JP4613894B2 - 内燃機関用排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気中の窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）を浄化するための吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を備える内燃機関用排気浄化装置に関するものである。

内燃機関においては、筒内での燃焼によりＮＯｘが排出されるため、排気中のＮＯｘを浄化する技術として、リーン状態でＮＯｘを吸蔵しリッチ状態でＮＯｘを還元・放出する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＮＯｘ触媒という）を用いることが検討されている。

このＮＯｘ触媒は、排気の雰囲気が空燃比リーンの時にＮＯｘを吸蔵するが、吸蔵ＮＯｘ量が吸蔵能力の限界に近づくにつれてＮＯｘ吸蔵能力が低下する。そのため、ＮＯｘ触媒が吸蔵したＮＯｘを還元除去し、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能力を回復させる目的で、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量が閾値に達したときに、排気の雰囲気を空燃比リッチにしてＮＯｘ触媒にＨＣ、ＣＯなどの還元剤を供給し、吸蔵したＮＯｘを還元除去する操作（以下、リッチパージ制御という）が実施される。

また、内燃機関を長期にわたって使用していると、燃料中の硫黄成分がＮＯｘ触媒に吸着する硫黄被毒が生じ、それに起因してＮＯｘ触媒の浄化能力が著しく低下する。そこで、リッチパージ制御の実行に合わせてＮＯｘ触媒の浄化能力低下を判定する技術（以下、触媒劣化判定という）が提案されている。具体的には、ＮＯｘ触媒の下流側に酸素濃度センサを設け、リッチパージ制御の実行時における酸素濃度センサの検出結果に基づいて触媒劣化判定を行う（例えば、特許文献１参照）。

つまり、リッチパージ制御の実行時において、ＮＯｘ触媒で吸蔵ＮＯｘの還元が完了するとＮＯｘ触媒下流側の空燃比がリッチに切り替わるため、それを酸素濃度センサにより検出することでＮＯｘ還元の完了を判定する。この場合、ＮＯｘ吸蔵能力が低下すると、すなわちＮＯｘ触媒が吸蔵可能なＮＯｘ量が減少すると、酸素濃度センサによる空燃比切り替わりタイミングが早くなるため、空燃比切り替わりまでの所要時間に基づいてＮＯｘ触媒の浄化能力低下度合い（触媒の劣化度）が判定できる。

ところで、リッチパージ制御の具体的な方法として２つの方法が知られている。すなわち、内燃機関の筒内への燃料噴射量を増量して空燃比をリッチにすることにより、排気の雰囲気を空燃比リッチにして還元剤としての未燃燃料をＮＯｘ触媒に供給する方法（以下、燃焼パージ制御という）と、排気管に設けた燃料添加弁から排気管内に燃料を添加することにより、ＮＯｘ触媒に還元剤としての未燃燃料を供給する方法（以下、排気添加パージ制御という）がある。

燃焼パージ制御は、通常状態からの切り替え時に乗員に騒音・振動などの違和感を与えることと、過剰なスモークを排出する虞があることから、実施可能運転領域が低速低負荷に限られる。一方、排気添加パージ制御は、内燃機関への燃料噴射量を増量することが不適である場合などに有益な技術である。そこで、リッチパージ制御の開始条件であるＮＯｘ吸蔵量が閾値に達したときの機関運転状態に応じて、燃焼パージ制御と排気添加パージ制御のうちいずれかを選択して実行するようにしている。

そして、排気添加パージ制御の場合、燃料添加弁により排気管内に直接燃料を添加供給すると、ＮＯｘ触媒においては還元剤としてＨＣのみが過剰に濃い状態となるため、リッチパージ制御に合わせて実施される触媒劣化判定の結果が誤ったものとなる虞がある。したがって、燃焼パージ制御時の情報のみを用いて触媒劣化判定を行っていた。
特開２０００−３４９４６号公報

しかしながら，リッチパージ制御の開始条件であるＮＯｘ吸蔵量の閾値を燃焼パージ制御／排気添加パージ制御によらず一律に設定しているため、燃焼パージ制御が実行される機会が充分に確保されているとはいえず、したがって触媒劣化判定を行う機会も充分に確保されているとはいえなかった。

本発明は上記点に鑑みて、燃焼パージ制御と排気添加パージ制御とを併用する排気浄化装置において、燃焼パージ制御の機会を増加させて触媒劣化判定の機会を増加させることを目的とする。

本発明は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（３３）を備え、燃焼パージ制御と排気添加パージ制御とを、ＮＯｘ触媒（３３）のＮＯｘ吸蔵量が閾値に達したときに内燃機関（１）の運転状態に応じて選択的に実行し、燃焼パージ制御によりＮＯｘ触媒（３３）にて還元・放出されたＮＯｘ量に基づいてＮＯｘ触媒（３３）の劣化度を判定する内燃機関用排気浄化装置において、閾値として、燃焼パージ制御の実行を許可する第１閾値（Ｑｎｏｘ２）と、排気添加パージ制御の実行を許可する第２閾値（Ｑｎｏｘ３）とを設定するとともに、第１閾値（Ｑｎｏｘ２）を第２閾値（Ｑｎｏｘ３）よりも小さくしたことを特徴とする。

このようにすれば、燃焼パージ制御の機会を増加させて触媒劣化判定の機会を増加させることができる。

この場合、ＮＯｘ触媒（３３）のＮＯｘ吸蔵量が０になるまで燃焼パージ制御が継続実行された場合に、ＮＯｘ触媒（３３）の劣化度を判定することができる。

また、内燃機関（１）の始動直後、ＮＯｘ触媒（３３）のＮＯｘ吸蔵量が０になる前に燃焼パージ制御が中止された場合、および排気添加パージ制御を実行した直後のうち、少なくとも１つにおいて、燃焼パージ制御が選択される内燃機関（１）の運転状態になったときには、ＮＯｘ触媒（３３）のＮＯｘ吸蔵量に関わらず燃焼パージ制御を実行することができる。

このようにすれば、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量を早い機会に０にリセットすることができるため、早期に且つ精度よく触媒劣化判定を行うことができる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の一実施形態について説明する。図１は本発明の一実施形態に係る排気浄化装置を適用した内燃機関の全体構成を示す図である。

図１に示す内燃機関（より詳細には、圧縮着火式内燃機関）１の本体部には、インジェクタ１１が装着されている。このインジェクタ１１は、高圧燃料を蓄えるコモンレール（図示せず）に接続されており、コモンレールから供給される高圧燃料を内燃機関１の気筒内に噴射するようになっている。

内燃機関１の吸気管２１には、内燃機関１に供給される新気量を検出するエアフロメータ２２と、このエアフロメータ２２の下流側に配置されて新気量を調整する吸気スロットル２３が設けられている。

内燃機関１の排気管３１には、排気中の排気微粒子を捕集する捕集器３２が設けられている。排気管３１のうち捕集器３２よりも下流側には、空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘを吸蔵し、この吸蔵したＮＯｘを空燃比がリッチのときに還元して放出するＮＯｘ触媒３３が設けられている。

排気管３１のうち捕集器３２よりも下流側で且つＮＯｘ触媒３３よりも上流側には、排気管３１中に燃料を噴射してＮＯｘ触媒３３に還元剤としての燃料を供給する燃料添加弁３４が設けられている。この燃料添加弁３４は、噴孔を開閉するニードルを、電磁ソレノイドによって駆動する形式の弁である。

排気管３１のうち燃料添加弁３４よりも下流側で且つＮＯｘ触媒３３よりも上流側には、ＮＯｘ触媒３３に流入する排気の空燃比を検出する第１Ａ／Ｆセンサ３５が設けられ、排気管３１のうちＮＯｘ触媒３３よりも下流側には、ＮＯｘ触媒３３を通過後の排気の空燃比を検出する第２Ａ／Ｆセンサ３６が設けられている。

上述した各種センサ類の出力は、ＥＣＵ４に入力される。ＥＣＵ４は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ等からなる周知のマイクロコンピュータを備え、各センサ類からの信号に基づいて所定の演算を行い、内燃機関１の各種機器の作動を制御する。

具体的には、ＥＣＵ４は、内燃機関１の負荷や回転数に基づいて指令噴射量を算出し、指令噴射量からインジェクタ駆動時間に相当する噴射量指令値を算出し、噴射量指令値信号をインジェクタ１１に出力する。また、ＥＣＵ４は、演算結果に基づいて、吸気スロットル２３、燃料添加弁３４等を制御する。

次に、この排気浄化装置において、ＥＣＵ４で実行されるリッチパージ制御処理および触媒劣化判定処理について説明する。

図２は燃焼パージ制御が実行される領域（以下、燃焼パージ領域という）Ａと排気添加パージ制御が実行される領域（以下、排気添加パージ領域という）Ｂを示す図であり、ＥＣＵ４のＲＯＭに記憶されている。図２において、縦軸は内燃機関１の負荷、横軸は内燃機関１の回転数であり、斜線を付した低負荷・低回転の領域は燃焼パージ領域Ａであり、斑点を付した中負荷・中回転の領域は排気添加パージ領域Ｂである。なお、高負荷・高回転の領域ではリッチパージ制御を禁止する。

図３および図４はＥＣＵ４で実行されるリッチパージ制御処理および触媒劣化判定処理を示す流れ図である。図５は図３および図４の処理による作動例を示すタイムチャートである。なお、図５中の符号Ａ１〜Ａ４は、内燃機関１の運転状態が燃焼パージ領域Ａであることを示し、図５中の符号Ｂ１〜Ｂ４は、内燃機関１の運転状態が排気添加パージ領域Ｂであることを示している。

図３および図４の処理は、内燃機関１の始動時にキースイッチの操作によりＥＣＵ４に電源が投入されると開始され、内燃機関１の停止時にキースイッチの操作によりＥＣＵ４への電力供給が停止されると終了する。

図３に示すように、まずステップＳ１０１では、内燃機関１の運転状態が、リッチパージ制御が禁止されている運転領域か否かを判定する。具体的には、内燃機関１の負荷や回転数に基づいて、ＥＣＵ４のＲＯＭに記憶された図２のマップを参照して判定する。そして、リッチパージ制御が禁止されている運転領域であれば（ステップＳ１０１がＹＥＳ）、リターンする。

リッチパージ制御が禁止されていない運転領域であれば（ステップＳ１０１がＮＯ）、ステップＳ１０２に進み、所定の条件が成立した場合にリッチパージ制御を行う。

ステップＳ１０２では、内燃機関１の運転状態が燃焼パージ領域Ａか否かを判定する。具体的には、内燃機関１の負荷や回転数に基づいて、ＥＣＵ４のＲＯＭに記憶された図２のマップを参照して判定する。そして、燃焼パージ領域Ａでなければ（ステップＳ１０２がＮＯ）、換言すると、排気添加パージ領域Ｂであれば、ステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３では、排気添加パージ制御の開始条件である初期パージ閾値Ｑｎｏｘ１を設定する（図５参照）。そして、ＮＯｘ触媒３３のＮＯｘ吸蔵量が初期パージ閾値Ｑｎｏｘ１以上であり（ステップＳ１０４がＹＥＳ）、且つ図示しない温度センサで検出したＮＯｘ触媒３３の温度が、ＮＯｘの還元が可能な温度域（例えば、２００〜４５０℃）であれば（ステップＳ１０５がＹＥＳ）、ステップＳ１０６にて排気添加パージ制御を実行する（図５の領域Ｂ１参照）。

なお、ステップＳ１０４において、ＮＯｘ触媒３３のＮＯｘ吸蔵量は、周知のように、ＮＯｘ濃度、排気流量、ＮＯｘ触媒３３の浄化率から求めてもよいし、或いは前回のリッチパージ制御が終了してから現在までの内燃機関１の運転時間から推定してもよい。

ステップＳ１０６では、具体的には、燃料添加弁３４を開弁させて排気管３１中に燃料を噴射することにより、ＮＯｘ触媒３３に流入する排気の空燃比をリッチにして、ＮＯｘ触媒３３に吸蔵されていたＮＯｘを還元除去する。

排気添加パージ制御の場合、ＮＯｘ触媒３３のＮＯｘ吸蔵量が０になったか否かが不明であるため、ステップＳ１０６の処理が終了するとリターンする。また、排気添加パージ制御の実行条件が成立しなかった場合、すなわち、ステップＳ１０４がＮＯの場合およびステップＳ１０５がＮＯの場合もリターンする。

一方、ステップＳ１０２がＹＥＳの場合、すなわち、内燃機関１の運転状態が燃焼パージ領域Ａであれば、ステップＳ１０７に進む。そして、ＮＯｘ触媒３３の温度が、ＮＯｘの還元が可能な温度域であり（ステップＳ１０７がＹＥＳ）、且つ内燃機関１が定常運転状態であれば（ステップＳ１０８がＹＥＳ）、ステップＳ１０９にて燃焼パージ制御を実行する（図５の領域Ａ１参照）。

なお、ステップＳ１０８においては、内燃機関１の負荷および回転数が略一定の状態が所定時間（例えば、１〜２秒）以上継続している場合に、定常運転状態であると判定する。

ステップＳ１０９では、具体的には、内燃機関１の気筒内への噴射噴射量を増量することにより、ＮＯｘ触媒３３に流入する排気の空燃比をリッチにして、ＮＯｘ触媒３３に吸蔵されていたＮＯｘを還元除去する。因みに、ステップＳ１０９の燃焼パージ制御は、ＮＯｘ触媒３３のＮＯｘ吸蔵量に関わらず実行される。

続いて、ステップＳ１１０では、ＮＯｘ触媒３３のＮＯｘ吸蔵量が０になるまで燃焼パージ制御が実行されたか否かを判定する。具体的には、燃焼パージ制御実行中に吸蔵ＮＯｘの還元が完了するとＮＯｘ触媒３３の下流側の空燃比がリッチに切り替わるため、第２Ａ／Ｆセンサ３６で検出した空燃比がリッチ側に変化するまで燃焼パージ制御が実行された場合には、ＮＯｘ触媒３３のＮＯｘ吸蔵量が０になるまで燃焼パージ制御が実行されたと判定する。

そして、ＮＯｘ触媒３３のＮＯｘ吸蔵量が０になるまで燃焼パージ制御が実行された場合（ステップＳ１１０がＹＥＳ）、換言すると、ＮＯｘ触媒３３のＮＯｘ吸蔵量が一旦０にリセットされた場合は、０にリセットされた以後のＮＯｘ触媒３３のＮＯｘ吸蔵量が推定可能となって、触媒劣化判定を行うことができる。したがって、ステップＳ１１０がＹＥＳの場合は図４に示すステップＳ１１１に進み、所定の条件が成立した場合に触媒劣化判定を行う。

これに対し、ＮＯｘ触媒３３のＮＯｘ吸蔵量が０にリセットされなかった場合は（ステップＳ１１０がＮＯ）、ＮＯｘ触媒３３のＮＯｘ吸蔵量を推定することが困難であり、触媒劣化判定を精度よく行うことができないため、リターンする。また、燃焼パージ制御の実行条件が成立しなかった場合、すなわち、ステップＳ１０７がＮＯの場合およびステップＳ１０８がＮＯの場合もリターンする。

次に、ステップＳ１１０がＹＥＳの場合の以後の処理について説明する。まず、ステップＳ１１１では、燃焼パージ制御の開始条件である燃焼パージ閾値Ｑｎｏｘ２を設定するとともに、排気添加パージ制御の開始条件である排気添加パージ閾値Ｑｎｏｘ３を設定する（図５参照）。３つの閾値の関係は、Ｑｎｏｘ１＜Ｑｎｏｘ２＜Ｑｎｏｘ３となっている。なお、燃焼パージ閾値Ｑｎｏｘ２は、本発明の第１閾値に相当する。また、排気添加パージ閾値Ｑｎｏｘ３は、本発明の第２閾値に相当する。

続いてステップＳ１１２に進み、リッチパージ制御が禁止されている運転領域であれば（ステップＳ１１２がＹＥＳ）、ステップＳ１１２の処理を繰り返す。

リッチパージ制御が禁止されていない運転領域であれば（ステップＳ１１２がＮＯ）、ステップＳ１１３に進み、所定の条件が成立した場合にリッチパージ制御を行う。

ステップＳ１１３では、内燃機関１の運転状態が燃焼パージ領域Ａか否かを判定し、燃焼パージ領域Ａであれば（ステップＳ１１３がＹＥＳ）、ステップＳ１１４に進む。

そして、ＮＯｘ触媒３３のＮＯｘ吸蔵量が燃焼パージ閾値Ｑｎｏｘ２以上であり（ステップＳ１１４がＹＥＳ）、ＮＯｘ触媒３３の温度が、ＮＯｘの還元が可能な温度域であり（ステップＳ１１５がＹＥＳ）、さらに、内燃機関１が定常運転状態であれば（ステップＳ１１６がＹＥＳ）、ステップＳ１１７にて燃焼パージ制御を実行する（図５の領域Ａ２、Ａ３参照）。

続いて、ＮＯｘ触媒３３のＮＯｘ吸蔵量が０になるまで燃焼パージ制御が実行された場合は（ステップＳ１１８がＹＥＳ）、触媒劣化判定を行う（ステップＳ１１９）。因みに、触媒劣化判定は、例えば触媒劣化前の特性から算出する見込みＮＯｘ還元量と、燃焼パージ制御によって実際に還元されたＮＯｘ還元量とを比較して、触媒の劣化度を判定する。

そして、ステップＳ１１９の触媒劣化判定が終了すると、ステップＳ１１２に戻る。また、燃焼パージ制御の実行条件が成立しなかった場合、すなわち、ステップＳ１１４がＮＯの場合、ステップＳ１１５がＮＯの場合、およびステップＳ１１６がＮＯの場合も、ステップＳ１１２に戻る。さらに、ＮＯｘ触媒３３のＮＯｘ吸蔵量が０にリセットされなかった場合は（ステップＳ１１８がＮＯ）、リターンする。

一方、ステップＳ１１３がＮＯの場合、すなわち、内燃機関１の運転状態が燃焼パージ領域Ａでない場合、換言すると、内燃機関１の運転状態が排気添加パージ領域Ｂであれば、ステップＳ１２０に進む。

そして、ＮＯｘ触媒３３のＮＯｘ吸蔵量が排気添加パージ閾値Ｑｎｏｘ３以上であり（ステップＳ１２０がＹＥＳ）、且つＮＯｘ触媒３３の温度が、ＮＯｘの還元が可能な温度域であれば（ステップＳ１２１がＹＥＳ）、ステップＳ１２２にて排気添加パージ制御を実行する（図５の領域Ｂ４参照）。

この場合、ＮＯｘ触媒３３のＮＯｘ吸蔵量が０にリセットされたか否かが不明であるため、ステップＳ１２２の処理が終了するとリターンする。また、排気添加パージ制御の実行条件が成立しなかった場合、すなわち、ステップＳ１２０がＮＯの場合およびステップＳ１２１がＮＯの場合はステップＳ１１２に戻る。

上記実施形態では、燃焼パージ閾値Ｑｎｏｘ２を排気添加パージ閾値Ｑｎｏｘ３よりも小さく設定しているため、燃焼パージ制御の機会を増加させて触媒劣化判定の機会を増加させることができる。

また、内燃機関１の始動直後、ＮＯｘ触媒３３のＮＯｘ吸蔵量が０になる前に燃焼パージ制御が中止された場合（ステップＳ１１０がＮＯ、ステップＳ１１８がＮＯ）、および排気添加パージ制御の終了直後（ステップＳ１０６、ステップＳ１２２）において、燃焼パージ制御が選択される内燃機関１の運転状態になったときには（ステップＳ１０２がＹＥＳ）、ＮＯｘ触媒３３のＮＯｘ吸蔵量に関わらず燃焼パージ制御を実行するため（ステップＳ１０９）、ＮＯｘ触媒３３のＮＯｘ吸蔵量を早い機会に０にリセットすることができ、早期に且つ精度よく触媒劣化判定を行うことができる。

本発明の一実施形態に係る排気浄化装置を適用した内燃機関の全体構成を示す図である。 燃焼パージ制御が実行される領域Ａと排気添加パージ制御が実行される領域Ｂを示す図である。 図１のＥＣＵ４で実行されるリッチパージ制御処理および触媒劣化判定処理を示す流れ図である。 図１のＥＣＵ４で実行されるリッチパージ制御処理および触媒劣化判定処理を示す流れ図である。 図３および図４の処理による作動例を示すタイムチャートである。

符号の説明

１…内燃機関、３３…ＮＯｘ触媒。

Claims (3)

1. 空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸蔵し、この吸蔵したＮＯｘを空燃比がリッチのときに還元して放出するＮＯｘ触媒（３３）を、内燃機関（１）の排気系に備え、
   空燃比がリッチになるように前記内燃機関（１）に供給される燃料量を設定して還元用の燃料を前記ＮＯｘ触媒（３３）に供給する燃焼パージ制御と、前記ＮＯｘ触媒（３３）よりも上流側の前記排気系中に還元用の燃料を添加する排気添加パージ制御とを、前記ＮＯｘ触媒（３３）のＮＯｘ吸蔵量が閾値に達したときに前記内燃機関（１）の運転状態に応じて選択的に実行し、
   前記燃焼パージ制御により前記ＮＯｘ触媒（３３）にて還元・放出されたＮＯｘ量に基づいて前記ＮＯｘ触媒（３３）の劣化度を判定する内燃機関用排気浄化装置において、
   前記閾値として、前記燃焼パージ制御の実行を許可する第１閾値（Ｑｎｏｘ２）と、前記排気添加パージ制御の実行を許可する第２閾値（Ｑｎｏｘ３）とを設定するとともに、前記第１閾値（Ｑｎｏｘ２）を前記第２閾値（Ｑｎｏｘ３）よりも小さくしたことを特徴とする内燃機関用排気浄化装置。
2. 前記ＮＯｘ触媒（３３）のＮＯｘ吸蔵量が０になるまで前記燃焼パージ制御が継続実行された場合に、前記ＮＯｘ触媒（３３）の劣化度を判定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用排気浄化装置。
3. 前記内燃機関（１）の始動直後、前記ＮＯｘ触媒（３３）のＮＯｘ吸蔵量が０になる前に前記燃焼パージ制御が中止された場合、および前記排気添加パージ制御を実行した直後のうち、少なくとも１つにおいて、
   前記燃焼パージ制御が選択される前記内燃機関（１）の運転状態になったときには、前記ＮＯｘ触媒（３３）のＮＯｘ吸蔵量に関わらず前記燃焼パージ制御を実行することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関用排気浄化装置。

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