JP4613896B2 - 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。

従来の内燃機関用排気浄化装置は、吸蔵還元型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）を行うようにしている（例えば、特許文献１参照）。

また、吸蔵還元型のＮＯｘ触媒は、燃料中に含まれる硫黄成分が堆積するとＮＯｘ吸蔵能力が低下する。そこで、ＮＯｘ吸蔵能力低下度合い（触媒の劣化度）を推定し、触媒の劣化度が基準を超えたら硫黄が放出される状態を作って硫黄成分を放出させるようにしている。

ここで、触媒の劣化度を検出する方法として、次のような方法が知られている。まず、特許文献１に記載の装置では、リッチパージ制御中に還元用として消費された燃料の量から実ＮＯｘ吸蔵量を求め、この実ＮＯｘ吸蔵量と見込みＮＯｘ吸蔵量とを比較して触媒の劣化度を求めた後、触媒の劣化度が基準を超えているか否かを判定（触媒劣化判定）するようにしている。そして、この方法によれば、触媒の劣化度を精度よく求められることが知られており、したがって、触媒劣化判定を精度よく行うことができる。

また、特許文献２に記載の装置では、内燃機関の燃料消費量と燃料の硫黄濃度に基づいて硫黄堆積量を求め、この硫黄堆積量に基づいて触媒劣化判定を行うようにしている。
特許第２６９２３８０号 特許第３０３０４１２号

しかしながら、特許文献１に記載の装置は、触媒劣化判定を精度よく行えるものの、内燃機関の運転状態が低回転・低負荷の時にのみリッチパージ制御が実施されるため、触媒劣化判定の頻度が低いという問題があった。

一方、特許文献２に記載の装置は、燃料の硫黄濃度にばらつきがあるため、硫黄堆積量を精度よく求めることができない。また、インジェクタに対する噴射量指令値から内燃機関の燃料消費量を推定しているが、燃料噴射装置の個体間ばらつきにより燃料消費量の推定値が実燃料消費量に対してずれてしまうため、硫黄堆積量を精度よく求めることができない。したがって、特許文献２に記載の装置では、触媒劣化判定を精度よく行うことができないという問題があった。

本発明は上記点に鑑みて、内燃機関の燃料消費量と燃料の硫黄濃度に基づいて硫黄堆積量を求め、この硫黄堆積量に基づいて触媒劣化判定をする場合に、触媒劣化判定の精度を向上させることを目的とする。

本発明は、リッチパージ制御中に還元用として消費された燃料の量に基づいてＮＯｘ触媒（３２）の硫黄堆積量を推定する第１推定手段（Ｓ１０８）と、内燃機関（１）の燃料消費量と燃料の硫黄濃度とに基づいてＮＯｘ触媒（３２）の硫黄堆積量を推定する第２推定手段（Ｓ１０４）とを備え、第１推定手段（Ｓ１０８）にて推定した硫黄堆積量に基づいて、第２推定手段（Ｓ１０４）にて推定する硫黄堆積量を補正することを特徴とする。

前述したように、リッチパージ制御中に還元用として消費された燃料の量から、ＮＯｘ触媒（３２）の劣化度を精度よく求めることができる。そして、ＮＯｘ触媒（３２）の劣化度と硫黄堆積量は強い相関関係があるため、ＮＯｘ触媒（３２）の劣化度から硫黄堆積量を精度よく求めることができる。したがって、第１推定手段により、硫黄堆積量を精度よく求めることができる。

そして、第１推定手段にて求めた精度のよい硫黄堆積量に基づいて、第２推定手段による硫黄堆積量の推定値を補正することにより、第２推定手段にて求めた硫黄堆積量の推定値の精度が高くなり、第２推定手段にて求めた硫黄堆積量に基づいて触媒劣化判定をする場合の、触媒劣化判定の精度が向上する。

この場合、堆積量補正手段（ステップＳ１０９〜Ｓ１１２）は、第１推定手段（Ｓ１０８）にて推定した硫黄堆積量が更新されたときに、第２推定手段（Ｓ１０４）にて推定された硫黄堆積量を、第１推定手段（Ｓ１０８）の更新された硫黄堆積量の値と等しい値に補正することができる。

このようにすれば、第１推定手段（Ｓ１０８）にて推定した硫黄堆積量が更新される度に、第２推定手段（Ｓ１０４）にて推定された硫黄堆積量の精度が高くなるため、第２推定手段にて求めた硫黄堆積量に基づいて触媒劣化判定をする場合の、触媒劣化判定の精度がさらに向上する。

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、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３２が設けられている。また、排気管３１のうちＮＯｘ触媒３２よりも上流側には、ＮＯｘ触媒３２に流入する排気の空燃比を検出する第１Ａ／Ｆセンサ３３が設けられ、排気管３１のうちＮＯｘ触媒３２よりも下流側には、ＮＯｘ触媒３２を通過後の排気の空燃比を検出する第２Ａ／Ｆセンサ３４が設けられている。

上述した各種センサ類の出力は、ＥＣＵ７に入力される。ＥＣＵ７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、ＥＣＵ７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。

次に、この排気浄化装置において、ＥＣＵ７で実行されるリッチパージ制御処理および硫黄堆積量算出処理について説明する。図２はＥＣＵ７で実行されるリッチパージ制御処理および硫黄堆積量算出処理を示す流れ図である。

図２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ＥＣＵ７に電源が投入されると開始され、一定演算周期毎に実行され、内燃機関１の停止時にキースイッチの操作によりＥＣＵ７への電力供給が停止されると終了する。

図２において、まずステップＳ１０１では、内燃機関１の運転状態に基づいて、リッチパージ制御を許可するか否かを判定する。具体的には、内燃機関１が低負荷・低回転で運転されているときにのみリッチパージ制御を許可する。

そして、内燃機関１が低負荷・低回転で運転されていない場合は、ステップＳ１０１がＮＯとなり、ステップＳ１０２に進む。ステップＳ１０２では、リッチパージ制御が実行されている状態であればリッチパージ制御を終了させる。

続いて、ステップＳ１０３では、演算周期中に内燃機関１で消費された燃料の量（以下、瞬時燃料消費量という）Ｑを算出し、ＥＣＵ７の内部メモリに記憶する。

続いて、第２推定手段としてのステップＳ１０４では、内燃機関１の燃料消費量ΣＱや燃料の硫黄濃度θ等に基づいて、ＮＯｘ触媒３２に堆積した硫黄の量（以下、第２硫黄堆積量という）ＳＣを求める。

ここで、内燃機関１の燃料消費量ΣＱは、後述するステップＳ１１３で燃料消費量のデータがクリアされてから現在までの燃料消費量であり、ステップＳ１０３で求めた瞬時燃料消費量Ｑを積算して求める。

硫黄濃度θは、ＥＣＵ７の内部メモリから読み込む。ＥＣＵ７の内部メモリには、当初は標準的な燃料の硫黄濃度θが初期値として記憶されており、以後、後述するステップＳ１１２で求めた硫黄濃度θに修正される。

そして、今回算出する第２硫黄堆積量をＳＣ_ｉ、前回算出した第２硫黄堆積量をＳＣ_ｉ−１とすると、今回の第２硫黄堆積量ＳＣ_ｉは、ＳＣ_ｉ＝ΣＱ×θ＋ＳＣ_ｉ−１、の式にて求められる。なお、今回の第２硫黄堆積量ＳＣ_ｉおよび燃料消費量ΣＱをＥＣＵ７の内部メモリに記憶する。

ステップＳ１０４の処理が終了すると、ＥＣＵ７は、図２の処理を一旦終了し、ステップＳ１０４で求めた今回の第２硫黄堆積量ＳＣ_ｉに基づいて触媒劣化判定を行う。

一方、ステップＳ１０１がＹＥＳの場合、すなわち、内燃機関１が低負荷・低回転で運転されている場合は、ステップＳ１０５に進んでリッチパージ制御を実行する。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３２に流入する排気の空燃比をリッチにして、ＮＯｘ触媒３２に吸蔵されていたＮＯｘを還元除去する。

続いて、ステップＳ１０６では、還元が完了したか否か、より詳細には、ＮＯｘ触媒３２のＮＯｘ吸蔵量が０になるまでリッチパージ制御が実行されたか否かを判定する。具体的には、リッチパージ制御実行中に吸蔵ＮＯｘの還元が完了するとＮＯｘ触媒３２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３４で検出した空燃比がリッチ側に変化するまでリッチパージ制御が実行された場合には、還元が完了したと判定する。

そして、還元が完了していない場合には（ステップＳ１０６がＮＯ）、ステップＳ１０１に戻ってリッチパージ制御を許可するか否かを再度判定し、リッチパージ制御を許可する条件が成立していれば（ステップＳ１０１がＹＥＳ）、リッチパージ制御を継続する（ステップＳ１０５）。

リッチパージ制御の継続により、ＮＯｘ触媒３２のＮＯｘ吸蔵量が０になるまでリッチパージ制御が実行された場合には（ステップＳ１０６がＹＥＳ）、ステップＳ１０７に進んでリッチパージ制御を終了させる。

続いて、第１推定手段としてのステップＳ１０８では、リッチパージ制御中に還元用として消費された燃料の量に基づいて、ＮＯｘ触媒３２に堆積した硫黄の量（以下、第１硫黄堆積量という）ＳＲを求める。

具体的には、ＮＯｘ触媒３２の劣化度と硫黄堆積量には図３に示すような相関があり、この図３の関係を定義するマップがＥＣＵ７の内部メモリに記憶されている。そして、周知の方法でＮＯｘ触媒３２の劣化度を求めた後に、この劣化度を用いて図３のマップから第１硫黄堆積量ＳＲを求める。以下、今回求めた第１硫黄堆積量をＳＲ_ｉ、前回求めた第１硫黄堆積量をＳＲ_ｉ−１という。なお、今回の第１硫黄堆積量ＳＲ_ｉおよび前回の第１硫黄堆積量ＳＲ_ｉ−１をＥＣＵ７の内部メモリに記憶する。

続いて、ステップＳ１０９では、第１硫黄堆積量ＳＲに基づいて、第１硫黄堆積量ＳＲを前回算出してから今回算出するまでの間にＮＯｘ触媒３２に新たに堆積した（すなわち、増加した）硫黄の量（以下、第１硫黄増加量という）ΔＳＲを求める。そして、今回求める第１硫黄増加量をΔＳＲ_ｉとすると、今回の第１硫黄増加量ΔＳＲ_ｉは、ΔＳＲ_ｉ＝ＳＲ_ｉ−ＳＲ_ｉ−１、の式にて求められる。なお、今回の第１硫黄増加量ΔＳＲ_ｉをＥＣＵ７の内部メモリに記憶する。

続いて、ステップＳ１１０では、第１硫黄堆積量ＳＲおよび第２硫黄堆積量ＳＣに基づいて、第１硫黄堆積量ＳＲを前回算出してから今回算出するまでの間にＮＯｘ触媒３２に新たに堆積した硫黄の量（以下、第２硫黄増加量という）ΔＳＣを求める。そして、今回求める第２硫黄増加量をΔＳＣ_ｉとすると、今回の第２硫黄増加量ΔＳＣ_ｉは、ΔＳＣ_ｉ＝ＳＣ_ｉ−ＳＲ_ｉ−１、の式にて求められる。なお、今回の第２硫黄増加量ΔＳＣ_ｉをＥＣＵ７の内部メモリに記憶する。

続いて、ステップＳ１１１では、今回の第２硫黄堆積量ＳＣ_ｉを修正する。具体的には、ＳＣ_ｉ＝ＳＲ_ｉ、とする。すなわち、第２硫黄堆積量ＳＣを、精度のよい第１硫黄堆積量ＳＲと同じにする。そして、今回の第２硫黄堆積量ＳＣ_ｉをＥＣＵ７の内部メモリに記憶する。

続いて、ステップＳ１１２では、硫黄濃度θを修正する。今回求める硫黄濃度をθ_ｉ、前回求めた硫黄濃度をθ_ｉ−１とすると、今回の硫黄濃度θ_ｉは、θ_ｉ＝θ_ｉ−１×ΔＳＲ_ｉ／ΔＳＣ_ｉ、の式にて求められる。すなわち、今回の第１硫黄増加量ΔＳＲ_ｉが今回の第２硫黄増加量ΔＳＣ_ｉよりも多い場合は硫黄濃度θの値が大きくなるように硫黄濃度θの値を補正するとともに、今回の第１硫黄増加量ΔＳＲ_ｉが今回の第２硫黄増加量ΔＳＣ_ｉよりも少ない場合は硫黄濃度θの値が小さくなるように硫黄濃度θの値を補正する。そして、今回の硫黄濃度θ_ｉをＥＣＵ７の内部メモリに記憶する。なお、ステップＳ１０９〜Ｓ１１２は、本発明の堆積量補正手段を構成する。

続いて、ステップＳ１１３では、ステップＳ１０４でＥＣＵ７の内部メモリに記憶した燃料消費量ΣＱのデータをクリアする。

ステップＳ１１３の処理が終了すると、ＥＣＵ７は、図２の処理を一旦終了し、ステップＳ１０８で求めた今回の第１硫黄堆積量ＳＲ_ｉに基づいて触媒劣化判定を行う。

次に、図２の処理について、図４に基づいてさらに説明する。この図４は図２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４中の符号Ａ１およびＡ２の領域では、内燃機関１が低負荷・低回転で運転されていて、リッチパージ制御が実行される。図４中の符号Ｂ１およびＢ２の領域では、内燃機関１が高負荷・中回転で運転されていて、リッチパージ制御は実行されない。図４中の符号Ｃ１の領域では、内燃機関１が中負荷・高回転で運転されていて、リッチパージ制御は実行されない。また、Ｂ１、Ｂ２およびＣ１の各領域における単位時間当たりの燃料消費量は同じとする。さらに、図４の作動例は、ＮＯｘ触媒３２の硫黄堆積量が０の状態から始まるものとする。

まず、Ｂ１の領域では、硫黄濃度θとして初期値θ１を用いて第２硫黄堆積量ＳＣが求められ（図２のステップＳ１０４参照）、第２硫黄堆積量ＳＣは図４の直線ａのように増加する。

次に、Ａ１の領域に入った時点でリッチパージ制御を実行して第１硫黄堆積量ＳＲを求め（図２のステップＳ１０８参照）、第２硫黄堆積量ＳＣを第１硫黄堆積量ＳＲと同じ値に修正する（図２のステップＳ１１１参照）。

したがって、Ｃ１の領域に移行した際には、Ｃ１領域運転開始時の第２硫黄堆積量ＳＣは、図２のステップＳ１１１で修正された値、すなわち、Ａ１の領域のときに求められた第１硫黄堆積量ＳＲと同じ値になる。

その後、Ｃ１の領域では、図２のステップＳ１１２で修正された硫黄濃度（本例ではθ２）を用いて第２硫黄堆積量ＳＣが求められ（図２のステップＳ１０４参照）、第２硫黄堆積量ＳＣは、Ａ１の領域のときに求められた第１硫黄堆積量ＳＲ（すなわち、修正後ＳＣ）を起点として、図４の直線ｂのように増加する。

続いて、Ａ２の領域に入った時点でリッチパージ制御を実行して第１硫黄堆積量ＳＲを求め（図２のステップＳ１０８参照）、第２硫黄堆積量ＳＣを第１硫黄堆積量ＳＲと同じ値に修正する（図２のステップＳ１１１参照）。

その後、Ｂ２の領域では、図２のステップＳ１１２で修正された硫黄濃度（本例ではθ３）を用いて第２硫黄堆積量ＳＣが求められ（図２のステップＳ１０４参照）、第２硫黄堆積量ＳＣは、Ａ２の領域のときに求められた第１硫黄堆積量ＳＲ（すなわち、修正後ＳＣ）を起点として、図４の直線ｃのように増加する。

本実施形態では、リッチパージ制御時に求めた精度のよい第１硫黄堆積量ＳＲに基づいて第１硫黄増加量ΔＳＲを求め、この第１硫黄増加量ΔＳＲに基づいて硫黄濃度θの値を補正するため、硫黄濃度θを用いて求める第２硫黄堆積量ＳＣの推定値の精度が高くなり、第２硫黄堆積量ＳＣに基づいて触媒劣化判定をする場合の、触媒劣化判定の精度が向上する。

また、第１硫黄堆積量ＳＲが更新されたときに、第２硫黄堆積量ＳＣを第１硫黄堆積量ＳＲと同じ値に修正するため、この時点で第２硫黄堆積量ＳＣの精度が高くなる。そして、この修正後の第２硫黄堆積量ＳＣに硫黄堆積量の増加分（すなわち、ΣＱ×θ）を加算して最新の第２硫黄堆積量ＳＣを算出するため、この最新の第２硫黄堆積量ＳＣの値が精度の高いものになり、第２硫黄堆積量ＳＣに基づいて触媒劣化判定をする場合の、触媒劣化判定の精度が向上する。

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。 図１のＥＣＵ７で実行されるリッチパージ制御処理および硫黄堆積量算出処理を示す流れ図である。 図１のＮＯｘ触媒３２の劣化度と硫黄堆積量との関係を示す図である。 図２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、３２…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を還元用の燃料により還元して放出するＮＯｘ触媒（３２）を、内燃機関（１）の排気系に備え、
   所定の条件が成立したときに前記ＮＯｘ触媒（３２）に還元用の燃料を供給するリッチパージ制御が実行される内燃機関用排気浄化装置において、
   前記リッチパージ制御中に還元用として消費された燃料の量に基づいて前記ＮＯｘ触媒（３２）の硫黄堆積量を推定する第１推定手段（Ｓ１０８）と、
   前記内燃機関（１）の燃料消費量と燃料の硫黄濃度とに基づいて前記ＮＯｘ触媒（３２）の硫黄堆積量を推定する第２推定手段（Ｓ１０４）と、
   前記第１推定手段（Ｓ１０８）にて推定した硫黄堆積量に基づいて、前記第２推定手段（Ｓ１０４）にて推定する硫黄堆積量を補正する堆積量補正手段（ステップＳ１０９〜Ｓ１１２）とを備えることを特徴とする内燃機関用排気浄化装置。
2. 前記堆積量補正手段（ステップＳ１０９〜Ｓ１１２）は、
   前記第１推定手段（Ｓ１０８）にて推定した前回の硫黄堆積量と前記第１推定手段（Ｓ１０８）にて推定した今回の硫黄堆積量とに基づいて、硫黄堆積量の増加分を第１硫黄増加量として算出し、
   前記第１推定手段（Ｓ１０８）にて推定した前回の硫黄堆積量と前記第２推定手段（Ｓ１０４）にて推定した今回の硫黄堆積量とに基づいて、硫黄堆積量の増加分を第２硫黄増加量として算出し、
   さらに、前記第１硫黄増加量が前記第２硫黄増加量よりも多い場合は前記硫黄濃度の値が大きくなるように前記硫黄濃度の値を補正するとともに、前記第１硫黄増加量が前記第２硫黄増加量よりも少ない場合は前記硫黄濃度の値が小さくなるように前記硫黄濃度の値を補正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. 前記堆積量補正手段（ステップＳ１０９〜Ｓ１１２）は、前記第１推定手段（Ｓ１０８）にて推定した硫黄堆積量が更新されたときに、前記第２推定手段（Ｓ１０４）にて推定された硫黄堆積量を、前記第１推定手段（Ｓ１０８）の更新された硫黄堆積量と等しい値に補正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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