JP4569769B2

JP4569769B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP4569769B2
Application number: JP2005255336A
Authority: JP
Inventors: 孝之小野寺
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2005-09-02
Filing date: 2005-09-02
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2025-09-02
Also published as: JP2007071024A

Description

本発明は吸蔵型ＮＯx触媒を備えた内燃機関（以下、エンジンと称する）の排気浄化装置に関するものである。

筒内に直接燃料を噴射する筒内噴射型エンジンなどでは空燃比を理論空燃比（ストイキオ）よりリーン側に制御するリーン運転を行うことから、酸素過剰雰囲気においても排ガス中のＮＯxを浄化可能な吸蔵型ＮＯx触媒を排気通路に設置している。吸蔵型ＮＯx触媒は、還元成分濃度が低い酸素過剰雰囲気において排ガス中のＮＯxを硝酸塩Ｘ−ＮＯ₃として吸蔵し、該吸蔵したＮＯxをＣＯ（一酸化炭素）が多い酸素濃度低下雰囲気で一旦放出した後にＮ₂（窒素）などに還元する特性（同時に炭酸塩Ｘ−ＣＯ₃が生成される）を有した触媒として構成されている。筒内噴射型エンジンに関しては、例えば吸蔵型ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵量が飽和する前に空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比に制御するＮＯxパージを定期的に実行し、これにより触媒に流入する排ガスのＣＯ濃度を増加させてＮＯx触媒からＮＯxを放出還元して再生を図っている。

また、一方で燃料及びエンジンオイル中にはＳ（サルファ）成分（硫黄成分）が含まれており、このＳ成分は酸素と反応してＳＯx（硫黄酸化物）となり、該ＳＯxはＮＯxの代わりに硫酸塩として吸蔵型ＮＯx触媒に吸蔵されてしまい、触媒担体がＳＯxにより被毒してＮＯx触媒の吸蔵能力が低下するという問題がある。このように吸蔵されたＳＯxは、触媒に還元成分（ＣＯ）を供給し、且つ、ＮＯx触媒を高温状態にすることで除去されることが判っており、例えばＳＯx吸蔵量の推定値が所定量に達したときに、点火時期のリタード或いは膨張行程での燃料噴射を実施して排気昇温によりＮＯx触媒を高温状態とした上で、エンジンの空燃比をリッチ化してＣＯの多い酸素濃度低下雰囲気を生成することによりＳＯxを除去するＳパージ技術が知られている。

しかしながら、アイドル運転や低速走行が連続した場合のようにエンジンの排気温度が元々低い低負荷低回転域では、たとえ排気昇温を行ってもＳＯxを除去可能な温度域までＮＯx触媒を昇温できない。よって、このような場合には、ある程度高いエンジンの排気温度が得られる車両の走行状況となるまでＳパージの実行を待つ必要があるが、その間にもＳＯxの吸蔵によりＮＯx触媒の吸蔵能力は低下し続けて、ＮＯx触媒がＮＯxを吸蔵しきれずに排出してしまうため、この不具合に着目した対策が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の技術では、ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵能力の低下に応じてリーン運転を実行する領域を縮小することにより、リーン運転に代えて理論空燃比（ストイキオ）運転を実行し、これによりＳパージを実行可能となるまでＮＯx排出量の増加を抑制している。
特許第３５２５７０８号明細書

上記特許文献１に記載されたリーン領域の縮小は、例えばエンジン負荷および回転速度に応じて低負荷低回転側からリーン領域、ストイキオ領域、リッチ領域の順に区画設定された運転領域マップに対して、リーン領域を低負荷低回転側に縮小し、縮小分だけストイキオ領域を低負荷低回転側に拡大するものであるが、単に運転領域を変更しているに過ぎないため、ストイキオ領域の拡大分だけストイキオ運転の実行頻度が増加して燃費が悪化し、燃費に関して改良の余地があった。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、硫黄被毒に起因するＮＯx触媒の吸蔵能力の低下に応じてリーン領域を縮小することでＮＯx排出量の増加を抑制できると共に、このリーン領域の縮小に伴ってストイキオ運転の実行頻度が増加したことによる燃費悪化の弊害を抑制することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、内燃機関の排気通路に設けられ、酸素過剰雰囲気で排ガス中のＮＯxを吸蔵し、酸素濃度低下雰囲気で吸蔵したＮＯxを放出して還元する吸蔵型ＮＯx触媒と、内燃機関の排気空燃比を吸気行程噴射モードで空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比に制御して、ＮＯx触媒に吸蔵されたＮＯxを放出還元するＮＯxパージ制御手段と、内燃機関の運転領域が所定のリーン領域にあるときに内燃機関をリーン空燃比で運転する一方、内燃機関の運転領域がリーン領域より高負荷高回転側の非リーン領域にあるときに内燃機関を非リーン空燃比で運転する空燃比制御手段と、ＮＯx触媒の硫黄被毒状態を判定する被毒判定手段と、被毒判定手段によりＮＯx触媒の硫黄被毒が判定されたときに、ＮＯx触媒の硫黄被毒の進行に応じてリーン領域を段階的に低負荷低回転側に縮小すると共に、リーン領域とストイキオ領域との境界に縮小したリーン領域の高負荷高回転側に位置するようにタイマ領域を設定し、内燃機関の運転領域がリーン領域からタイマ領域に移行したときに、リーン領域でのリーン空燃比を所定のディレイ時間継続した後に理論空燃比に切換える被毒時制御手段とを備えたものである。

従って、内燃機関はリーン領域では空燃比制御手段によりリーン空燃比で運転され、非リーン領域では非リーン空燃比で運転され、例えばリーン領域での運転中に内燃機関から排出されるＮＯxがＮＯx触媒に吸蔵され、吸蔵されたＮＯxはＮＯxパージ制御手段により内燃機関の排気空燃比が非リーン空燃比、即ち、理論空燃比やリッチ空燃比に制御されたときに放出還元される。

被毒判定手段によりＮＯx触媒の硫黄被毒が判定されたときには、被毒時制御手段によりリーン領域が低負荷低回転側に縮小されると共に、リーン領域とストイキオ領域との境界にタイマ領域が設定され、内燃機関の運転領域がリーン領域からタイマ領域に移行したときには、リーン空燃比をディレイ時間継続した後に理論空燃比に切換えられる。
従って、硫黄被毒によりＮＯx触媒のＮＯx吸蔵能力が低下している場合であっても、リーン領域の縮小により理論空燃比での運転の頻度が増加することから、結果として大気中へのＮＯx排出量の増加を抑制可能となる。

そして、リーン領域からタイマ領域に移行したときにはディレイ時間相当分だけ理論空燃比への切換が遅延されるが、リーン運転の継続はディレイ時間だけのため、大気中へのＮＯx排出量が問題となるほど増加せず、一方、理論空燃比への切換遅延によりトータルでのリーン運転時間が延長化されると共に、ディレイ時間が経過する以前にリーン領域に戻った場合にはリーン運転が継続されることでストイキオ運転とリーン運転との間の頻繁な切換が未然に防止され、運転切換時のトルク段差の抑制を目的としたテーリングの回数を減少させてテーリング時の燃料消費が節減される。

更に、ＮＯx触媒の硫黄被毒の進行に応じてリーン領域を段階的に低負荷低回転側に縮小すると共に、縮小したリーン領域の高負荷高回転側に位置するようにタイマ領域を設定しているため、その時々のＮＯx触媒が有するＮＯx吸蔵能力に対して、過不足なくリーン領域の縮小によりストイキオ運転の実行頻度が増加されてＮＯx排出量の増加が抑制されると共に、適切なタイマ領域でリーン運転が実行されて、これによる燃費低減効果が確実に得られる。

請求項２の発明は、請求項１において、被毒時制御手段が、リーン領域の縮小分をタイマ領域として設定するものである。
従って、リーン領域を高負荷高回転側に著しく越えた領域でリーン運転が継続されるとエンジンアウトのＮＯx排出量が急増するが、リーン領域の縮小分がタイマ領域として設定されることでタイマ領域の高負荷高回転側の上限が制限されるため、このような不具合が未然に防止される。

請求項３の発明は、請求項１乃至２において、ＮＯxパージ制御手段が、リーン領域において予め設定された第１のリーン継続時間毎にＮＯxの放出還元処理を実行すると共に、リーン領域からタイマ領域に移行したときには第１のリーン継続時間より短い第２のリーン継続時間毎にＮＯxの放出還元処理を実行するものである。
従って、リーン領域に比較してタイマ領域では機関負荷および機関回転速度の増加に伴ってエンジンアウトのＮＯx排出量が増加傾向となるため、ＮＯx触媒の硫黄被毒状況が同一であったとしてもＮＯx触媒のＮＯx吸蔵量はより早期に飽和するが、タイマ領域でより短い第２のリーン継続時間に基づいてＮＯxパージがより早期に実行されることから、ＮＯx吸蔵量の飽和による大気中へのＮＯx排出が防止される。

以上説明したように請求項１の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、硫黄被毒に起因するＮＯx触媒の吸蔵能力の低下に応じてリーン領域を縮小することでＮＯx排出量の増加を抑制できると共に、リーン領域とストイキオ領域との境界に設定したタイマ領域でディレイ時間に限ってリーン空燃比を継続するようにしたため、トータルでのリーン運転時間を延長化できると共に、ストイキオ運転とリーン運転との間の頻繁な切換による燃料消費を節減でき、もって、リーン領域の縮小に伴ってストイキオ運転の実行頻度が増加したことによる燃費悪化の弊害を最小限に抑制することができる。

更に、ＮＯx触媒の硫黄被毒の進行に応じてリーン領域およびタイマ領域を最適設定し、これにより過不足なくストイキオ運転の実行頻度を増加してＮＯx排出量の増加を抑制できると共に、タイマ領域でのリーン運転の継続による燃費低減効果を確実に得ることができる。
請求項２の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１に加えて、リーン領域の縮小分としてタイマ領域を一層適切に設定して大気中へのＮＯx排出量の増加をより確実に抑制することができる。

請求項３の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１乃至２に加えて、エンジンアウトのＮＯx排出量が増加傾向となるタイマ領域ではリーン継続時間を短縮化してより早期のＮＯxパージを実行するようにしたため、タイマ領域でのＮＯx吸蔵量の飽和による大気中へのＮＯx排出をより確実に防止することができる。

以下、本発明を具体化した内燃機関の排気浄化装置の一実施形態を説明する。
図１は本実施形態のエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図であり、本実施形態の排気浄化装置は筒内噴射型直列４気筒ガソリンエンジン１を対象として構成されている。エンジン１にはＤＯＨＣ４弁式の動弁機構が採用されており、図示しないクランク軸によりシリンダヘッド２上に設けられた吸気カムシャフト３及び排気カムシャフト４が回転駆動され、これらのカムシャフト３，４により吸気弁５及び排気弁６が所定のタイミングで開閉される。

シリンダヘッド２には各気筒毎に点火プラグ７と共に電磁式の燃料噴射弁８（燃料噴射手段）が取り付けられ、図示しない燃料ポンプから供給された高圧燃料が燃料噴射弁８の開閉に応じて燃焼室９内に直接噴射される。シリンダヘッド２の各気筒には両カムシャフト３，４間を抜けるようにして略直立方向に吸気ポート１０が形成され、吸気弁５の開弁に伴って吸入空気がエアクリーナ１１からスロットル弁１２、サージタンク１３、吸気マニホールド１４、吸気ポート１０を経て燃焼室９内に導入される。

シリンダヘッド２の各気筒には略水平方向に排気ポート１５が形成され、排気ポート１５には排気マニホールド１６を介して排気通路１７が接続されている。排気通路１７の車両の床下に相当する位置には触媒コンバータ１８が設けられ、触媒コンバータ１８は排気上流側の吸蔵型ＮＯx触媒１９と排気下流側の三元触媒２０とから構成されている。そして、燃焼室９内で燃焼後の排ガスは排気マニホールド１６および排気通路１７を介して触媒コンバータ１８に流入し、ＮＯx触媒１９および三元触媒２０を流通した後に排気絞り弁２１を経て外部に排出される。

上記触媒コンバータ１８のＮＯx触媒１９は例えば、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）等の貴金属と、バリウム（Ｂａ）、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）等のアルカリ金属、アルカリ土類金属のＮＯｘトラップ剤とを含み、、酸素過剰雰囲気においてＮＯxを吸蔵し、主としてＣＯの存在する酸素濃度低下雰囲気においてＮＯxを一旦放出した後にＮ₂（窒素）などに還元する機能を持つものである。また、三元触媒２０は、白金、ロジウム等の貴金属を含み、、理論空燃比において排ガス中のＨＣ，ＣＯおよびＮＯxを浄化する機能を持つものである。

車内には、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたＥＣＵ（エンジン制御ユニット）３１が設置されており、エンジン１の総合的な制御を行う。ＥＣＵ３１の入力側にはエンジン１の回転速度Ｎeを検出する回転速度センサ３２、ＮＯx触媒１９の下流側に設けられたＮＯxセンサ３４などの各種センサ類が接続され、ＥＣＵ３１の出力側には上記燃料噴射弁８、点火プラグ７を駆動するイグナイタ３３などの各種デバイス類が接続されている。

ＥＣＵ３１は各センサからの検出情報に基づいてマップから点火時期や燃料噴射量などを決定し、決定した制御量に基づいて燃料噴射弁８やイグナイタ３３を駆動制御してエンジン１を運転する。
燃料噴射制御については、噴射時期を吸気行程に設定した吸気行程噴射モードと噴射時期を圧縮行程に設定した圧縮行程噴射モードとをエンジン１の運転領域に応じて切換えており、具体的にはスロットル開度θthとエンジン回転速度Ｎｅとに基づいて機関負荷と相関する目標平均有効圧Ｐｅを求め、この目標平均有効圧Ｐeとエンジン回転速度Ｎeとから図２に示す運転領域マップに従って実行すべき燃料噴射モードを決定すると共に、決定した燃料噴射モードにおいて目標平均有効圧Ｐe及びエンジン回転速度Ｎeから求めた目標空燃比に基づいて燃料噴射量を決定して燃料噴射制御を実行する。

圧縮行程噴射モードでは圧縮行程で燃料噴射を実行して、吸気ポート１０から流入した吸入空気により生起されたタンブル流を利用して点火プラグ７の周囲に理論空燃比近傍の混合気を確保した上で、全体として極めてリーンな空燃比（例えば、４０前後）で着火する層状燃焼を行う。一方、吸気行程噴射モードでは吸気行程で燃料噴射を実行して燃料噴霧を吸入空気と十分に混合して燃焼させる均一燃焼を行うものであり、当該吸気行程噴射モードは、図示しないＯ_２センサの出力に基づいて空燃比を理論空燃比にフィードバックするストイキオＦ／Ｂ制御モードとオープンループでリッチ側の空燃比に制御するＯ／Ｌ制御モードとに分かれている（空燃比制御手段）。

図２に示すように目標平均有効圧Ｐe及びエンジン回転速度Ｎeが低い領域は圧縮行程噴射モードによりリーン運転を実行するリーン領域が設定され、リーン領域より目標平均有効圧Ｐeおよびエンジン回転速度Ｎeが高くなるに従って、ストイキオＦ／Ｂ制御モードによりストイキオ運転を実行するストイキオ領域（非リーン領域）、Ｏ／Ｌ制御モードによりリッチ運転を実行するリッチ領域（非リーン領域）が設定されている。

ここで、図２の運転領域マップは初期設定のものであり（以下、当該運転領域マップを初期設定マップと称する）、本実施形態では、この初期設定マップの他に特性が異なる図３〜５の３種の運転領域マップ（以下、第１〜第３ＮＯx低減マップと称する）が設定されており、ＮＯx触媒１９のＮＯx吸蔵能力に応じてＥＣＵ３１の燃料噴射制御に適用する運転領域マップを切換えている。そこで、まず、各運転領域マップの特性について述べる。

端的に表現すると、各運転領域マップは初期設定マップに対して順次リーン領域を縮小すると共に、必要に応じてリーン領域とストイキオ領域との境界にタイマ領域を設定したものであり、各運転領域マップでのリーン領域の縮小は、初期設定マップのリーン領域の外郭（リーン領域とストイキオ領域との境界）より低負荷低回転側に設定された内外２本の境界線Ｌ１，Ｌ２（図３，４に示す）を基準として行われている。

まず、図３に示す第１ＮＯx低減マップでは、初期設定マップに対してリーン領域を外側の境界線Ｌ１まで縮小すると共に、リーン領域の縮小分（即ち、初期設定マップのリーン領域の外郭と外側の境界線Ｌ１との間の領域）をタイマ領域として設定している。なお、後に詳述するようにタイマ領域では基本的にストイキオ領域と同様にストイキオ運転が実行されるが、リーン領域側からタイマ領域に移行したときには所定のディレイ時間Ｔdelayに限ってリーン運転を継続するように設定されている。

また、図４に示す第２ＮＯx低減マップでは、第１ＮＯx低減マップに対してリーン領域を内側の境界線Ｌ２まで縮小すると共に、リーン領域の縮小分（即ち、内外の境界線Ｌ１，Ｌ２の間の領域）をタイマ領域として設定している。
また、図５に示す第３ＮＯx低減マップでは、初期設定マップに対してリーン領域を廃止したものであり（第２および第３ＮＯx低減マップのタイマ領域も廃止）、結果としてリッチ領域より低負荷低回転側は全てストイキオ領域として設定されている。

一方、リーン領域でのリーン運転中においてエンジン１から排出されるＮＯxはＮＯx触媒１９に吸蔵され、ＮＯx触媒１９のＮＯx吸蔵量が飽和する前に吸気行程噴射モードで理論空燃比またはリッチ空燃比（非リーン空燃比）に制御するＮＯxパージが定期的に実行され、これにより排ガスのＣＯ濃度の増加によりＮＯx触媒１９からＮＯxが放出還元される（ＮＯxパージ制御手段）。このようなＮＯxパージは、例えば図６に示すように所定の第１のリーン継続時間Ｔ１lean毎に実行され、図示しないマップに従って目標平均有効圧Ｐeおよびエンジン回転速度Ｎeから求めた第１のリーン継続時間Ｔ１leanが経過した時点でＮＯxパージが実行されてＮＯxが放出還元され、このＮＯx吸蔵・放出還元が繰返される。

リーン領域での第１のリーン継続時間Ｔ１leanは以上のように設定されるが、タイマ領域でもディレイ時間Ｔdelayに限ってリーン運転が継続されることから、設定されたディレイ時間Ｔdelayが長くてリーン運転の継続中にＮＯx吸蔵量が飽和する場合にはＮＯxパージを実行する必要が生じる。そこで、タイマ領域に対してもリーン継続時間が設定されているが、タイマ領域では目標平均有効圧Ｐeおよびエンジン回転速度Ｎeの増加に伴ってリーン領域に比較してエンジンアウトのＮＯx排出量が増加傾向となることを鑑みて、図７に示すように当該タイマ領域で適用される第２のリーン継続時間Ｔ２leanは、リーン領域の第１のリーン継続時間Ｔ１leanとは別のマップに基づいてより短時間に設定される。

また、ＮＯx触媒１９にはＮＯxと共に燃料及びエンジンオイル中のＳ成分から生成されたＳＯxが吸蔵され、当該ＳＯxはＣＯ濃度を増加させた酸素濃度低下雰囲気のみでは除去不能なため、ＳＯx吸蔵量の推定値が所定量に達したときに、点火時期のリタードおよび膨張行程での燃料噴射を実施して排気昇温によりＮＯx触媒１９を高温状態とした上で、リッチ運転によるＣＯ濃度の増加で酸素濃度低下雰囲気を生成するＳパージを実行し、これによりＮＯx触媒１９からＳＯxを除去している。

そして、アイドル運転や低速走行が連続した場合のようにエンジン１の排気温度が元々低い低負荷域では、たとえ排気昇温を行ってもＳＯxを除去可能な温度域までＮＯx触媒１９を昇温できないことから、Ｓパージを実行可能なエンジン運転状態に移行するまでは特許文献１の技術と同様に、リーン領域の縮小によりストイキオ運転の実行頻度を増加させてエンジンアウトのＮＯx排出量を低減する対策を講じている。これに加えて本実施形態では上記タイマ領域でリーン運転を継続することにより、上記ストイキオ運転の実行頻度の増加に伴う燃費悪化を抑制しており、以下、当該Ｓパージの実行状況について詳述する。

ＥＣＵ３１はエンジン１の運転中に図８に示すＳパージ制御・マップ切換ルーチンを所定の制御インターバルで実行しており、今、説明の便宜上、運転領域マップとして図２の初期設定マップが設定されて、当該初期設定マップから決定された燃料噴射モードに基づきＥＣＵ３１により燃料噴射制御が実行されているものとする。
まず、ＥＣＵ３１はステップＳ２でＳＯx吸蔵量を推定するインターバル時間が経過したか否かを判定し、判定がＮｏ（否定）のときにはルーチンを終了する。インターバル時間の経過によりステップＳ２の判定がＹｅｓ（肯定）になると、続くステップＳ４でＮＯx触媒１９に吸蔵されたＳＯx量を推定する（被毒判定手段）。当該推定処理は、例えばエンジン１の運転状態に基づいてその時々の排ガス中に含まれるＳＯx量を推定し、推定したＳＯx量を前回のＳパージの実行時から逐次積算することにより行われ、このＳＯx量の積算値が現在のＮＯx触媒１９に吸蔵されたＳＯx量と見なされる。

その後、ステップＳ６でＳＯx量が所定のＳＯx判定値以上であるか否かを判定し、判定がＮｏのときにはＳパージの実行が不要であるとしてルーチンを終了する。また、ステップＳ６の判定がＹｅｓのときにはＳパージの実行を要するとして続くステップＳ８に移行する。ステップＳ８では現在のエンジン１の運転状態に基づきＳパージを実行可能であるか否か、即ち、点火時期のリタードや膨張行程での燃料噴射などの排気昇温によりＳＯxを除去可能な温度域までＮＯx触媒１９を昇温可能であるか否かを判定する。

例えば高速走行時のように目標平均有効圧Ｐeおよびエンジン回転速度Ｎeが比較的高い運転領域では、Ｓパージを実行可能としてステップＳ８でＹｅｓの判定を下し、ステップＳ１０に移行してＳパージを実行し、続くステップＳ１２で運転領域マップとして初期設定マップを設定した後にルーチンを終了する。上記のように既に初期設定マップが設定されているため、このときにはこのマップ設定状態が維持されることになる。

一方、アイドル運転や低速走行が連続した場合のように目標平均有効圧Ｐeおよびエンジン回転速度Ｎeが比較的低い運転状態では、Ｓパージを実行不能としてステップＳ８でＮｏの判定を下し、ステップＳ１４で運転領域マップとして第１ＮＯx低減マップを設定する。続くステップＳ１６ではＮＯxセンサ３４の出力が第１ＮＯx判定値以上であるか否かを判定し、判定がＮｏのとき、即ち、ＮＯx触媒１９に吸蔵されずに下流側に漏れるＮＯxが許容できる程度であり、ＮＯx触媒１９の硫黄被毒がそれほど進行していないと推測されるときにはそのまま上記ステップＳ８に戻る。従って、この場合には、初期設定マップに代えてリーン領域を縮小した第１ＮＯx低減マップが燃料噴射制御に適用され、後述のようにリーン領域の縮小に伴ってエンジンアウトのＮＯx排出量が少ないストイキオ運転の実行頻度が増加することによりＮＯx低減が図られる（被毒時制御手段）。

また、このような第１ＮＯx低減マップの適用によるＮＯx低減にも拘わらずステップＳ１６の判定がＹｅｓになったときには、ＮＯx触媒１９の硫黄被毒により第１ＮＯx低減マップでは大気中へのＮＯx排出量の増加を抑制不可能と見なし、ステップＳ１８で運転領域マップとして第２ＮＯx低減マップを設定する。続くステップＳ２０ではＮＯxセンサ３４の出力が第２ＮＯx判定値以上であるか否かを判定し、判定がＮｏのときには上記ステップＳ８に戻る。従って、この場合には、第１ＮＯx低減マップに代えてよりリーン領域を縮小した第２ＮＯx低減マップが燃料噴射制御に適用され、エンジンアウトのＮＯx排出量はより低減される。なお、第２ＮＯx判定値は第１ＮＯx判定値と同一値にしてもよいし、別設定としてもよい。

また、このような第２ＮＯx低減マップの適用によるＮＯx低減にも拘わらずステップＳ２０の判定がＹｅｓになったときには、第２ＮＯx低減マップではＮＯx排出量の増加を抑制不可能と見なし、ステップＳ２２で運転領域マップとして第３ＮＯx低減マップを設定した後に上記ステップＳ８に戻る。従って、この場合には、リーン領域を廃止した第３ＮＯx低減マップが燃料噴射制御に適用され、エンジンアウトのＮＯx排出量はより低減される。

一方、このような運転領域マップが順次切換えられている間に、ＮＯx触媒１９を昇温可能なエンジン運転状態に移行してステップＳ８の判定がＹｅｓになったときには、直ちにステップＳ１０でＳパージが実行され、続くステップＳ１２で運転領域マップが初期設定マップに戻される。これによりＮＯx触媒１９の硫黄被毒が解消されると共に、運転領域マップは当初に設定されていた初期設定マップに復帰する。

次に、以上のＥＣＵ３１による運転領域マップの切換に伴う燃料噴射制御の実行状況について説明する。
上記のようにＳパージを実行不能時に図２の初期設定マップから切換えられる図３の第１ＮＯx低減マップでは、初期設定マップに対するリーン領域の縮小分がタイマ領域として設定されている。当該タイマ領域では基本的にストイキオ領域と同様にストイキオ運転が実行されるため、結果としてストイキオ運転の実行頻度が増加してリーン運転に比較してエンジンアウトのＮＯx排出量が低下し、硫黄被毒によりＮＯx吸蔵能力が低下したＮＯx触媒１９であっても大気中へのＮＯx排出量の増加を抑制可能となる。

また、当該第１ＮＯx低減マップの適用時においてエンジン１の運転状態の変化に伴ってリーン領域側からタイマ領域に移行したときには、予め設定されたディレイ時間Ｔdelayに亘ってリーン運転が継続された後にストイキオ運転に切換えられ、一方、タイマ領域に移行したもののディレイ時間Ｔdelayが経過する以前にリーン領域に戻った場合には、ストイキオ運転に切換えられることなくリーン運転が継続され、結果としてストイキオ運転とリーン運転との間の頻繁な切換が未然に防止される。

ディレイ時間Ｔdelayは現在のＮＯx触媒１９が有するＮＯx吸蔵能力、より具体的にはタイマ領域への移行によりエンジンアウトのＮＯx排出量が増加してＮＯx触媒１９がＮＯxを吸蔵しきれずに排出し始めるまでの遅れを考慮して設定されているため、リーン運転のままタイマ領域に移行しても当該ディレイ時間Ｔdelayが経過するまでは大気中へのＮＯx排出量が問題となるほど増加することはない。

そして、このようにディレイ時間Ｔdelay相当分だけストイキオ運転への切換を遅延させることで、トータルでのリーン運転時間を延長化できると共に、ディレイ時間Ｔdelayが経過する以前にリーン領域に戻った場合にはリーン運転が継続されることでストイキオ運転とリーン運転との間の頻繁な切換が防止され、運転切換時のトルク段差の抑制を目的としたテーリングの回数を減少させて、当該テーリングを実行するための燃料消費を節減できる。また、タイマ領域での短時間のストイキオ運転では、ＮＯx触媒１９から放出され始めたＮＯxを還元する時間的余裕がなく排出してしまうため、この観点からも短時間のストイキオ運転を防止することが好ましい。

よって、本実施形態のエンジン１の排気浄化装置によれば、特許文献１の技術と同様にリーン領域の縮小によりストイキオ運転の実行頻度を増加させて、硫黄被毒によりＮＯx触媒１９のＮＯx吸蔵能力が低下している場合であっても大気中へのＮＯx排出量の増加を抑制できる上に、タイマ領域においてディレイ時間Ｔdelayに限ってリーン運転を継続することによりトータルでのリーン運転時間を延長化できると共に、ストイキオ運転とリーン運転との間の頻繁な切換による燃料消費を節減でき、もって、リーン領域の縮小に伴ってストイキオ運転の実行頻度が増加したことによる燃費悪化の弊害を最小限に抑制することができる。

また、第１ＮＯx低減マップを適用してもＮＯx排出量の増加を抑制不能なときには、よりリーン領域を縮小した第２ＮＯx低減マップが適用され、当該第２ＮＯx低減マップでも上記第１ＮＯx低減マップと同じくタイマ領域においてディレイ時間Ｔdelayに限ったリーン運転の継続が行われ、全く同様の燃費低減効果が得られる。
そして、このように硫黄被毒によるＮＯx触媒１９のＮＯx吸蔵能力の低下に応じて初期設定マップから第１ＮＯx低減マップ、第２ＮＯx低減マップへとリーン領域を段階的に縮小する一方、リーン領域の縮小に追従してタイマ領域を常にリーン領域の高負荷高回転側に位置させている。

従って、その時々のＮＯx触媒１９が有するＮＯx吸蔵能力に対して、過不足なくリーン領域の縮小によりストイキオ運転の実行頻度を増加してＮＯx排出量の増加を抑制でき、例えば過度のリーン領域の縮小によりストイキオ運転の実行頻度が増加したときの燃費悪化、或いはリーン領域の縮小不足によりストイキオ運転が実行されないときのＮＯx排出量の増加などを未然に防止できる。

また、リーン領域の縮小に追従してタイマ領域を常にリーン領域の高負荷高回転側、即ち、エンジンアウトのＮＯx排出量は増加するものの短時間ならリーン運転可能な領域に設定しているため、適切なタイマ領域でディレイ時間Ｔdelayに基づいてリーン運転を継続でき、これによる燃費低減効果を確実に得ることができる。
ここで、ディレイ時間Ｔdelayに限ったリーン運転の継続はリーン領域を高負荷高回転側に多少越えた領域では実行できるが、リーン領域を著しく越えた領域ではリーン運転によりエンジンアウトのＮＯx排出量が急増するため、却って大気中へのＮＯx排出量を増加させる可能性がある。本実施形態では第１および第２ＮＯx低減マップにおいてリーン領域の縮小分をタイマ領域として設定しているため、必然的にリーン領域の縮小と共にタイマ領域も縮小されて高負荷高回転側の上限が制限され、結果として上記不具合の虞がない一層適切なタイマ領域を設定することができる。

なお、このようにリーン領域と共にタイマ領域を縮小することなく、例えばタイマ領域の外郭を外側の境界線Ｌ１のままとしてもよい。
一方、第１および第２ＮＯx低減マップのリーン領域では、リーン運転中のエンジン１から排出されるＮＯxがＮＯx触媒１９に吸蔵されると共に、第１のリーン継続時間Ｔ１lean毎に実行されるＮＯxパージにより吸蔵されているＮＯxが放出還元される。そして、このようなＮＯx吸蔵・放出還元は、リーン領域からタイマ領域への移行後にもリーン運転が継続されている限り続けられ、当該タイマ領域では図７に示すようにより短い第２のリーン継続時間Ｔ２lean毎にＮＯxパージが実行される。

ここで、リーン領域に比較してタイマ領域では目標平均有効圧Ｐeおよびエンジン回転速度Ｎeの増加に伴ってエンジンアウトのＮＯx排出量が増加傾向となるため、ＮＯx触媒１９の硫黄被毒状況が同一であったとしてもＮＯx触媒１９のＮＯx吸蔵量はより早期に飽和するが、上記のようにタイマ領域ではより短い第２のリーン継続時間Ｔ２leanに基づいてＮＯxパージもより早期に実行されることから、結果としてタイマ領域でのＮＯx吸蔵量の飽和による大気中へのＮＯx排出をより確実に防止することができる。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では筒内噴射型直列４気筒ガソリンエンジン１の排気浄化装置として具体化したが、これに限ることはなく、例えばディーゼルエンジンを対象とした排気浄化装置に具体化してもよい。
また、上記実施形態では、初期設定マップに加えてリーン領域を段階的に縮小した第１〜第３ＮＯx低減マップを適用したが、ＮＯx低減マップの数はこれに限ることはなく、例えば第３ＮＯx低減マップを省略したり、或いはより細分化した多数のＮＯx低減マップを適用したりしてもよい。

実施形態のエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図である。初期設定マップを示す図である。第１ＮＯx低減マップを示す図である。第２ＮＯx低減マップを示す図である。第３ＮＯx低減マップを示す図である。リーン領域でのＮＯxパージの実行状況を示すタイムチャートである。タイマ領域でのＮＯxパージの実行状況を示すタイムチャートである。ＥＣＵが実行するＳＯxパージ制御・マップ切換ルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１エンジン（内燃機関）
１７排気通路
１９ＮＯx触媒
３１ＥＣＵ（ＮＯxパージ制御手段、空燃比制御手段、被毒判定手段、
被毒時制御手段）

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ、酸素過剰雰囲気で排ガス中のＮＯxを吸蔵し、酸素濃度低下雰囲気で吸蔵したＮＯxを放出して還元する吸蔵型ＮＯx触媒と、
上記内燃機関の排気空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比に制御して、上記ＮＯx触媒に吸蔵されたＮＯxを放出還元するＮＯxパージ制御手段と、
上記内燃機関の運転領域が所定のリーン領域にあるときに該内燃機関をリーン空燃比で運転する一方、上記内燃機関の運転領域が上記リーン領域より高負荷高回転側の非リーン領域にあるときに該内燃機関を非リーン空燃比で運転する空燃比制御手段と、
上記ＮＯx触媒の硫黄被毒状態を判定する被毒判定手段と、
上記被毒判定手段により上記ＮＯx触媒の硫黄被毒が判定されたときに、上記ＮＯx触媒の硫黄被毒の進行に応じて上記リーン領域を段階的に低負荷低回転側に縮小すると共に、該リーン領域と上記非リーン領域との境界に上記縮小したリーン領域の高負荷高回転側に位置するようにタイマ領域を設定し、上記内燃機関の運転領域が上記リーン領域からタイマ領域に移行したときに、該リーン領域でのリーン空燃比を所定のディレイ時間継続した後に上記非リーン空燃比に切換える被毒時制御手段と
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
上記被毒時制御手段は、上記リーン領域の縮小分を上記タイマ領域として設定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記ＮＯxパージ制御手段は、上記リーン領域において予め設定された第１のリーン継続時間毎に上記ＮＯxの放出還元処理を実行すると共に、上記リーン領域から上記タイマ領域に移行したときには上記第１のリーン継続時間より短い第２のリーン継続時間毎に上記ＮＯxの放出還元処理を実行することを特徴とする請求項１乃至２の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。