制御手段と前記燃料系リッチ制御手段とにより、排気ガスの空燃比を前記所定の第２の目標空燃比にするように制御すると共に、前記燃料系リッチ制御開始時の空燃比が低い程、前記燃料系リッチ制御に添加する燃料量を少なくするように構成される。

更に、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記触媒再生制御手段が、排気ガスの空燃比を所定の第１の目標空燃比にした後で、排気ガスの空燃比を前記所定の第２の目標空燃比にするための前記燃料系リッチ制御を間欠的に行うと共に、前記燃料系リッチ制御において、前記燃料系リッチ制御開始時の空燃比が低い程、前記燃料系リッチ制御の１回当たりの制御継続時間を長くするように構成される。

以上説明したように、本発明に係る排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムによれば、燃費の悪化が少ないＥＧＲ等の吸気系リッチ制御の利点を生かしつつ、燃料系リッチ制御を組み合わせて行うことにより、吸気系リッチ制御による燃焼の悪化を最小限に止め、且つ、燃料系リッチ制御による空燃比低下のための燃費悪化を防止し、ＨＣスリップも防止することができる。

以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化方法及び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。

図１に、本発明の実施の形態の排気ガス浄化システム１の構成を示す。この排気ガス浄化システム１では、エンジン（内燃機関）Ｅの排気通路４にＮＯｘ吸蔵還元型触媒を備えたＮＯｘ吸蔵還元型触媒コンバータ１１を有する排気ガス浄化装置１０が配置される。

このＮＯｘ吸蔵還元型触媒コンバータ１１は、モノリス触媒で形成され、酸化アルミニウム、酸化チタン等の担持体に触媒コート層を設け、この触媒コート層に、白金（Ｐｔ）（Ｐｄ）等の触媒金属とバリウム（Ｂａ）等のＮＯｘ吸蔵材（ＮＯｘ吸蔵物質）を担持させて構成される。

このＮＯｘ吸蔵還元型触媒コンバータ１１では、酸素濃度が高い排気ガスの状態（リーン空燃比状態）の時に、排気ガス中のＮＯｘをＮＯｘ吸蔵材が吸蔵することにより、排気ガス中のＮＯｘを浄化し、酸素濃度が低いかゼロの排気ガス状態の時に、吸蔵したＮＯｘを放出すると共に放出されたＮＯｘを触媒金属の触媒作用により還元することにより、大気中へのＮＯｘの流出を防止する。

このＮＯｘ吸蔵還元型触媒１１の上流側と下流側、即ち、前後にλセンサ（空気過剰率センサ）とＮＯｘ濃度センサと酸素濃度センサとが一体化した第１排気成分濃度センサ１３と第２排気成分濃度センサ１４をそれぞれ配置する。なお、第１及び第２排気成分濃度センサ１３，１４の代りに、酸素濃度センサ又は空気過剰率センサを用いることもできるが、この場合には、ＮＯｘ濃度センサを別に設けるか、ＮＯｘ濃度の測定値を使用しない制御とする。

また、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒１１の温度を判定するための第１温度センサー１５と第２温度センサー１６をＮＯｘ吸蔵還元型触媒１１の上流側と下流側、即ち、前後にそれぞれ配置する。

更に、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒１１の上流側の排気通路４に、ＮＯｘの還元剤となる炭化水素（ＨＣ）を供給するＨＣ供給弁（燃料噴射用インジェクター）１２を設ける。このＨＣ供給弁１２は、図示しない燃料タンクからエンジンの燃料である軽油等の炭化水素（ＨＣ）を排気通路４内に直接噴射して、排気ガスの空燃比をリッチ状態やストイキ状態（理論空燃比状態）にするためのもので、燃料系リッチ制御手段を構成するものである。なお、エンジンＥのシリンダ内の燃料噴射においてポスト噴射することにより、同様な空燃比制御を行う場合には、このＨＣ供給弁１２の配設を省略できる。

そして、エンジンＥの運転の全般的な制御を行うと共に、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒コンバータ１１のＮＯｘ浄化能力の回復制御も行う制御装置（ＥＣＵ：エンジンコントロールユニット）２０が設けられる。この制御装置２０に第１及び第２排気成分濃度センサ１３，１４や第１及び第２温度センサ１５，１６等からの検出値が入力され、この制御装置２０からエンジンＥのＥＧＲ弁６や燃料噴射用のコモンレール電子制御燃料噴射装置の燃料噴射弁８や吸気絞り弁（吸気スロットル弁）９等を制御する信号が出力される。

この排気ガス浄化システム１においては、空気Ａは、吸気通路２のマスエアフローセンサ（ＭＡＦセンサ）１７とターボチャジャー３のコンプレッサー３ａを通過して、吸気絞り弁９によりその量を調整されて吸気マニホールド２ａよりシリンダ内に入る。そして、シリンダ内で発生した排気ガスＧは、排気マニホールド４ａから排気通路４に出てターボチャジャー３のタービン３ｂを駆動し、排気ガス浄化装置１０を通過して浄化された排気ガスＧｃとなって、図示しない消音器を通って大気中に排出される。また、排気ガスＧの一部はＥＧＲガスＧｅとして、ＥＧＲ通路５のＥＧＲクーラー７を通過し、ＥＧＲ弁６でその量を調整されて吸気マニホールド２ａに再循環される。

そして、排気ガス浄化システム１の制御装置が、エンジンＥの制御装置２０に組み込まれ、エンジンＥの運転制御と並行して、排気ガス浄化システム１の制御を行う。この排気ガス浄化システム１の制御装置は、図２に示すような、排気ガス成分検出手段Ｃ１０、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の制御手段Ｃ２０等を有する排気ガス浄化システムの制御手段Ｃ１を備えて構成される。

排気ガス成分検出手段Ｃ１０は、酸素濃度検出手段Ｃ１１とＮＯｘ濃度検出手段Ｃ１２を有して構成され、排気ガス中の酸素濃度やＮＯｘ濃度を検出する手段であり、λセンサとＮＯｘ濃度センサと酸素濃度センサとが一体化した排気成分濃度センサを用いる場合には、第１及び第２排気成分濃度センサ１３，１４を酸素濃度検出手段Ｃ１１とＮＯｘ濃度検出手段Ｃ１２で共有することになる。また、酸素濃度センサ（又は空気過剰率センサ）とＮＯｘ濃度センサを用いる場合には、酸素濃度検出手段Ｃ１１は酸素濃度センサ等から構成され、ＮＯｘ濃度検出手段Ｃ１２はＮＯｘ濃度センサ等で構成されることになる。

ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の制御手段Ｃ２０は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒コンバータ１１の再生や脱硫（サルファパージ）等の制御を行う手段であり、ＮＯｘ触媒の再生開始判断手段Ｃ２１、ＮＯｘ触媒の再生制御手段Ｃ２２、脱硫制御開始判断手段Ｃ２３、脱硫制御手段Ｃ２４等を有して構成される。

ＮＯｘ触媒の再生開始判断手段Ｃ２１は、エンジンの運転状態から単位時間当たりのＮＯｘの排出量ΔＮＯｘを算出し、これを累積計算したＮＯｘ累積値ΣＮＯｘが所定の判定値Ｃｎを超えた時に再生を開始すると判断する。あるいは、ＮＯｘ濃度検出手段Ｃ１２で検出したＮＯｘ吸蔵還元型触媒コンバータ１１の上流側と下流側のＮＯｘ濃度からＮＯｘ浄化率を算出し、このＮＯｘ浄化率が所定の判定値より低くなった場合にＮＯｘ触媒の再生を開始すると判断する。

そして、本発明においては、ＮＯｘ触媒の再生制御手段Ｃ２２は、排気ガスの空燃比をストイキ空燃比（理論空燃比）又はリッチ状態に制御する手段であり、吸気系リッチ制御手段Ｃ２２１と燃料系リッチ制御手段Ｃ２２２とを有して構成される。なお、ここでいう排気ガスのリッチ状態とは、必ずしもシリンダ内でリッチ燃焼する必要はなく、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流入する排気ガス中に供給した空気量と燃料量（シリンダ内で燃焼した分も含めて）との比が理論空燃比に近い状態か又は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。

この吸気系リッチ制御手段Ｃ２２１は、ＥＧＲ弁６を制御してＥＧＲ量を増加させたり、吸気絞り弁９を制御して新規の吸気量を減少させたりして、排気ガスの空燃比を低下させて、排気ガスの空燃比をストイキ空燃比よりも高く設定した所定の第１の目標空燃比λt1にする吸気系リッチ制御を行う手段である。

この吸気系リッチ制御では、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒コンバータ１１より上流の第１排気成分濃度センサ（又は第１λセンサ）１３によって検出される空燃比Ｆmin （又は空気過剰率λmin ＝（空燃比／理論空燃比））を所定の第１の目標空燃比Ｆt1（又は第１の空気過剰率λt1）にするようにフィードバック制御される。この所定の第１の目標空燃比Ｆt1は、ストイキ（理論空燃比）よりも高い値で、触媒前で空気過剰率（λ）換算値でλt1＝１．０３〜１．１０に設定される。なお、図５に示すように、空気過剰率λを小さくするにつれて急激に燃費が悪化するので、この所定の第１の目標空気過剰率λt1は、この増加が始まるλより大きいλとする。

また、燃料系リッチ制御手段Ｃ２２２は、吸気系リッチ制御に加えて、排気管内噴射又はシリンダ内噴射におけるポスト噴射等により、排気ガス中へ燃料を添加して空燃比を低下させ、排気ガスの空燃比を最終目標である所定の第２の目標空燃比にする燃料系リッチ制御を行う手段である。この燃料系リッチ制御では、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒コンバータ１１より下流の第２排気成分濃度センサ（又は第２λセンサ）１４によって検出される空燃比Ｆmout（又は空気過剰率λmout ）を所定の第２の目標空燃比Ｆt2（又は第２の空気過剰率λt2）にするようにフィードバック制御される。この所定の第２の目標空燃比Ｆt2は、ストイキ又はリッチ状態の値で、空気過剰率（λ）換算値で、λt2＝１．０〜０．９９５に設定される。なお、この燃料系リッチ制御中における、吸気系リッチ制御の制御値は、計測された空燃比によるフィードバック制御を中断して燃料系リッチ制御開始前と同じ値を維持し、燃料系リッチ制御後は、計測された空燃比Ｆmin を所定の第１の目標空燃比Ｆt1にするフィードバック制御を再開する。

これらの制御により、排気ガスの状態を所定の第２の目標空燃比状態にすると共に、所定の温度範囲（触媒にもよるが、概ね２００℃〜６００℃）にして、ＮＯｘ吸蔵能力、即ちＮＯｘ浄化能力を回復し、ＮＯｘ触媒の再生を行う。

そして、脱硫制御開始判断手段Ｃ２３と脱硫制御手段Ｃ２４は従来技術と同様であり、脱硫制御開始判断手段Ｃ２３は、硫黄（サルファ）蓄積量を積算する等の方法で、ＮＯｘ吸蔵能力が低下するまで硫黄が蓄積したか否かでサルファパージ制御を開始するか否かを判定する手段であり、硫黄蓄積量が所定の判定値以上になると脱硫の開始とする。

また、脱硫制御手段Ｃ２４は、一酸化炭素（ＣＯ）の大気中への排出を抑制しながら、効率よく脱硫を行う手段であり、排気管内噴射又はポスト噴射により排気ガスの空燃比を制御すると共に、ＥＧＲ制御や吸気絞り制御を行って、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の温度を脱硫可能な温度まで昇温する。

そして、この排気ガス浄化システム１では、エンジンＥの制御装置２０に組み込まれた排気ガス浄化システム１の制御装置の排気ガス浄化システムの制御手段Ｃ１により、図３に例示するような制御フローに従って、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒コンバータ１１の再生制御が行われる。また、図４にこの図３の制御フローによる空気過剰率λmin ，λmoutとＮＯｘ濃度Ｎin，Ｎout の模式的な時系列の一例を示す。

なお、この図３の制御フローは、エンジンＥ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。また、本発明は、ＮＯｘ触媒の再生制御に関するものであり、脱硫制御は従来技術を使用できるので脱硫制御についての説明は省略する。

この図３の制御フローがスタートすると、ステップＳ１１で、ＮＯｘ触媒の再生開始判断手段Ｃ２１により、予め設定され入力された、エンジンの回転数や負荷等のエンジンの運転状態を示す量とＮＯｘ排出量の関係を示すマップデータを基に、エンジンの運転状態から単位時間当たりのＮＯｘの蓄積量ΔＮＯｘを算出し、これを累積計算してＮＯｘ蓄積量ΣＮＯｘを算出する。

なお、ＮＯｘ濃度を測定する場合には、入口ＮＯｘ濃度Ｎinと出口ＮＯｘ濃度Ｎout の差ΔＮm （＝Ｎin−Ｎout ）と、マスエアフローセンサ１７で測定される吸気量Ｖａとから、単位時間当たりのＮＯｘ累積量ΔＮＯｘ（＝ΔＮm ×Ｖａ）を計算し、これを累積計算する。

次のステップＳ１２で、リッチ制御が必要であるか否かを、このＮＯｘ累積値ΣＮＯｘが所定の判定値Ｃｎを超えたか否かで判定する。このステップＳ１２でリッチ制御が必要ではないと判定された場合にはリターンに行き、リッチ制御が必要であると判定された場合にはステップＳ１３の吸気系リッチ制御に行く。

この吸気系リッチ制御では、吸気系リッチ制御手段により、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒コンバータ１１より上流の第１排気成分濃度センサ（又は第１λセンサ）１３によって検出される空燃比Ｆmin （又は空気過剰率λmin ）が所定の第１の目標空燃比Ｆt1（又は第１の空気過剰率λt1）になるように、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弁６や吸気スロットル弁９をフィードバック制御する。この所定の第１の目標空燃比Ｆt1は、燃焼悪化による燃費悪化が起こらないストイキ空燃比（理論空燃比）よりも高い値に設定され、空気過剰率換算で、λt1＝１．１〜１．２である。

このＥＧＲ量の制御及び吸気量の制御で、ストイキ空燃比（理論空燃比）よりも高い空燃比とすることにより、燃焼の悪化を抑制すると共に飽和ＨＣの排出量を減少する。この吸気系リッチ制御を所定の時間（吸気系リッチ制御を終了するか否かを判定するインターバルに関係する時間）Δｔc の間行う。

次のステップＳ１４では、この吸気系リッチ制御を終了するか否かを判定する。この判定は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒コンバータ１１より上流の空燃比Ｆmin （又は空気過剰率λmin ）が所定の第１の目標空燃比Ｆt1（又は第１の空気過剰率λt1）に達したか否かで判定する。ステップＳ１４で、この吸気系リッチ制御を終了しないと判定された場合は、ステップＳ１３に戻り、吸気系リッチ制御を吸気系リッチ制御を終了するとの判定が出るまで繰り返す。また、ステップＳ１４の判定で吸気系リッチ制御を終了すると判定された場合は、ステップＳ１５の燃料系リッチ制御に行く。

なお、この吸気系リッチ制御を終了するか否かを判定する代りに、予め試験等で求めておいた制御時間だけこの吸気系リッチ制御を行うようにしてもよい。この場合の制御時間は、応答性を考慮して比較的長時間の例えば、３ｓ〜５ｓとする。

この燃料系リッチ制御では、所定の第２の目標空燃比Ｆt2にするのに必要な燃料追加量を算出し、ＨＣ供給弁１２から排気通路４へ直接燃料噴射する。あるいは、燃焼に寄与しない膨張行程（ＡＴＤＣ＝８０〜１００°程度）において、その追加量のポスト噴射を行う。

この燃焼系リッチ制御により、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒コンバータ１１内で排気ガス中に供給されたＨＣが燃焼し、酸素濃度が低下する。また、触媒温度も所定の温度範囲（触媒にもよるが、概ね２００℃〜６００℃）に上昇するので、ＮＯｘ吸蔵材よりＮＯ₂が放出され、ＮＯｘ吸蔵能力が回復し、ＮＯｘ触媒の再生が行われる。また、この放出されたＮＯ₂はＨＣ等の還元剤により還元浄化される。

この燃焼系リッチ制御は、所定の制御継続時間Δｔｆの間行われる。この所定の制御継続時間Δｔｆは、予め設定された許容継続時間Δｔｆ０よりも短い時間、例えば、０．３ｓ〜１．５ｓとする。つまり、この排気ガス中への燃料添加によるＨＣ、即ち、排気通路４への直接軽油噴射で供給されるＨＣや極端な膨張行程におけるポスト噴射で供給されるＨＣは、不飽和炭化水素が主となるため、低温、低酸素下でも触媒で活性化され還元剤として酸化され浄化され易いが、この燃焼系リッチ制御を長時間行うと、供給されたＨＣの量を触媒で消費し仕切れなくなり、ＨＣスリップが発生するので、予め試験等でＨＣスリップが発生しない許容継続時間Δｔｆ０を求めておいて、この設定値より短くする必要がある。

なお、燃料追加量は、排気ガスの空燃比の低下が大きい程、即ち、燃焼系リッチ制御の開始直前の空燃比が低い程、燃料系リッチ制御で排気ガスに添加する燃料量を少なくすると共に、燃料系リッチ制御の１回当たりの制御継続時間Δｔｆを長くする。吸気系リッチ制御で空燃比の低下が大きい場合には、添加燃料量が少なくても、目標とする所定の第２の目標空燃比Ｆt2にすることができるので、添加する燃料量を少なくして、燃費の抑制とＨＣスリップの回避を図る。また、添加する燃料量が少なくなるので、添加時間を長くしても、触媒で処理可能な範囲内の量に抑えることができるからである。

このステップＳ１５の燃焼系リッチ制御が終了すると、ステップＳ１６で吸気系リッチ制御を所定の制御時間Δｔａの間行う。このステップＳ１６の吸気系リッチ制御は、ステップＳ１３の吸気系リッチ制御と同じであるが、所定の制御時間Δｔａの間行う点が異なる。この所定の制御時間Δｔａは、次の燃焼系リッチ制御を再開してもＨＣスリップが発生しない時間であればよく、特に制限はないが、例えば、燃焼系リッチ制御の所定の制御時間Δｔｆと略同じ、０．３ｓ〜１．５ｓとする。

このステップＳ１６の吸気系リッチ制御を行うことにより、ポスト噴射等による燃料系リッチ制御でリッチ制御を終了すると、リーン切換時に酸素が入り、燃焼室に残っている燃料に着火してトルク変動が発生するが、これを防止できる。なお、排気管噴射の場合には、このトルク変動の発生がないので、燃料系リッチ制御と吸気系リッチ制御のどちらでリッチ制御を終了してもよい。

このステップＳ１６の吸気系リッチ制御が終了すると、ステップＳ１７で、リッチ制御の終了の判定を行う。この判定は、ＮＯｘ濃度を計測している場合は、入口ＮＯｘ濃度Ｎinと出口ＮＯｘ濃度Ｎout の差ΔＮm （＝Ｎin−Ｎout ）が所定の判定値Ｄｎよりも大きいか否かによって判定する。つまり、ΔＮm が所定の判定値Ｄｎ以上となった場合にはＮＯｘ浄化能力が回復されたとして、リッチ制御を終了する。あるいは、出口ＮＯｘ濃度Ｎout と入口ＮＯｘ濃度Ｎinの比ＲＮm （＝Ｎout ／Ｎin）が所定の判定値Ｒｎよりも大きいか否かによって判定する。

また、ΔＮm が所定の判定値Ｄｎよりも小さい場合にＮＯｘ浄化能力が回復されていないとして、ステップＳ１５に戻り、ステップＳ１５の燃料系リッチ制御とステップＳ１６の吸気系リッチ制御とを繰り返す。つまり、ΔＮm が所定の判定値Ｄｎ以上となるまで、燃料系リッチ制御が間欠的に繰り返され、排気ガス中への燃料添加がパルス状に行われる。このパルス状噴射により、ＨＣスリップの発生を回避しながら、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力を回復して触媒の再生を行うことができる。

なお、ＮＯｘ濃度を計測していない場合には、予め、試験等でＮＯｘ吸蔵量に対する必要ＮＯｘ還元時間ｔｆ０又は必要繰り返し回数Ｎｆ０を求めておき、ステップＳ１５の制御時間Δｔｆの和又は繰り返し数Ｎｆが、この所定の必要ＮＯｘ還元時間ｔｆ０又は所定の繰り返し回数Ｎｆ０を超えた場合にリッチ制御を終了するようにすればよい。

このステップＳ１７の判定で、リッチ制御の終了であると判定されると、ステップＳ１８でＮＯｘ蓄積量ΣＮＯｘのリセット等の制御終了処理を行った後にリターンし、メインの制御フローに戻るが、再度、この図３の制御フローは呼ばれて、エンジンの停止まで繰り返される。なお、制御の途中でエンジンキイーがＯＦＦされた場合には、図示していないが、割り込みが発生し、割り込みが生じたそれぞれのステップで必要な終了処理（図示していない）をおこなった後，リターンして、メインの制御の終了と共に、この制御フローも終了する。

なお、図６に示すようなセンサ出力特性を持った、ストイキ判定用センサを、第２排気成分濃度センサ１４の代りに使用する時は、燃料系リッチ制御において、図４の下段に示すように、このストイキ判定用センサのセンサ電圧Ｖmoutがストイキ状態を示す電圧Ｖt2となるように燃料の添加量がフィードバック制御される。

以上の構成の排気ガス浄化システム１によれば、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒コンバータ１１のＮＯｘ吸蔵能力の再生制御において、リッチ制御を行う際に、最初に予め定められている第１の目標空燃比Ｆt1になるように、ＥＧＲ量や吸気量をフィードバック制御する吸気系リッチ制御を行い、この目標空燃比Ｆt1に到達した後、排気ガス中へ添加する燃料量をフィードバック制御する燃料系リッチ制御を行って、第２の目標空燃比Ｆt2に到達するようにすることができる。

従って、燃費の悪化が少ないＥＧＲ等の吸気系リッチ制御の利点を生かしつつ、燃料系リッチ制御を組み合わせて行うことにより、吸気系リッチ制御による燃焼の悪化を最小限に止め、且つ、燃料系リッチ制御による空燃比低下のための燃費悪化を防止し、ＨＣスリップも防止することができる。

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。本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムの制御手段の構成を示す図である。ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の再生のための制御フローの一例を示す図である。図３の制御フローによる空気過剰率とＮＯｘ濃度の時間的な変化を模式的に示す図である。空気過剰率と燃費の関係を示す図である。ストイキ判定センサの空気過剰率と出力電圧の関係を示す図である。

符号の説明

Ｅエンジン
１排気ガス浄化システム
２吸気通路
４排気通路
５ＥＧＲ通路
６ＥＧＲ弁
８燃料噴射弁
９吸気絞り弁（吸気スロットル弁）
１０排気ガス浄化装置
１１ＮＯｘ吸蔵還元型触媒コンバータ
１２ＨＣ供給弁
１３第１排気成分濃度センサ
１４第２排気成分濃度センサ
Ｃ１排気ガス浄化システムの制御手段
Ｃ１０排気成分濃度検出手段
Ｃ１１酸素濃度検出手段
Ｃ１２ＮＯｘ濃度検出手段
Ｃ２０ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の制御手段Ｃ２１ＮＯｘ触媒の再生開始判断手段
Ｃ２２ＮＯｘ触媒の再生制御手段
Ｃ２２１吸気系リッチ制御手段
Ｃ２２２燃料系リッチ制御手段

Claims

排気ガスの空燃比が、リーン状態の場合にＮＯｘを吸蔵し、かつ、リッチ状態の場合に吸蔵していたＮＯｘを放出すると共に還元するＮＯｘ吸蔵還元型触媒を備え、該ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力を回復するための再生制御を行う排気ガス浄化システムにおいて、
排気ガスの空燃比をリッチ状態にする必要があると判断した場合に、ＥＧＲ量又は吸気量の少なくとも一つを制御することにより排気ガスの空燃比を低下させる吸気系リッチ制御を行って、排気ガスの空燃比をストイキよりも高く設定した所定の第１の目標空燃比にした後、該吸気系リッチ制御に加えて、排気ガス中への燃料添加により空燃比を低下させる燃料系リッチ制御を行って、排気ガスの空燃比を前記所定の第１の目標空燃比よりも低く設定された所定の第２の目標空燃比にすると共に、
前記燃料系リッチ制御開始時の空燃比が低い程、前記燃料系リッチ制御に添加する燃料量を少なくすることを特徴とする排気ガス浄化方法。
排気ガスの空燃比を所定の第１の目標空燃比にした後で、排気ガスの空燃比を前記所定の第２の目標空燃比にするための前記燃料系リッチ制御を間欠的に行うと共に、前記燃料系リッチ制御において、前記燃料系リッチ制御開始時の空燃比が低い程、前記燃料系リッチ制御の１回当たりの制御継続時間を長くすることを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化方法。
排気ガスの空燃比が、リーン状態の場合にＮＯｘを吸蔵し、かつ、リッチ状態の場合に吸蔵していたＮＯｘを放出すると共に還元する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再生制御を行う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、
前記触媒再生制御手段が、排気ガスの空燃比をリッチ状態にする必要が有るか否かを判断するリッチ制御開始判断手段と、ＥＧＲ量又は吸気量の少なくとも一つを制御することにより排気ガスの空燃比をストイキよりも高く設定した所定の第１の目標空燃比に低下させる吸気系リッチ制御手段と、排気ガス中への燃料添加により排気ガスの空燃比を前記所定の第１の目標空燃比よりも低い所定の第２の目標空燃比に低下させる燃料系リッチ制御手段とを備えて構成されると共に、
前記触媒再生制御手段が、
前記リッチ制御開始判断手段により排気ガスの空燃比をリッチ状態にする必要があると判断した場合に、前記吸気系リッチ制御手段により排気ガスの空燃比を前記所定の第１の目標空燃比にした後、該吸気系リッチ制御手段と前記燃料系リッチ制御手段とにより、排気ガスの空燃比を前記所定の第２の目標空燃比にするように制御すると共に、
前記燃料系リッチ制御開始時の空燃比が低い程、前記燃料系リッチ制御に添加する燃料量を少なくすることを特徴とする排気ガス浄化システム。
前記触媒再生制御手段が、排気ガスの空燃比を所定の第１の目標空燃比にした後で、排気ガスの空燃比を前記所定の第２の目標空燃比にするための前記燃料系リッチ制御を間欠的に行うと共に、前記燃料系リッチ制御において、前記燃料系リッチ制御開始時の空燃比が低い程、前記燃料系リッチ制御の１回当たりの制御継続時間を長くすることを特徴とする請求項３記載の排気ガス浄化システム。