JP4645543B2 - 内燃機関用排ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、排ガス中の窒素酸化物（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の排ガス浄化装置に関するものである。

吸蔵還元型のＮＯｘ触媒（いわゆる、ＬＮＴ）は、リーン状態でＮＯｘを吸蔵し、リッチ状態でＨＣやＣＯによってＮＯｘを還元して放出する特性がある。そして、ＮＯｘ吸蔵量が多くなるとＮＯｘ吸蔵性能が劣化していき、飽和するとＮＯｘ触媒としての機能を失
う。したがって、定期的にリッチ状態を作ることにより、還元剤としての燃料をＮＯｘ触媒に供給して、吸蔵したＮＯｘを還元・放出させてＮＯｘ触媒内のＮＯｘ吸蔵量を除去する処置をする。この処置を一般にリッチパージ制御と呼ぶ。

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吸蔵性能が劣化する。そこで、硫黄成分が多くたまると、硫黄放出条件（６００℃以上、空燃比≦１４．５）を満足する状態を作って硫黄成分を放出させるようにしている。この処置を一般に硫黄被毒回復と呼ぶ。この処置は劣化の程度を推定して例えば１０００ｋｍ走行ごとに実施される。この処置は、燃費悪化を招くとともに、高温にするために触媒成分の熱劣化を招く。したがって、硫黄成分の堆積によるＮＯｘ吸蔵性能の劣化度合いを精度よく判定できれば、必要に応じて硫黄被毒回復を実施することが可能となり、硫黄被毒回復を最低限の実施にとどめることができるため、ＮＯｘ触媒の正確な劣化判定技術が望まれている。

例えば、特許文献１に記載されているように、吸蔵還元型のＮＯｘ触媒の性能劣化を検出するために、リッチパージ制御を開始する時点でＮＯｘ触媒内に吸蔵されているであろうＮＯｘの量（あるいはその特性をあらわす量）と、実際に吸蔵されていたＮＯｘの量（あるいはその特性をあらわす量）とを比較する方法がある。実際に吸蔵されていたＮＯｘの量（以下、実ＮＯｘ吸蔵量という）は、１回のリッチパージ制御においてＮＯｘ触媒で消費された還元剤の量と等価であることから、ＮＯｘ触媒の上流側に設置されたＡ／Ｆセンサにて検出した空燃比と、内燃機関に供給される新気量（エアフロメータ等で計測）とから、還元剤として消費された燃料量を推定し、還元剤として消費された燃料量と還元できるＮＯｘ量との関係を予め把握しておくことで、実ＮＯｘ吸蔵量を推定することができる。
特開２０００−３４９４６号公報

しかしながら、圧縮着火式内燃機関で燃焼によってリッチ状態をつくると、燃焼が不安定になることが多く、それによってＨＣ成分がばらついたり、リッチ状態であっても残留酸素が１％以上含まれたりするために、Ａ／Ｆセンサの出力がシフトしてしまう。したがって、出力がシフトした状態のＡ／Ｆセンサの信号（すなわち、精度の低い空燃比情報）を用いて推定される還元用消費燃料量の推定誤差が大きくなってしまい、ひいては実ＮＯｘ吸蔵量の推定誤差が大きくなってしまい、ＮＯｘ触媒の正確な劣化判定ができないという問題がある。

空燃比情報を入手する別の方法として、インジェクタに対する噴射量指令値から求めた燃料噴射量および新気量に基づいて推定する方法がある。しかしながら、インジェクタは、一般的に噴射量指令値に対応する指令噴射量と実噴射量との間にゲイン誤差やオフセット誤差が存在する。オフセット誤差要素として、通電開始から実際にノズルが開弁するまでの時間のばらつきがあり、ゲイン誤差要素として、ノズルの流量抵抗ばらつきなどがある。そのため、新気量計測値および噴射量指令値から正確な空燃比を推定することは困難であり、ＮＯｘ触媒の正確な劣化判定ができないという問題がある。

本発明は上記点に鑑みて、リッチパージ制御においてＮＯｘ触媒で消費された還元剤の量を正確に算出可能にすることを目的とする。

本発明は、ＮＯｘ触媒（３２）に流入する排ガスの空燃比をＡ／Ｆセンサ（３３）にて検出し、空燃比がリッチになるように噴射量指令値を設定するリッチパージ制御を行って還元用の燃料をＮＯｘ触媒（３２）に供給し、リッチパージ制御中の空燃比とリッチパージ制御中の新気量とに基づいて、リッチパージ制御中に還元用として消費された総還元剤量を算出する内燃機関用排ガス浄化装置において、リッチパージ制御中よりも精度よく空燃比を検出できる空燃比領域に空燃比が制御された所定空燃比状態を設定し、リッチパージ制御中の噴射量指令値と所定空燃比状態での噴射量指令値との差である噴射量指令値差、および、Ａ／Ｆセンサ（３３）にて検出された所定空燃比状態での空燃比に基づいて、総還元剤量の値を補正することを特徴とする。

このようにすれば、噴射量指令値差は、差という形にすることで、噴射量指令値に対応する指令噴射量と実噴射量とのオフセット誤差がキャンセルされる。また、噴射量指令値差に対応する指令噴射量差は実噴射量と比較して極めて小さいので（実噴射量の１／１０程度）、ゲイン誤差も非常に小さくてすむ。したがって、噴射量指令値差は、精度の高い情報といえる。

そして、総還元剤量算出手段（Ｓ１０５、１０６）にて算出した総還元剤量は、精度の低い空燃比情報を用いて算出されるためその推定誤差が大きくなってしまうものの、精度の高い噴射量指令値差情報と精度の高い空燃比情報とに基づいてその総還元剤量の値を補正することにより、リッチパージ制御においてＮＯｘ触媒（３２）で消費された還元剤の量を正確に算出することができる。したがって、実ＮＯｘ吸蔵量の正確な推定、ひいてはＮＯｘ触媒（３２）の正確な劣化判定を行うことができる。

この場合、総還元剤量算出手段（Ｓ１０５、１０６）は、リッチパージ制御中の所定期間内に還元用として消費された燃料の量である第１瞬時還元剤量を、リッチパージ制御中の空燃比とリッチパージ制御中の新気量とに基づいて算出した後に、この瞬時還元剤量を積算して総還元剤量を算出し、総還元剤量補正手段（Ｓ２０６〜２０９）は、リッチパージ制御中の所定期間内に還元用として消費された燃料の量である第２瞬時還元剤量を、噴射量指令値差および所定空燃比状態での空燃比に基づいて推定し、総還元剤量補正手段（Ｓ２０６〜２０９）は、第１瞬時還元剤量よりも第２瞬時還元剤量が大きい場合は、総還元剤量の値が大きくなるように総還元剤量の値を補正するとともに、第１瞬時還元剤量よりも第２瞬時還元剤量が小さい場合は、総還元剤量の値が小さくなるように総還元剤量の値を補正することができる。

また、総還元剤量補正手段（Ｓ２０６〜２０９）は、リッチパージ制御の実施時間が所定時間以上の場合は、リッチパージ制御中に算出された複数の瞬時還元剤量の値の平均値を第１瞬時還元剤量の値とし、リッチパージ制御の実施時間が所定時間未満の場合は、リッチパージ制御中に算出された複数の瞬時還元剤量の値のうちの最大値を第１瞬時還元剤量の値とすることができる。

Ａ／Ｆセンサ（３３）の応答遅れにより、リッチパージ制御の初期は実際の空燃比よりもリーン側の空燃比情報が得られる傾向になるため、リッチパージ制御の実施時間が短い場合は第１瞬時還元剤量の値が実瞬時還元剤量の値（真値）よりも小さくなってしまう。

そこで、リッチパージ制御の実施時間が所定時間未満の場合は、リッチパージ制御中に算出された複数の瞬時還元剤量の値のうちの最大値を第１瞬時還元剤量の値とすることにより、第１瞬時還元剤量の推定誤差を小さくすることができる。

また、所定空燃比状態は、リッチパージ制御と連続して設定することができる。

このようにすれば、インジェクタ（１１）や新気量検出手段（２２）の劣化の影響を少なくすることができ、ひいては精度の高い噴射量指令値差情報や精度の高い空燃比情報を得ることができる。また、総還元剤量を算出する際の時間を短くすることができる。

また、所定空燃比状態は、リッチパージ制御の直後に連続して設定することができる。

このようにすれば、所定空燃比状態よりもリッチパージ制御が先にくることになるので、運転状態が急変して空燃比を低い状態に保てなくなった場合に生じる問題、例えばリッチパージ制御を実施できない、或いはリッチパージ制御の実施時間が短くなるという問題を回避することができる。

また、所定空燃比状態が設定されたときの空燃比を、１４．２〜１７．０に制御することができる。

空燃比が１４．２近傍からさらに大きくなる領域でＡ／Ｆセンサ（３３）の出力が安定する。また、空燃比が１５以下の領域では内燃機関のトルクはほぼ新気量で決まり、空燃比が１７を超えるトルクは噴射量で決まる。空燃比が１５〜１７の間は遷移域でその中間の特性となる。そして、リッチパージ制御状態から所定空燃比状態に移行したとき、或いは所定空燃比状態からリッチパージ制御状態に移行したときに、トルクショックによりドライバーが違和感を感じることを防ぐためには、空燃比は１７以下が望ましい。

そこで、所定空燃比状態が設定されたときの空燃比を１４．２〜１７．０に制御することにより、トルクショックによりドライバーが違和感を感じることを防止しつつ、所定空燃比状態が設定されたときに精度の高い空燃比情報を得ることができる。

また、所定空燃比状態が設定されたときの空燃比を、１４．５〜１６．０に制御することができる。

このようにすれば、リッチパージ制御状態から所定空燃比状態に移行したとき、或いは所定空燃比状態からリッチパージ制御状態に移行したときに、トルクショックによりドライバーが違和感を感じることをより確実に防止することができる。

また、リッチパージ制御中の新気量と所定空燃比状態が設定されたときの新気量を等しくすることができる。

このようにすれば、新気量の計測誤差がキャンセルされるため、所定空燃比状態が設定されたときにさらに精度の高い空燃比情報を得ることができる。

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。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る排ガス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新気量検出手段としてのエアフロメータ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ガス中の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（いわゆる、ＬＮＴ）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に流入する排ガス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を通過後の排ガス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、この排ガス浄化装置において、ＥＣＵ７で実行されるＮＯｘ触媒３２の劣化判定処理について説明する。

図２はＮＯｘ触媒３２の劣化判定処理の流れを示す図である。図２に示すように、リッチパージ制御中にエアフロメータ２２で検出した新気量、第１Ａ／Ｆセンサ３３や第２Ａ／Ｆセンサ３４で検出した空燃比に基づいて、１回のリッチパージ制御中に還元用として消費された燃料の総量である総還元剤量を算出し（ステップＳ１００）、その総還元剤量の値を補正し（ステップＳ２００）、この補正後の総還元剤量の値に基づいて、リッチパージ制御を開始する時点でＮＯｘ触媒３２内に実際に吸蔵されていたＮＯｘの量（実ＮＯｘ吸蔵量）を推定する（ステップＳ３００）。

また、内燃機関１の負荷や回転数、ガス情報（新気量、ＥＧＲ率等）に基づいて、内燃機関１からのＮＯｘ排出量を推定し（ステップＳ４００）、この推定ＮＯｘ排出量と予め判っている劣化前の触媒特性に基づいて、リッチパージ制御を開始する時点でＮＯｘ触媒３２内に吸蔵されていたであろうＮＯｘの量（予測ＮＯｘ吸蔵量）を予測する（ステップＳ５００）。そして、ステップＳ３００で求めた実ＮＯｘ吸蔵量とステップＳ５００で求めた予測ＮＯｘ吸蔵量との差から、ＮＯｘ触媒３２の劣化度合いを判定する（ステップＳ６００）。

これらのステップＳ１００〜６００のうち、ステップＳ４００〜６００は周知であるため詳細な説明は省略し、以下、ステップＳ１００〜３００について詳細に説明する。

図３はステップＳ１００の総還元剤量算出処理の詳細を示す流れ図、図４はステップＳ２００の総還元剤量補正処理およびステップＳ３００の実ＮＯｘ吸蔵量算出処理の詳細を示す流れ図、図５はステップＳ１００〜３００の各処理を実行中の作動例を示すタイムチャートである。

まず、図３および図５にて、ステップＳ１００の総還元剤量算出処理について詳述する。この処理は、一定演算周期（例えば１６ｍｓ）毎に実行される。

そして、周知の方法で算出されたＮＯｘ触媒３２の推定ＮＯｘ吸蔵量が所定値に達すると、空燃比がリッチになるように噴射量指令値を設定してリッチパージ制御を開始するとともに、このときの噴射量指令値を内部メモリに記憶する（ステップＳ１０１）。なお、ステップＳ１０１は、本発明のリッチパージ制御手段に相当する。

このとき、通常状態からリッチパージ制御状態にするために、時刻ｔ１において新気量をＧａ１からＧａ２に減らすとともに、燃料噴射量をＱ１からＱ２へ増やす。この新気量の制御は、吸気スロットル２３を閉じることで実現する。なお、リッチパージ制御状態と通常状態とのトルクを同一にするために、噴射時期を変更して燃焼開始時期を制御する。

リッチパージ制御を開始したあと、ＮＯｘ触媒３２に流入する排ガスの空燃比（以下、流入側空燃比という）ＡＦｉｎを第１Ａ／Ｆセンサ３３にて検出するとともに、このときの流入側空燃比ＡＦｉｎを内部メモリに記憶する（ステップＳ１０２）。

次に、ＮＯｘ触媒３２を通過後の排ガスの空燃比（以下、流出側空燃比という）ＡＦｏｕｔを第２Ａ／Ｆセンサ３４にて検出するとともに、このときの流出側空燃比ＡＦｏｕｔを内部メモリに記憶する（ステップＳ１０３）。

さらに、内燃機関１に供給される新気量Ｇａをエアフロメータ２２で検出するとともに、このときの新気量Ｇａを内部メモリに記憶する（ステップＳ１０４）。

ここで、図５における空燃比（Ａ／Ｆ）の特性線のうち実線は流入側空燃比ＡＦｉｎを示し、破線は流出側空燃比ＡＦｏｕｔを示している。この図５に示すように、流入側空燃比ＡＦｉｎは、リッチパージ制御中はリッチ領域になる。一方、流出側空燃比ＡＦｏｕｔは、ＮＯｘ触媒３２内に吸蔵されていたＮＯｘの還元を行っている期間中はほぼストイキ（≒１４．５）の値を示す。また、その還元が完了し、還元剤としての燃料がＮＯｘ触媒３２をすりぬけてきた状態になったときには、流出側空燃比ＡＦｏｕｔはリッチ領域になる。

そして、ＮＯｘの還元を行っている期間中の流出側空燃比ＡＦｏｕｔが流入側空燃比ＡＦｉｎよりもリーン側の値になるのは、ＮＯｘ触媒３２内で還元用として燃料が消費されるためである。したがって、それらの空燃比差と新気量Ｇａとから、ＮＯｘ触媒３２内で還元用として消費された燃料の量を算出することができる。

図３に戻り、下式（１）にて瞬時還元剤量Ｄｒｉｃｈを算出するとともに、このときの瞬時還元剤量Ｄｒｉｃｈを内部メモリに記憶する（ステップＳ１０５）。この瞬時還元剤量Ｄｒｉｃｈは、演算周期あたりの、ＮＯｘ触媒３２内で還元用として消費された燃料の量である。

Ｄｒｉｃｈ＝（１／ＡＦｉｎ−１／ＡＦｏｕｔ）×Ｇａ…式（１）
なお、上述したように、ＮＯｘの還元を行っている期間中は、流出側空燃比ＡＦｏｕｔはほぼストイキ（≒１４．５）の値を示すため、式（１）中のＡＦｏｕｔは、第２Ａ／Ｆセンサ３４にて検出した値ではなく、空燃比値１４．５として代用してもよい。

ステップＳ１０５に続いて、リッチパージ制御中に還元用として消費された燃料の総量である総還元剤量Ｑｌｎｔを下式（２）にて算出する（ステップＳ１０６）。すなわち、総還元剤量Ｑｌｎｔは、リッチパージ制御によりＮＯｘ触媒３２に吸蔵されていたＮＯｘの還元が完了するまで（ステップＳ１０７がＹＥＳ）、瞬時還元剤量Ｄｒｉｃｈを積算して算出する。なお、ステップＳ１０５および１０６は、本発明の総還元剤量算出手段を構成する。

Ｑｌｎｔ＝∫Ｄｒｉｃｈ ｄｔ…式（２）
ステップＳ１０７において、リッチパージ制御によりＮＯｘ触媒３２に吸蔵されていたＮＯｘの還元が完了したか否かの判定は、流出側空燃比ＡＦｏｕｔに基づいて行う。具体的には、流出側空燃比ＡＦｏｕｔが所定値（例えば、１４．３）以下になったとき、すなわちＮＯｘ触媒３２内に吸蔵されていたＮＯｘの還元が完了し、還元剤がＮＯｘ触媒３２をすりぬけてきた状態になったときに、ＮＯｘの還元が完了したと判断する。

なお、ここでは第２Ａ／Ｆセンサ３４にて検出した流出側空燃比ＡＦｏｕｔに基づいてステップＳ１０７の判定を行うようにしたが、リーンかリッチを判定する機能を有したＯ２センサをＮＯｘ触媒３２の後に設置し、そのＯ２センサにて検出した情報に基づいてステップＳ１０７の判定を行うようにしてもよい。

そして、ステップＳ１０７がＮＯの場合、すなわちＮＯｘの還元が完了していない場合は、ステップＳ１０２〜１０６の処理を繰り返す。一方、ＮＯｘの還元が完了してステップＳ１０７がＹＥＳになった場合は、ステップＳ１０６で求めた総還元剤量Ｑｌｎｔを内部メモリに記憶し（ステップＳ１０８）、リッチパージ制御を終了する（ステップＳ１０９）。

以上のように、総還元剤量算出処理では、リッチパージ制御を行ってＮＯｘ触媒３２内のＮＯｘを還元・放出させるとともに、リッチパージ制御中に還元用として消費された燃料の総量である総還元剤量Ｑｌｎｔを算出する。

ここで、ステップＳ１０６で求めた総還元剤量Ｑｌｎｔは、理想的にはリッチパージ制御前までにＮＯｘ触媒３２内に吸蔵されていたＮＯｘ量（以下、ＮＯｘ吸蔵量という）ＮＯＸｆｉｎとおよそ直線関係にある。したがって、それらの関係を予め調べておけば、総還元剤量ＱｌｎｔからＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｆｉｎを求めることができる。因みに、図６は総還元剤量ＱｌｎｔとＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｆｉｎとの関係を示すものである。なお、図６においてＸ切片が生じるのは、ＮＯｘ触媒３２内に酸素ストレージがあるために、還元剤の一部が消費されてしまうことによる。

しかしながら、前述したように、圧縮着火式内燃機関１で燃焼によってリッチ状態をつくると、Ａ／Ｆセンサ３３、３４の出力がシフトしてしまう。すなわち、図７は真の空燃比（Ａ／Ｆ）に対するＡ／Ｆセンサ３３、３４の出力のばらつき度合いを示すもので、Ａ／Ｆセンサ３３、３４の出力は、空燃比が１４．５未満の領域、特に空燃比が１４近傍の領域において、ばらつきが大きくなってしまう。

したがって、リッチパージ制御中の流入側空燃比ＡＦｉｎは精度の低い空燃比情報となり、その情報を用いて推定される総還元剤量Ｑｌｎｔの推定誤差が大きくなってしまう。その結果、総還元剤量ＱｌｎｔとＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｆｉｎの関係は図８のようにばらつき、あらかじめ調べておいた変換式と特性が異なるために、正確にＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｆｉｎを推定することができない。

そこで、リッチパージ制御中にＮＯｘ触媒３２にどの程度の空燃比のガスが供給されていたかを知ることができれば、総還元剤量Ｑｌｎｔを精度よく推定することができる。前述したように、空燃比情報を入手する方法として、インジェクタ１１に対する噴射量指令値から求めた指令噴射量と新気量とに基づいて推定する方法があるが、図９に示すように、指令噴射量と実噴射量との間にゲイン誤差やオフセット誤差が存在するため、正確な空燃比を推定することは困難である。

ここで、Ａ／Ｆセンサ３３、３４のディーゼル排ガスに対する特性に着目する。空燃比はＨＣ成分、ＣＯ成分、残存酸素成分から決まるが、空燃比１４．５未満では、ガソリンエンジンではＣＯ成分が支配的でＡ／Ｆセンサ３４の出力は安定するのに対し、圧縮着火式内燃機関では燃焼の安定度が相対的に低く、ＨＣ成分、ＣＯ成分、残存酸素成分がそれぞれ相当量あり、ＨＣ成分も低分子成分のメタンから高分子成分まで存在し、Ａ／Ｆセンサ３３、３４の出力が安定しない。空燃比１４．５以上では、空燃比はほぼ残存酸素濃度が支配的で、かつ、燃焼が安定してくるのでＨＣ成分のガス組成も安定するため、図７に示すように、Ａ／Ｆセンサ３３、３４の出力も安定してくる。

そこで、本実施形態では、図２の総還元剤量補正処理（ステップＳ２００）において、このＡ／Ｆセンサ３３、３４の出力が安定してくる空燃比１４．５以上の領域の状態（以下、所定空燃比状態という）をつくる。これにより、精度の高い空燃比値を入手し、リッチパージ制御状態で実際にどの程度の還元剤が供給されていたのか推定し、ステップＳ１０６で求めた総還元剤量Ｑｌｎｔを補正する。そして、図２の実ＮＯｘ吸蔵量算出処理（ステップＳ３００）において、総還元剤量補正処理で求めた補正後の総還元剤量Ｑｌｎｔ・ｃａｌに基づいてＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｆｉｎを算出する。

この総還元剤量補正処理および実ＮＯｘ吸蔵量算出処理について、図４および図５に基づいて詳細に説明する。

まず、時刻ｔ２にて所定空燃比状態を設定する（ステップＳ２０１）。具体的には、新気量は、リッチパージ制御中の新気量Ｇａ２と同一にする。このように、所定空燃比状態での新気量をリッチパージ制御中の新気量と同一にすることにより、新気量の計測誤差をキャンセルすることができる。また、燃料噴射量は、空燃比が１５程度になるまで減らす。また、ステップＳ２０１では、このときの噴射量指令値を内部メモリに記憶する。なお、ステップＳ２０１は、本発明の状態設定手段に相当する。

次に、時刻ｔ２にて所定空燃比状態を設定してから所定時間（例えば、５秒）が経過したか否かを判定する（ステップＳ２０２）。所定時間が経過していない場合は（ステップＳ２０２がＮＯ）、ステップＳ２０２の判定を繰り返す。所定時間が経過した場合は（ステップＳ２０２がＹＥＳ）、Ａ／Ｆセンサ３３、３４の出力が安定する状況になったと推定してステップＳ２０３に進む。

そして、所定空燃比状態での流入側空燃比ＡＦｃｏｒを第１Ａ／Ｆセンサ３３にて検出する（ステップＳ２０３）。その後、時刻ｔ３にて所定空燃比状態を解除し、通常状態に復帰する（ステップＳ２０４）。

ここで、リッチパージ制御中の指令噴射量をＱ、リッチパージ制御中の指令噴射量Ｑと所定空燃比状態での指令噴射量との差を指令噴射量差ΔＱとすると、所定空燃比状態での流入側空燃比ＡＦｃｏｒは下式（３）、リッチパージ制御中の流入側空燃比ＡＦｉｎは下式（４）で表され、それらを整理すると下式（５）となる。

ＡＦｃｏｒ＝Ｇａ／（Ｑ−ΔＱ）…式（３）
ＡＦｉｎ＝Ｇａ／Ｑ…式（４）
ＡＦｃｏｒ×（Ｑ−ΔＱ）／Ｑ＝ＡＦｉｎ…式（５）
そして、リッチパージ制御中の真の瞬時還元剤量をＤｃａｌとすると、瞬時還元剤量Ｄｒｉｃｈを算出する式（１）に式（５）を代入した下式（６）により、真の瞬時還元剤量Ｄｃａｌを求めることができる。

Ｄｃａｌ＝（１／ＡＦｃｏｒ−１／ＡＦｏｕｔ）×Ｇａ＋ΔＱ…式（６）
そこで、ステップＳ２０５では、真の瞬時還元剤量Ｄｃａｌや後述する総還元剤量補正係数Ｋを求めるために必要な情報を入手する。具体的には、ステップＳ１０１〜１０５で内部メモリに記憶したデータ、すなわち、リッチパージ制御中の噴射量指令値、流入側空燃比ＡＦｉｎ、流出側空燃比ＡＦｏｕｔ、新気量Ｇａ、および瞬時還元剤量Ｄｒｉｃｈを読み出すとともに、ステップＳ２０１で内部メモリに記憶した所定空燃比状態での噴射量指令値を読み出す。さらに、このステップＳ２０５では、リッチパージ制御中の噴射量指令値と所定空燃比状態での噴射量指令値とに基づいて、指令噴射量差ΔＱを算出する。そして、ステップＳ２０６にて、式（６）に基づいて真の瞬時還元剤量Ｄｃａｌを求める。

なお、真の瞬時還元剤量Ｄｃａｌは、後述する総還元剤量補正係数Ｋを求めるためのもので精度がそれほどいらないこと、また、このときの流出側空燃比ＡＦｏｕｔはほぼ１４．５（空気過剰率が１となったときの空燃比）であるので、式（６）により真の瞬時還元剤量Ｄｃａｌを求める際、流入側空燃比ＡＦｃｏｒは、１４．５として代用しても良い。

次に、ステップＳ２０７では、ステップＳ２０６で求めた真の瞬時還元剤量Ｄｃａｌと、ステップＳ１０５で求めた瞬時還元剤量Ｄｒｉｃｈの代表値から、総還元剤量補正係数Ｋを求める。因みに、Ｋ＝真の瞬時還元剤量Ｄｃａｌ／瞬時還元剤量Ｄｒｉｃｈの代表値、である。なお、瞬時還元剤量Ｄｒｉｃｈの代表値は、本発明の第１瞬時還元剤量に相当し、真の瞬時還元剤量Ｄｃａｌは、本発明の第２瞬時還元剤量に相当する。

因みに、瞬時還元剤量Ｄｒｉｃｈの代表値は、リッチパージ制御の時間が長い場合は（例えば、５秒以上）、その期間中の瞬時還元剤量Ｄｒｉｃｈの平均値とする。また、第１Ａ／Ｆセンサ３３の応答遅れによりリッチパージ制御の初期は流入側空燃比ＡＦｉｎの値が実際の値よりもリーン側の値になり、瞬時還元剤量Ｄｒｉｃｈが少なめに計算される傾向になるため、リッチパージ制御の時間が短い場合は、その期間中の瞬時還元剤量Ｄｒｉｃｈの最大値を瞬時還元剤量Ｄｒｉｃｈの代表値とすることにより、誤差の少ない瞬時還元剤量Ｄｒｉｃｈを求めることができる。

次に、ステップＳ１０８で内部メモリに記憶した総還元剤量Ｑｌｎｔを読み出し（ステップＳ２０８）、下式（７）にて補正後総還元剤量Ｑｌｎｔ・ｃａｌを算出する（ステップＳ２０９）。これによると、瞬時還元剤量Ｄｒｉｃｈの代表値よりも真の瞬時還元剤量Ｄｃａｌが大きい場合は、総還元剤量Ｑｌｎｔの値が大きくなるように総還元剤量Ｑｌｎｔの値が補正され、瞬時還元剤量Ｄｒｉｃｈの代表値よりも真の瞬時還元剤量Ｄｃａｌが小さい場合は、総還元剤量Ｑｌｎｔの値が小さくなるように総還元剤量Ｑｌｎｔの値が補正される。なおステップＳ２０６〜２０９は、本発明の総還元剤量補正手段を構成する。

Ｑｌｎｔ・ｃａｌ＝Ｋ×Ｑｌｎｔ…（７）
次に、ステップＳ２０９で求めた補正後総還元剤量Ｑｌｎｔ・ｃａｌに基づいてＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｆｉｎを算出し（ステップＳ３０１）、算出したＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｆｉｎを記憶する（ステップＳ３０２）。ステップＳ３０１では、具体的には、総還元剤量とＮＯｘ吸蔵量との関係を調べて変換式を作成し、その変換式を内部メモリに記憶しておき、変換式を用いて補正後総還元剤量Ｑｌｎｔ・ｃａｌからＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｆｉｎを算出する。なおステップＳ３０１は、本発明のＮＯｘ吸蔵量算出手段に相当する。

以上の総還元剤量補正処理（ステップＳ２０１〜２０９）により、推定誤差が小さい補正後総還元剤量Ｑｌｎｔ・ｃａｌを求めることができる。

推定誤差が小さくなる理由は、以下の通りである。まず、指令噴射量差ΔＱは、差という形にすることで、指令噴射量と実噴射量とのオフセット誤差がキャンセルされる。また、指令噴射量差ΔＱは実噴射量と比較して極めて小さいので（実噴射量の１／１０程度）、ゲイン誤差も非常に小さくてすむ。したがって、指令噴射量差ΔＱは、精度の高い情報といえる。また、所定空燃比状態での流入側空燃比ＡＦｃｏｒも精度の高い情報である。このように、精度の高い情報に基づいて、総還元剤量Ｑｌｎｔの値を補正することにより、リッチパージ制御においてＮＯｘ触媒３２で消費された還元剤の量を正確に算出することができる。

そして、実ＮＯｘ吸蔵量算出処理（ステップＳ３０１〜３０２）では、推定誤差が小さい補正後総還元剤量Ｑｌｎｔ・ｃａｌに基づいて、ＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｆｉｎを正確に推定することができる。

本実施形態では、総還元剤量算出処理の終了直後に連続して総還元剤量補正処理を行うため、換言すると、リッチパージ制御の終了直後に連続して所定空燃比状態を設定するため、インジェクタ１１やエアフロメータ２２の劣化誤差や環境誤差の影響を少なくすることができ、ひいては精度の高い指令噴射量差情報や精度の高い空燃比情報を得ることができる。また、総還元剤量を算出する際の時間を短くすることができる。さらに、所定空燃比状態よりもリッチパージ制御が先にくることになるので、運転状態が急変して空燃比を低い状態に保てなくなった場合に生じる問題、例えばリッチパージ制御を実施できない、或いはリッチパージ制御の実施時間が短くなるという問題を回避することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図１０は第２実施形態に係る排ガス浄化装置の作動例を示すタイムチャートである。

第１実施形態では、リッチパージ制御の終了直後に連続して所定空燃比状態を設定したが、本実施形態のようにリッチパージ制御の直前に所定空燃比状態を設定してもよい。

すなわち、図１０に示すように、ＮＯｘ触媒３２の推定ＮＯｘ吸蔵量が所定値に達すると、時刻ｔ１において所定空燃比状態を設定して必要な情報を取得する。次いで、時刻ｔ２にてリッチ状態を作ってリッチパージ制御を開始して必要な情報を取得する。そして、ＮＯｘ触媒３２内に吸蔵されていたＮＯｘの還元が完了したと判断された時点（時刻ｔ３）で、リッチパージ制御を終了し、通常状態に復帰する。その後、取得した情報に基づいて所定の演算を行って、ＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｆｉｎを推定する。

（他の実施形態）
上記実施形態では、リッチパージ制御中に総還元剤量Ｑｌｎｔをリアルタイムに計算したが、リッチパージ制御が完了したあと、リッチパージ制御中の計測データをもとに総還元剤量Ｑｌｎｔを計算してもよい。

上記実施形態では、所定空燃比状態のときの空燃比を１５程度に設定したが、Ａ／Ｆセンサ３３、３４の出力が安定する領域が空燃比１４．２近傍からであるため、その空燃比は１４．２以上が望ましく、空燃比１４．５以上がさらに望ましい。

また、図１１に示すように、空燃比が１５以下の領域では内燃機関１のトルクはほぼ新気量できまり、空燃比が１７以上となるとトルクは噴射量できまる。空燃比が１５〜１７の間は遷移域でその中間の特性となる。そして、空燃比が１７のときには、空燃比が１５以下のときのトルクの９０％程度が得られる。また、空燃比が１６程度では、空燃比が１５以下のときと比較してトルクの低下量は小さい。したがって、所定空燃比状態に移行したときにトルクショックが生じてドライバーが違和感を感じることを防ぐためには、所定空燃比状態のときの空燃比は１７以下が望ましく、空燃比１６．０以下がさらに望ましい。

また、上記実施形態の排ガス浄化装置において、排気管３１のうち第１Ａ／Ｆセンサ３３よりも上流側に、酸化機能を有する酸化触媒を設けてもよい。この酸化触媒は、空燃比１４．５以上のときに燃料を酸素と反応させるため、未燃のＨＣ成分が消費される。これにより、空燃比１４．５以上の状態において第１Ａ／Ｆセンサ３３の精度がより高まり、本補正法の精度がより向上する。

本発明の第１実施形態に係る排ガス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ＮＯｘ触媒３２の劣化判定処理の流れを示す図である。 図２の総還元剤量算出処理の詳細を示す流れ図である。 図２は総還元剤量補正処理および実ＮＯｘ吸蔵量算出処理の詳細を示す流れ図である。 図２の各処理を実行中の作動例を示すタイムチャートである。 総還元剤量ＱｌｎｔとＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｆｉｎとの関係を示す図である。 真の空燃比に対するＡ／Ｆセンサの出力のばらつき度合いを示す図である。 総還元剤量ＱｌｎｔとＮＯｘ吸蔵量ＮＯＸｆｉｎの関係を示す図である。 指令噴射量と実噴射量の関係を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る排ガス浄化装置の作動例を示すタイムチャートである。 空燃比と内燃機関１のトルクの関係を示す図である。

符号の説明

１…内燃機関、１１…インジェクタ、２２…エアフロメータ（新気量検出手段）、３２…ＮＯｘ触媒、３３…Ａ／Ｆセンサ。

Claims (12)

1. 噴射量指令値に対応した量の燃料を圧縮着火式内燃機関（１）の気筒内に噴射するインジェクタ（１１）と、
   前記内燃機関（１）の排気系に設置され、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（３２）と、
   前記排気系において前記ＮＯｘ触媒（３２）の上流に設置されて空燃比を検出するＡ／Ｆセンサ（３３）と、
   前記内燃機関（１）に供給される新気量を検出する新気量検出手段（２２）と、
   空燃比がリッチになるように前記噴射量指令値を設定するリッチパージ制御を行って、還元用の燃料を前記ＮＯｘ触媒（３２）に供給させるリッチパージ制御手段（Ｓ１０１）と、
   前記Ａ／Ｆセンサ（３３）にて検出された前記リッチパージ制御中の空燃比と前記新気量検出手段（２２）にて検出された前記リッチパージ制御中の新気量とに基づいて、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総量である総還元剤量を算出する総還元剤量算出手段（Ｓ１０５、１０６）とを備える内燃機関用排ガス浄化装置において、
   前記リッチパージ制御中よりも精度よく空燃比を検出できる空燃比領域に空燃比が制御された所定空燃比状態を設定する状態設定手段（Ｓ２０１）と、
   前記リッチパージ制御中の噴射量指令値と前記所定空燃比状態での噴射量指令値との差である噴射量指令値差、および、前記Ａ／Ｆセンサ（３３）にて検出された前記所定空燃比状態での空燃比に基づいて、前記総還元剤量の値を補正する総還元剤量補正手段（Ｓ２０６〜２０９）とを備えることを特徴とする内燃機関用排ガス浄化装置。
2. 前記総還元剤量補正手段（Ｓ２０６〜２０９）は、前記噴射量指令値差および前記所定空燃比状態での空燃比に基づいて、前記リッチパージ制御中の還元用燃料の供給状態を推定して、前記総還元剤量の値を補正するための補正係数を算出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用排ガス浄化装置。
3. 前記総還元剤量算出手段（Ｓ１０５、１０６）は、前記リッチパージ制御中の所定期間内に還元用として消費された燃料の量である瞬時還元剤量を、前記リッチパージ制御中の空燃比と前記リッチパージ制御中の新気量とに基づいて算出した後に、この瞬時還元剤量を積算して前記総還元剤量を算出し、
   前記総還元剤量補正手段（Ｓ２０６〜２０９）は、前記リッチパージ制御中の所定期間内に還元用として消費された燃料の量である瞬時還元剤量を、前記噴射量指令値差および前記所定空燃比状態での空燃比に基づいて推定し、
   さらに、前記総還元剤量算出手段（Ｓ１０５、１０６）で算出した前記瞬時還元剤量を第１瞬時還元剤量とし、前記総還元剤量補正手段（Ｓ２０６〜２０９）で推定した前記瞬時還元剤量を第２瞬時還元剤量としたとき、
   前記総還元剤量補正手段（Ｓ２０６〜２０９）は、前記第１瞬時還元剤量よりも前記第２瞬時還元剤量が大きい場合は、前記総還元剤量の値が大きくなるように前記総還元剤量の値を補正するとともに、前記第１瞬時還元剤量よりも前記第２瞬時還元剤量が小さい場合は、前記総還元剤量の値が小さくなるように前記総還元剤量の値を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ガス浄化装置。
4. 前記第１瞬時還元剤量の値は、前記リッチパージ制御中に算出された複数の瞬時還元剤量の値の平均値であることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関用排ガス浄化装置。
5. 前記第１瞬時還元剤量の値は、前記リッチパージ制御中に算出された複数の瞬時還元剤量の値のうちの最大値であることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関用排ガス浄化装置。
6. 前記総還元剤量補正手段（Ｓ２０６〜２０９）は、前記リッチパージ制御の実施時間が所定時間以上の場合は、前記リッチパージ制御中に算出された複数の瞬時還元剤量の値の平均値を前記第１瞬時還元剤量の値とし、前記リッチパージ制御の実施時間が所定時間未満の場合は、前記リッチパージ制御中に算出された複数の瞬時還元剤量の値のうちの最大値を前記第１瞬時還元剤量の値とすることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関用排ガス浄化装置。
7. 前記所定空燃比状態は、前記リッチパージ制御と連続して設定されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の内燃機関用排ガス浄化装置。
8. 前記所定空燃比状態は、前記リッチパージ制御の直後に連続して設定されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の内燃機関用排ガス浄化装置。
9. 前記状態設定手段（Ｓ２０１）は、所定空燃比状態が設定されたときの空燃比を、１４．２〜１７．０に制御することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の内燃機関用排ガス浄化装置。
10. 前記状態設定手段（Ｓ２０１）は、所定空燃比状態が設定されたときの空燃比を、１４．５〜１６．０に制御することを特徴とする請求項９に記載の内燃機関用排ガス浄化装置。
11. 前記リッチパージ制御中の前記新気量と前記所定空燃比状態が設定されたときの前記新気量を等しくすることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の内燃機関用排ガス浄化装置。
12. 前記総還元剤量補正手段（Ｓ２０６〜２０９）にて補正された前記総還元剤量の値に基づいて、前記リッチパージ制御を開始する時点で前記ＮＯｘ触媒（３２）に吸蔵されていたＮＯｘの量を推定するＮＯｘ吸蔵量算出手段（Ｓ３０１）を備えることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の内燃機関用排ガス浄化装置。
    

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