JP4733002B2 - 内燃機関の排ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関から排出された排ガス中のＮＯｘを一時的に捕捉するとともに、捕捉されたＮＯｘを還元することによって、排ガスを浄化する内燃機関の排ガス浄化装置に関する。

従来の内燃機関の排ガス浄化装置として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。この内燃機関はディーゼルエンジンであり、その排気管には、主として低温時にＨＣおよびＣＯを浄化するための三元触媒と、ＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒が、上流側から順に設けられている。この排ガス浄化装置では、リーン運転時にエンジンから排出された排ガスは、三元触媒を通過した後、ＮＯｘ触媒に流入し、排ガス中のＮＯｘがＮＯｘ触媒によって一時的に捕捉される。また、捕捉されたＮＯｘ量が所定値に達したときに、エンジンに供給する混合気の空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に制御するリッチスパイクが実行される。このリッチスパイクにより、排ガス中の未燃燃料がＮＯｘ触媒に還元剤として供給されることで、ＮＯｘ触媒に捕捉されたＮＯｘが還元され、浄化される。さらに、ＮＯｘ触媒に供給された還元剤の量がリッチスパイクの開始時から積算され、その積算値が、捕捉されたＮＯｘ量に応じて設定されたしきい値を超えたときに、ＮＯｘの還元が完了したとして、リッチスパイクが終了される。

以上のように、この従来の排ガス浄化装置では、ＮＯｘ触媒に供給される還元剤量の積算が、リッチスパイクの開始直後から行われる。しかし、リッチスパイクの初期においては、その直前までにリーン運転が行われている関係から、比較的多量の酸素が、排ガス中に残留するとともに三元触媒に貯蔵されている。このため、排ガスが三元触媒を通過する際に、還元剤が上記の酸素によって酸化され、消費されるため、その分、ＮＯｘ触媒に実際に供給される還元剤量が少なくなる。したがって、ＮＯｘ触媒に供給された還元剤量の積算をリッチスパイクの開始直後から行った場合には、その積算値が実際よりも多めに算出されてしまう。その結果、実際にはＮＯｘの還元が完了せず、ＮＯｘ触媒にＮＯｘが残留した状態で、積算値がしきい値を超え、リッチスパイクが終了されるため、ＮＯｘの還元不足による排ガス特性の悪化を招く。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、上流側に触媒が設けられている場合でも、ＮＯｘ触媒に還元剤を過不足なく供給でき、それにより、排ガス特性を向上させることができる内燃機関の排ガス浄化装置を提供することを目的としている。

特開２００６−２０７４８７号公報

上記の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、内燃機関３から排気系（実施形態における（以下、本項において同じ）排気管５）に排出された排ガスを浄化する内燃機関の排ガス浄化装置１であって、排気系に設けられ、排ガスを浄化するための触媒（三元触媒１６）と、排気系の触媒よりも下流側に設けられ、酸化雰囲気下で排ガス中のＮＯｘを捕捉するとともに、還元雰囲気下で捕捉したＮＯｘを還元することによって浄化するＮＯｘ触媒１７と、排気系の触媒とＮＯｘ触媒１７の間に配置され、空燃比（第２実空燃比ＡＦ２ＡＣＴ）を検出する空燃比センサ（第２ＬＡＦセンサ３４）と、触媒の上流側に還元剤を供給し、ＮＯｘ触媒１７に流入する排ガスを、還元雰囲気に制御することにより、ＮＯｘ触媒１７にＮＯｘの還元動作を行わせるＮＯｘ還元制御手段（インジェクタ６、スロットル弁１２、ＥＣＵ２、図８のステップ３４、図９のステップ４２）と、ＮＯｘ還元制御手段による還元制御の終了時期を決定するために、ＮＯｘ触媒１７において浄化されたＮＯｘ量を表すＮＯｘ浄化量パラメータ（還元剤量積算値Ｓ＿ＱＤＡ）を算出するＮＯｘ浄化量パラメータ算出手段（ＥＣＵ２、図３のステップ９，１０）と、内燃機関３から排出された排ガスの流量（排ガス流量ＱＥＸ）を算出する排ガス流量算出手段（ＥＣＵ２、図５のステップ５３）と、算出された排ガスの流量に基づいて、検出された空燃比が所定の目標空燃比付近に収束している間にＮＯｘ触媒に流入した排ガスの総量を、排ガス総流入量（排ガス流量積算値Ｓ＿ＱＥＸ）として算出する排ガス総流入量算出手段（ＥＣＵ２、図５のステップ５４）と、ＮＯｘ浄化量パラメータ算出手段によるＮＯｘ浄化量パラメータの算出を、空燃比が目標空燃比付近に収束した後、算出された排ガス総流入量が所定の判定値（排ガス流量判定値Ｓ＿ＱＥＸＲＥＦ）以上になったときに開始させる算出開始手段（ＥＣＵ２、図５のステップ５２，５６）と、を備えていることを特徴とする。

この排ガス浄化装置によれば、内燃機関の排気系に触媒およびＮＯｘ触媒が上流側から順に設けられており、内燃機関から排出された排ガス中のＮＯｘは、酸化雰囲気下でＮＯｘ触媒に捕捉される。また、ＮＯｘ還元制御手段により、触媒の上流側に還元剤を供給し、ＮＯｘ触媒に流入する排ガスを還元雰囲気に制御することによって、ＮＯｘ触媒に捕捉されたＮＯｘが還元され、浄化される。また、還元制御の終了時期を決定するために、ＮＯｘ浄化量パラメータ算出手段により、ＮＯｘ触媒において浄化されたＮＯｘ量を表すＮＯｘ浄化量パラメータが算出される。このＮＯｘ浄化量パラメータの算出は、算出開始手段により、触媒とＮＯｘ触媒の間に配置された空燃比センサで検出された空燃比が、所定の目標空燃比付近に収束したときに開始される。

前述したように、ＮＯｘ触媒の上流側に触媒が設けられ、この触媒の上流側に還元剤が供給される場合、還元制御の開始直後には、供給された還元剤は、ＮＯｘ触媒に到達する前に触媒において消費され、ＮＯｘ触媒には供給されない。したがって、本発明では、触媒とＮＯｘ触媒の間に配置された空燃比センサで空燃比を検出し、この空燃比が所定の目標空燃比付近に収束したとき、すなわち、触媒における還元剤の消費がほぼ終了し、還元剤がＮＯｘ触媒に実際に供給され始めたときに、ＮＯｘ浄化量パラメータの算出を開始する。それにより、ＮＯｘ触媒において浄化されたＮＯｘ量をより正確に算出できるとともに、算出したＮＯｘ浄化量パラメータに基づいて、ＮＯｘ還元制御の終了時期を決定するので、ＮＯｘ触媒に還元剤を過不足なく供給することができる。その結果、捕捉されたＮＯｘの還元不足を防止でき、ＮＯｘを適切に還元し、浄化することができるので、排ガス特性を向上させることができる。

また、この構成によれば、内燃機関から排出された排ガスの流量が算出され、算出された排ガスの流量に基づいて、空燃比が目標空燃比付近に収束している間にＮＯｘ触媒に流入した排ガスの総量が排ガス総流入量として算出される。そして、ＮＯｘ浄化量パラメータの算出は、空燃比センサにより検出された空燃比が目標空燃比付近に収束した後、算出された排ガス総流入量が所定の判定値以上になったときに開始される。これにより、還元剤がＮＯｘ触媒に継続して供給されていることを確認した上で、ＮＯｘ浄化量パラメータの算出を開始できるので、より適切な量の還元剤をＮＯｘ触媒に供給することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態による排ガス浄化装置について説明する。図１は、本発明を適用した排ガス浄化装置１を、内燃機関３とともに示している。この内燃機関（以下「エンジン」という）３は、車両（図示せず）に搭載された、例えば４気筒（１つのみ図示）のディーゼルエンジンである。

エンジン３のピストン３ａとシリンダヘッド３ｂの間には、燃焼室３ｃが形成されている。シリンダヘッド３ｂには、吸気管４および排気管５（排気系）がそれぞれ接続されるとともに、燃料噴射弁（以下「インジェクタ」という）６（ＮＯｘ還元制御手段）が、燃焼室３ｃに臨むように取り付けられている。

インジェクタ６は、燃焼室３ｃの天壁中央部に配置されており、コモンレールを介して、高圧ポンプおよび燃料タンク（いずれも図示せず）に順に接続されている。インジェクタ６から噴射される燃料噴射量ＴＯＵＴは、その開弁時間をＥＣＵ２からの駆動信号で制御することによって、制御される（図２参照）。

また、エンジン３のクランクシャフト３ｄには、マグネットロータ３０ａが取り付けられており、このマグネットロータ３０ａとＭＲＥピックアップ３０ｂによって、クランク角センサ３０が構成されている。クランク角センサ３０は、クランクシャフト３ｄの回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ２に出力する。

ＣＲＫ信号は、所定のクランク角（例えば３０゜）ごとに出力される。ＥＣＵ２は、このＣＲＫ信号に基づき、エンジン３の回転数（以下「エンジン回転数」という）ＮＥを求める。ＴＤＣ信号は、各気筒のピストン３ａが吸気行程開始時のＴＤＣ（上死点）付近の所定クランク角度位置にあることを表す信号であり、４気筒タイプの本例では、クランク角１８０゜ごとに出力される。

吸気管４には、過給装置７が設けられている。過給装置７は、ターボチャージャで構成された過給機８と、これに連結されたアクチュエータ９と、ベーン開度制御弁１０を備えている。

過給機８は、吸気管４に設けられた回転自在のコンプレッサブレード８ａと、排気管５に設けられた回転自在のタービンブレード８ｂおよび複数の回動自在の可変ベーン８ｃ（２つのみ図示）と、これらのブレード８ａ，８ｂを一体に連結するシャフト８ｄとを有している。過給機８は、排気管５内の排ガスによりタービンブレード８ｂが回転駆動されるのに伴い、これと一体のコンプレッサブレード８ａが回転駆動されることによって、吸気管４内の吸入空気を加圧する過給動作を行う。

アクチュエータ９は、負圧によって作動するダイアフラム式のものであり、各可変ベーン８ｃに機械的に連結されている。アクチュエータ９には、負圧ポンプから負圧供給通路（いずれも図示せず）を介して負圧が供給され、この負圧供給通路の途中にベーン開度制御弁１０が設けられている。ベーン開度制御弁１０は、電磁弁で構成されており、その開度がＥＣＵ２からの駆動信号で制御されることにより、アクチュエータ９への供給負圧が変化し、それに伴い、可変ベーン８ｃの開度が変化することによって、過給圧が制御される。

吸気管４の過給機８よりも下流側には、上流側から順に、水冷式のインタークーラ１１およびスロットル弁１２（ＮＯｘ還元制御手段）が設けられている。インタークーラ１１は、過給装置７の過給動作により吸入空気の温度が上昇したときなどに、吸入空気を冷却するものである。スロットル弁１２には、例えば直流モータで構成されたアクチュエータ１２ａが接続されている。スロットル弁１２の開度（以下「スロットル弁開度」という）ＴＨは、アクチュエータ１２ａに供給される電流のデューティ比をＥＣＵ２で制御することによって、制御される。

また、吸気管４には、過給機８よりも上流側にエアフローセンサ３１が、インタークーラ１１とスロットル弁１２の間に過給圧センサ３２が、それぞれ設けられている。エアフローセンサ３１は吸入空気量ＱＡを検出し、過給圧センサ３２は吸気管４内の過給圧ＰＡＣＴを検出し、それらの検出信号はＥＣＵ２に出力される。

さらに、吸気管４の吸気マニホールド４ａは、その集合部から分岐部にわたって、スワール通路４ｂとバイパス通路４ｃに仕切られており、これらの通路４ｂ，４ｃはそれぞれ、吸気ポートを介して各燃焼室３ｃに連通している。

バイパス通路４ｃには、燃焼室３ｃ内にスワールを発生させるためのスワール装置１３が設けられている。スワール装置１３は、スワール弁１３ａと、これを開閉するアクチュエータ１３ｂと、スワール制御弁１３ｃを備えている。アクチュエータ１３ｂおよびスワール制御弁１３ｃはそれぞれ、過給装置７のアクチュエータ９およびベーン開度制御弁１０と同様に構成されており、スワール制御弁１３ｃは、前記負圧ポンプに接続されている。以上の構成により、スワール制御弁１３ｃの開度がＥＣＵ２からの駆動信号で制御されることにより、アクチュエータ１３ｂに供給される負圧が変化し、スワール弁１３ａの開度が変化することによって、スワールの強さが制御される。

また、エンジン３には、ＥＧＲ管１４ａおよびＥＧＲ制御弁１４ｂを有するＥＧＲ装置１４が設けられている。ＥＧＲ管１４ａは、吸気管４と排気管５の間に、具体的には、吸気マニホールド４ａの集合部のスワール通路４ｂと排気管５の過給機８よりも上流側とをつなぐように接続されている。このＥＧＲ管１４ａを介して、エンジン３の排ガスの一部が吸気管４にＥＧＲガスとして還流し、それにより、燃焼室３ｃ内の燃焼温度が低下することによって、排ガス中のＮＯｘが低減される。

ＥＧＲ制御弁１４ｂは、ＥＧＲ管１４ａに取り付けられたリニア電磁弁で構成されており、そのバルブリフト量ＶＬＡＣＴが、ＥＣＵ２からのデューティ制御された駆動信号でリニアに制御されることによって、ＥＧＲガス量が制御される。

また、排気管５の過給機８よりも下流側には、上流側から順に、三元触媒１６（触媒）およびＮＯｘ触媒１７が設けられている。三元触媒１６は、ストイキ雰囲気下において、排ガス中のＨＣおよびＣＯを酸化するとともに、ＮＯｘを還元することによって、排ガスを浄化する。ＮＯｘ触媒１７は、排ガス中の酸素濃度が高い酸化雰囲気下において、排ガス中のＮＯｘを捕捉（吸収）するとともに、排ガス中に還元剤が多く含まれる還元雰囲気下において、捕捉したＮＯｘを還元することによって、排ガスを浄化する。ＮＯｘ触媒１７には、その温度（以下「ＮＯｘ触媒温度」という）ＴＬＮＣを検出するＮＯｘ触媒温度センサ３６が設けられており、その検出信号はＥＣＵ２に出力される。

さらに、排気管５の三元触媒１６よりも上流側および下流側には、第１ＬＡＦセンサ３３および第２ＬＡＦセンサ３４がそれぞれ設けられている。第１および第２ＬＡＦセンサ３３，３４はそれぞれ、リッチ領域からリーン領域までの広範囲な空燃比の領域において、排ガス中の酸素濃度ＶＬＡＦ１，ＶＬＡＦ２をリニアに検出する。ＥＣＵ２は、検出されたこれらの酸素濃度ＶＬＡＦ１、ＶＬＡＦ２に対応する空燃比をそれぞれ表す第１および第２実空燃比ＡＦ１ＡＣＴ、ＡＦ２ＡＣＴを算出する。ＥＣＵ２にはさらに、アクセル開度センサ３５から、アクセルペダル（図示せず）の操作量（以下「アクセル開度」という）ＡＰを表す検出信号が出力される。

ＥＣＵ２は、本実施形態において、ＮＯｘ還元制御手段、還元剤量算出手段および算出開始手段を構成するものであり、Ｉ／Ｏインターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示せず）などからなるマイクロコンピュータで構成されている。前述した各種のセンサ３０〜３６からの検出信号はそれぞれ、Ｉ／ＯインターフェースでＡ／Ｄ変換や整形がなされた後、ＣＰＵに入力される。

ＣＰＵは、これらの入力信号に応じ、ＲＯＭに記憶された制御プログラムなどに従って、エンジン３の運転状態を判別するとともに、判別した運転状態に応じて、燃料噴射量制御および吸入空気量制御を含むエンジン３の制御を実行する。また、ＮＯｘ触媒１７に捕捉されたＮＯｘを還元するための還元制御として、リッチスパイクを実行すべきか否かを判定し、その判定結果に応じてリッチスパイクを実行する。なお、このリッチスパイクは、後述するように、燃料噴射量ＴＯＵＴを増大させるとともに吸入空気量ＱＡを減少させることにより、燃焼室３ｃに供給される混合気の空燃比をリッチ化し、燃料中の未燃成分を還元剤としてＮＯｘ触媒１７に供給することによって行われる。

図３は、このリッチスパイクの実行判定処理を示している。本処理は、所定の時間ごとに実行される。まず、ステップ１（「Ｓ１」と図示。以下同じ）では、リッチスパイクフラグＦ＿ＲＩＣＨが「１」であるか否かを判別する。このリッチスパイクフラグＦ＿ＲＩＣＨは、後述するように、リッチスパイクの実行条件が成立しているときに「１」にセットされるものである。

このステップ１の答がＮＯで、リッチスパイクの実行中でないときには、ステップ２において、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤに応じ、マップ（図示せず）を検索することによって、ＮＯｘ捕捉量ＱＮＯｘを求める。このＮＯｘ捕捉量ＱＮＯｘは、今回のサイクルにおいて、燃焼室３ｃから排出された排ガス中のＮＯｘ量に相当し、ＮＯｘ触媒１７に捕捉されたＮＯｘ量を表す。なお、要求トルクＰＭＣＭＤは、エンジン回転数ＮＥおよびアクセル開度ＡＰに応じ、マップ（図示せず）を検索することによって求められる。

次いで、ステップ３において、前回までのＮＯｘ捕捉量積算値Ｓ＿ＱＮＯｘに上記ステップ２で求めたＮＯｘ捕捉量ＱＮＯｘを加算することによって、今回までのＮＯｘ捕捉量積算値Ｓ＿ＱＮＯｘを求める。すなわち、ＮＯｘ捕捉量積算値Ｓ＿ＱＮＯｘは、ＮＯｘ触媒１７に捕捉されているＮＯｘ量に相当する。

次に、ステップ４において、ＮＯｘ捕捉量判定値Ｓ＿ＱＮＯｘＲＥＦを算出する。その具体的な処理内容については後述する。

次いで、ステップ５において、ＮＯｘ捕捉量積算値Ｓ＿ＱＮＯｘが、ＮＯｘ捕捉量判定値Ｓ＿ＱＮＯｘＲＥＦ以上であるか否かを判定する。この答がＮＯのときには、ＮＯｘ触媒１７に捕捉されているＮＯｘ量がまだ少ないため、リッチスパイクを実行すべきでないとして、そのまま本処理を終了する。一方、ステップ５の答がＹＥＳで、Ｓ＿ＱＮＯｘ≧Ｓ＿ＱＮＯｘＲＥＦのときには、リッチスパイクを実行すべきとして、リッチスパイクフラグＦ＿ＲＩＣＨを「１」にセットし（ステップ６）、リッチスパイクを開始する。

次に、ステップ７において、ＮＯｘ触媒温度ＴＬＮＣに応じ、ＡＦＣＭＤテーブルを検索することによって、目標空燃比ＡＦＣＭＤを求める。図７に示すように、このＡＦＣＭＤテーブルでは、ＮＯｘ触媒温度ＴＬＮＣが、第１所定温度Ｔ１（例えば２００℃）以下のとき、および第１所定温度Ｔ１よりも大きな第２所定温度Ｔ２（例えば４００℃）以上のときには、目標空燃比ＡＦＣＭＤは、理論空燃比に相当する値１４．７よりも若干小さな弱リッチの第１空燃比ＡＦ１（例えば１４．３）に設定されている。これは、上記の温度範囲では、ＮＯｘ触媒１７が十分な活性状態にないと推定されることから、主として三元触媒１６による還元制御を行うためである。一方、ＮＯｘ触媒温度ＴＬＮＣが第１および第２所定温度Ｔ１，Ｔ２の間にあるときには、ＮＯｘ触媒１７が十分な活性状態にあると推定されるので、ＮＯｘ触媒１７による還元制御を行うために、目標空燃比ＡＦＣＭＤは、よりリッチな第２空燃比ＡＦ２（例えば１４．０）に設定されている。

次いで、ステップ８において、還元剤量算出フラグＦ＿ＲＩＣＨＣＡＬが「１」であるか否かを判別する。この還元剤量算出フラグＦ＿ＲＩＣＨＣＡＬは、後述するように、ＮＯｘ触媒１７に供給された還元剤量の算出の条件が成立しているときに「１」にセットされるものである。このステップ８の答がＮＯで、還元剤量の算出の条件がまだ成立していないときには、ステップ１１に進み、還元剤量算出フラグＦ＿ＲＩＣＨＣＡＬの設定処理を実行した後、本処理を終了する。

図５は、この還元剤量算出フラグＦ＿ＲＩＣＨＣＡＬの設定処理を示している。この処理では、まず、ステップ５１において、第２ＬＡＦセンサ３４で検出された第２実空燃比ＡＦ２ＡＣＴを、目標空燃比ＡＦＣＭＤから減算することによって、空燃比偏差ＤＡＦを算出する。

次に、算出した空燃比偏差ＤＡＦの絶対値が、所定値α（例えば０．５）以下であるか否かを判別する（ステップ５２）。この答がＮＯで、ＤＡＦ＞αまたはＤＡＦ＜−αのときには、還元剤量算出フラグＦ＿ＲＩＣＨＣＡＬを「０」にセットし（ステップ５７）、本処理を終了する。

一方、上記ステップ５２の答がＹＥＳで、−α≦ＤＡＦ≦αのときには、第２実空燃比ＡＦ２ＡＣＴが、理論空燃比以下のリッチな目標空燃比ＡＦＣＭＤ付近の所定の範囲内に収束し、三元触媒１６における還元剤の消費がほぼ終了し、還元剤がＮＯｘ触媒１７に実際に供給され始めたものとして、ステップ５３に進み、排ガス流量ＱＥＸを算出する。この排ガス流量ＱＥＸは、エンジン回転数ＮＥおよび吸入空気量ＱＡに応じ、マップ（図示せず）を検索することにより算出される。

次いで、ステップ５４において、算出した排ガス流量ＱＥＸを、前回までの排ガス流量積算値Ｓ＿ＱＥＸに加算することによって、今回までの排ガス流量積算値Ｓ＿ＱＥＸを求める。以上の算出方法から明らかなように、排ガス流量積算値Ｓ＿ＱＥＸは、上記ステップ５２の答がＹＥＳとなり、第２実空燃比ＡＦ２ＡＣＴが所定の範囲内に収束した後、ＮＯｘ触媒１７に流入した排ガスの総量に相当する。

次に、ステップ５５において、算出した排ガス流量積算値Ｓ＿ＱＥＸが、所定の排ガス流量判定値Ｓ＿ＱＥＸＲＥＦ以上であるか否かを算出する。この答がＮＯのときには、前記ステップ５７を経て、本処理を終了する。一方、ステップ５５の答がＹＥＳのときには、第２実空燃比ＡＦ２ＡＣＴの収束後、還元剤がＮＯｘ触媒１７に継続して供給されており、ＮＯｘ触媒１７に供給される還元剤量の算出条件が成立したものとして、還元剤量算出フラグＦ＿ＲＩＣＨＣＡＬを「１」にセットし（ステップ５６）、本処理を終了する。

図３に戻り、上記のようにして還元剤量算出フラグＦ＿ＲＩＣＨＣＡＬが「１」にセットされると、前記ステップ８の答がＹＥＳになり、続くステップ９において、還元剤量ＱＤＡを算出する。この還元剤量ＱＤＡは、理論空燃比を表す１４．７から第２実空燃比ＡＦ２ＡＣＴを減算した値に、排ガスの流量に相当する吸入空気量ＱＡを乗算することにより求められる。なお、吸入空気量ＱＡに代えて、排ガスの空間速度を用いてもよい。

次いで、ステップ１０において、上記ステップ７で求めた還元剤量ＱＤＡを、前回までの還元剤量積算値Ｓ＿ＱＤＡに加算することによって、今回までの還元剤量積算値Ｓ＿ＱＤＡを算出し、本処理を終了する。この還元剤量積算値Ｓ＿ＱＤＡは、リッチスパイクの実行により、ＮＯｘ触媒１７に実際に供給された還元剤の総量を表すものであり、ＮＯｘ触媒１７において還元されたＮＯｘ量に相当する。

一方、前記ステップ１の答がＹＥＳで、リッチスパイクの実行中のときには、還元剤量積算値Ｓ＿ＱＤＡが、還元剤量判定値Ｓ＿ＱＤＡＲＥＦよりも大きいか否かを判定する（ステップ１２）。この還元剤量判定値Ｓ＿ＱＤＡＲＥＦは、ＮＯｘ触媒１７に捕捉されたＮＯｘを還元するのに必要な還元剤量に相当するものであり、前記ステップ４において決定されたＮＯｘ捕捉量判定値Ｓ＿ＱＮＯｘＲＥＦに応じて設定される。

この答がＮＯで、Ｓ＿ＱＤＡ≦Ｓ＿ＱＤＡＲＥＦのときには、必要量の還元剤がＮＯｘ触媒１７にまだ供給されておらず、ＮＯｘの還元が完了していないとして、前記ステップ７以降を実行し、リッチスパイクを継続するとともに、還元剤量積算値Ｓ＿ＱＤＡを算出し、本処理を終了する。

一方、ステップ１２の答がＹＥＳで、Ｓ＿ＱＤＡ＞Ｓ＿ＱＤＡＲＥＦのときには、必要量の還元剤がＮＯｘ触媒１７に供給され、ＮＯｘの還元が完了したとして、リッチスパイクフラグＦ＿ＲＩＣＨを「０」にリセットし（ステップ１３）、リッチスパイクを終了する。次に、還元剤量算出フラグＦ＿ＲＩＣＨＣＡＬを「０」にリセットする（ステップ１４）とともに、ＮＯｘ捕捉量積算値Ｓ＿ＱＮＯｘ、還元剤量積算値Ｓ＿ＱＤＡ、および排ガス流量積算値Ｓ＿ＱＥＸを、それぞれ値０にリセットし（ステップ１５〜１７）、本処理を終了する。

以上のように、本処理では、第２ＬＡＦセンサ３４により検出された第２実空燃比ＡＦ２ＡＣＴと、理論空燃比以下のリッチな目標空燃比ＡＦＣＭＤとの差である空燃比偏差ＤＡＦが所定の範囲内に収束し、還元剤がＮＯｘ触媒１７に実際に供給され始めたときに、還元剤量積算値Ｓ＿ＱＤＡの算出を開始する。それにより、ＮＯｘ触媒１７に実際に供給された還元剤量をより正確に算出するとともに、還元剤量積算値Ｓ＿ＱＤＡが還元剤量判定値Ｓ＿ＱＤＡＲＥＦを超えたときに、捕捉されたＮＯｘ量に応じて、ＮＯｘ触媒１７に還元剤を過不足なく供給することができる。その結果、捕捉されたＮＯｘの還元不足を防止でき、ＮＯｘを適切に還元し、浄化することができるので、排ガス特性を向上させることができる。

また、ＮＯｘ触媒に供給される還元剤量の算出を、第２実空燃比ＡＦ２ＡＣＴの収束後、排ガス流量積算値Ｓ＿ＱＥＸが排ガス流量判定値Ｓ＿ＱＥＸＲＥＦ以上になったときに開始するので、還元剤がＮＯｘ触媒１７に継続して供給されていることを確認した上で、還元剤量積算値Ｓ＿ＱＤＡの算出を開始することができる。それにより、捕捉されたＮＯｘ量に応じて、より適切な量の還元剤をＮＯｘ触媒１７に供給することができる。

また、リッチスパイクの開始直後における三元触媒１６での還元剤の消費量が、三元触媒１６の劣化などにより低下したとしても、その消費量の低下に応じて、第２目標空燃比ＡＦ２ＡＣＴの目標空燃比ＡＦＣＭＤ付近への収束時間が短縮されるので、三元触媒１６の劣化状態にかかわらず、還元剤量の算出を適切なタイミングで開始することができる。

図４は、図３のステップ４で実行されるＮＯｘ捕捉量判定値Ｓ＿ＱＮＯｘＲＥＦの算出処理を示している。本処理では、ＮＯｘスリップ（ＮＯｘの還元制御中に、ＮＯｘ触媒に捕捉されたＮＯｘの一部が、還元されることなくＮＯｘ触媒から脱離する現象）に影響を及ぼすパラメータとその特性を加味して、ＮＯｘ捕捉量判定値Ｓ＿ＱＮＯｘＲＥＦが算出される。

まず、ステップ２０において、ＮＯｘ捕捉量積算値Ｓ＿ＱＮＯｘに応じて、Ｋ１テーブルを検索することにより、第１係数Ｋ１を求める。このＫ１テーブルでは、第１係数Ｋ１は、ＮＯｘ捕捉量積算値Ｓ＿ＱＮＯｘに応じたＮＯｘスリップ量の特性に基づき、ＮＯｘ捕捉量積算値Ｓ＿ＱＮＯｘが大きいほど、より大きな値に設定されている。

次いで、ステップ２１において、ＮＯｘ触媒温度ＴＬＮＣに応じて、Ｋ２テーブルを検索することにより、第２係数Ｋ２を求める。このＫ２テーブルでは、第２係数Ｋ２は、ＮＯｘ触媒温度ＴＬＮＣに応じたＮＯｘスリップ量の特性に基づき、ＮＯｘ触媒温度ＴＬＮＣが高いほどより小さな値に設定されている。

次に、ステップ２２において、排ガスの空間速度ＳＶに応じて、Ｋ３テーブルを検索することにより、第３係数Ｋ３を求める。このＫ３デーブルでは、第３係数Ｋ３は、空間速度ＳＶに応じたＮＯｘスリップ量の特性に基づき、空間速度ＳＶが大きいほど、より大きな値に設定されている。

次いで、ステップ２３において、前記ステップ２０〜２２で求めた第１〜第３係数Ｋ１〜Ｋ３を互いに乗算することにより、スリップ係数ＫＳＬＩＰを算出する。続くステップ２４において、スリップ係数ＫＳＬＩＰに応じて、図６に示すＳ＿ＱＮＯｘＲＥＦテーブルを検索することにより、ＮＯｘ捕捉量判定値Ｓ＿ＱＮＯｘＲＥＦを求め、本処理を終了する。

このＳ＿ＱＮＯｘＲＥＦテーブルでは、ＮＯｘ捕捉量判定値Ｓ＿ＱＮＯｘＲＥＦは、スリップ係数ＫＳＬＩＰが、第１所定値ＫＳ１以下のときには第１判定値ＳＱ１に、第２所定値ＫＳ２以上のときには第１判定値ＳＱ１よりも小さな第２判定値ＳＱ２に、それぞれ設定されている。また、スリップ係数ＫＳＬＩＰが第１および第２所定値ＫＳ１，ＫＳ２の間にあるときには、ＮＯｘ捕捉量判定値Ｓ＿ＱＮＯｘＲＥＦは、第１および第２判定値Ｑ１，Ｑ２の間でリニアに変化するように設定されている。

以上のように、ＮＯｘ捕捉量判定値Ｓ＿ＱＮＯｘＲＥＦは、基本的に、スリップ係数ＫＳＬＩＰが大きいほど、すなわち、推定されたＮＯｘスリップ量が大きいほど、小さな値に設定される。そして、そのように設定したＮＯｘ捕捉量判定値Ｓ＿ＱＮＯｘＲＥＦが、図３のステップ５において、ＮＯｘ捕捉量積算値Ｓ＿ＱＮＯｘと比較される結果、リッチスパイクの実行タイミングが、予測されるＮＯｘスリップ量が大きいほど早められる。

図８は、燃料噴射量の制御処理を示している。本処理では、図３の処理で判定されたリッチスパイクの実行条件の成否に応じて、インジェクタ６の燃料噴射量ＴＯＵＴを制御する。まず、ステップ３０において、リッチスパイクフラグＦ＿ＲＩＣＨが「１」であるか否かを判別する。

この答がＮＯで、リッチスパイクの実行条件が成立していないときには、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤに応じて、マップ（図示せず）を検索することにより、通常運転時用の燃料噴射量ＴＯＵＴＮを算出する（ステップ３１）とともに、算出した通常運転時用の燃料噴射量ＴＯＵＴＮを、燃料噴射量ＴＯＵＴとして設定し（ステップ３２）、本処理を終了する。

一方、前記ステップ３０の答がＹＥＳで、リッチスパイクの実行条件が成立しているときには、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤに応じて、マップ（図示せず）を検索することにより、リッチスパイク時用の燃料噴射量ＴＯＵＴＲＩＣＨを求める（ステップ３３）。このリッチスパイク時用の燃料噴射量ＴＯＵＴＲＩＣＨは、通常時用の燃料噴射量ＴＯＵＴＮよりも大きな値に設定されている。

次に、ステップ３４において、ステップ３３で求めたリッチスパイク時用の燃料噴射量ＴＯＵＴＲＩＣＨを、燃料噴射量ＴＯＵＴとして設定し、本処理を終了する。

図９は、吸入空気量の制御処理を示している。本処理では、リッチスパイクの実行条件の成否に応じて、スロットル弁開度ＴＨを制御することによって、吸入空気量ＱＡを制御する。まず、ステップ４０において、リッチスパイクフラグＦ＿ＲＩＣＨが「１」であるか否かを判別する。

この答がＮＯで、リッチスパイクの実行条件が成立していないときには、目標スロットル弁開度ＴＨＣＭＤを全開開度ＴＨＷＯＴに設定し（ステップ４１）、本処理を終了する。

一方、前記ステップ４０の答がＹＥＳで、リッチスパイクの実行条件が成立しているときには、図３のステップ７で求めた目標空燃比ＡＦＣＭＤと第１実空燃比ＡＦ１ＡＣＴとの偏差に応じて、リッチスパイク時用のスロットル弁開度ＴＨを決定し（ステップ４２）、本処理を終了する。

以上のように、リッチスパイクは、通常運転時よりも、燃料噴射量ＴＯＵＴを増大させるとともに、スロットル弁１２の制御により吸入空気量ＱＡを減少させることによって、行われる。なお、吸入空気量ＱＡの制御を、上記のようなスロットル弁１２の制御に代えて、または、それとともに過給装置７、スワール装置１２やＥＧＲ装置１４を制御することによって行ってもよい。

図１０は、上述した制御によって得られる動作例を示すタイミングチャートである。同図に示すように、タイミングｔ１以前の通常の運転状態においては、第１および第２実空燃比ＡＦ１ＡＣＴ、ＡＦ２ＡＣＴは互いに同じ値になっている。

タイミングｔ１において、リッチスパイクの実行条件が成立すると、リッチスパイクフラグＦ＿ＲＩＣＨが「１」にセットされ、リッチスパイクが開始されることによって、空燃比が理論空燃比よりもリッチな目標空燃比ＡＦＣＭＤに制御される。これに伴い、三元触媒１６の上流側の第１実空燃比ＡＦ１ＡＣＴは急に低下し、タイミングｔ２において、目標空燃比ＡＦＣＭＤ付近（ＡＦＣＭＤ＋α）に収束する。これに対し、第２実空燃比ＡＦ２ＡＣＴは、リッチスパイクの初期においては、三元触媒１６で還元剤が消費される結果、第１実空燃比ＡＦ１ＡＣＴよりも遅れて低下し、タイミングｔ３において、目標空燃比ＡＦＣＭＤ付近に収束する。

このように、第２実空燃比ＡＦ２ＡＣＴが収束すると（ステップ５２：ＹＥＳ）、排ガス流量積算値Ｓ＿ＱＥＸの算出が開始される。そして、算出した排ガス流量積算値Ｓ＿ＱＥＸが排ガス流量判定値Ｓ＿ＱＥＸＲＥＦに達したときに、（ｔ４）、還元剤量算出の条件が成立することにより、還元剤量算出フラグＦ＿ＲＩＣＨＣＡＬが「１」にセットされ、還元剤量積算値Ｓ＿ＱＤＡの算出が開始される（ステップ９，１０）。

そして、ＮＯｘ触媒１７に必要量の還元剤が供給され、還元剤量積算値Ｓ＿ＱＤＡが還元剤量判定値Ｓ＿ＱＤＡＲＥＦに達すると（ステップ１２：ＹＥＳ）、タイミングｔ５においてリッチスパイクが終了され、還元剤量積算値Ｓ＿ＱＤＡ、リッチスパイクフラグＦ＿ＲＩＣＨ、および還元剤量算出フラグＦ＿ＲＩＣＨＣＡＬなどがリセットされる。その後、空燃比がよりリーンな通常運転に復帰する。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、還元剤量算出の開始時期を、第２実空燃比ＡＦ２ＡＣＴが目標空燃比ＡＦＣＭＤ付近に収束したタイミングに設定しているが、これに限定されることなく、例えば、第１実空燃比ＡＦ１ＡＣＴと第２実空燃比ＡＦ２ＡＣＴとの差が所定の範囲内に収束したタイミングに設定してもよい。

また、実施形態では、浄化されたＮＯｘ量を表すＮＯｘ浄化量パラメータとして、還元剤量積算値Ｓ＿ＱＮＯｘＱＤＡを用いているが、他の適当なパラメータを用いてもよい。例えば、ＮＯｘ触媒１７においてＮＯｘの還元に実際に消費された還元剤量を算出し、これをＮＯｘ浄化量パラメータとして用いてもよい。また、ＮＯｘ浄化量を直接、推定して用いてもよい。

また、実施形態では、リッチスパイク時における還元剤の供給を、インジェクタ６により燃料噴射量を増量することにより行っているが、例えば、排気管５の排気ポートにもインジェクタを設け、排ガス中に還元剤を直接、供給してもよい。また、実施形態では、第２実空燃比ＡＦ２ＡＣＴの収束後、還元剤量の算出を開始するまでの所定期間として、排ガス流量積算値Ｓ＿ＱＥＸが排ガス流量判定値Ｓ＿ＱＥＸＲＥＦに達するまでの期間を用いているが、例えば、所定の待ち時間を設定し、この待ち時間をタイマなどでカウントしてもよい。

さらに、本発明は、車両に搭載されたディーゼルエンジンに限らず、リーンバーンエンジンなどのガソリンエンジンにも適用することができる。また、本発明は、クランク軸が鉛直方向に配置された船外機などのような船舶推進機用エンジンを含む、様々な産業用の内燃機関に適用できることはもちろんである。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。

本発明の排ガス浄化装置およびこれを適用した内燃機関の概略構成を示す図である。 排ガス浄化装置の一部を示す図である。 リッチスパイクの実行判定処理を示すフローチャートである。 Ｓ＿ＱＮＯｘＲＥＦ算出処理を示すフローチャートである。 Ｆ＿ＲＩＣＨＣＡＬ設定処理を示すフローチャートである。 図４の処理で用いられるＳ＿ＱＮＯｘＲＥＦテーブルの一例を示す図である。 図３の処理で用いられるＡＦＣＭＤテーブルの一例を示す図である。 燃料噴射量制御処理を示すフローチャートである。 吸入空気量制御処理を示すフローチャートである。 実施形態のリッチスパイク制御によって得られる動作例を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１ 排ガス浄化装置
２ ＥＣＵ（ＮＯｘ還元制御手段、ＮＯｘ浄化量パラメータ算出手段、
排ガス流量算出手段、排ガス総流入量算出手段、算出開始手段）
３ エンジン
５ 排気管（排気系）
６ インジェクタ（ＮＯｘ還元制御手段）
１２ 吸気弁（ＮＯｘ還元制御手段）
１６ 三元触媒（触媒）
１７ ＮＯｘ触媒
３４ 第２ＬＡＦセンサ（空燃比センサ）
ＡＦ２ＡＣＴ 第２実空燃比（空燃比）
ＡＦＣＭＤ 目標空燃比
Ｓ＿ＱＤＡ 還元剤量積算値（ＮＯｘ浄化量パラメータ）
ＱＥＸ 排ガス流量（排ガスの流量）
Ｓ＿ＱＥＸ 排ガス流量積算値（排ガス総流入量）
Ｓ＿ＱＥＸＲＥＦ 排ガス流量判定値（判定値）

Claims (1)

1. 内燃機関から排気系に排出された排ガスを浄化する内燃機関の排ガス浄化装置であって、
   前記排気系に設けられ、排ガスを浄化するための触媒と、
   前記排気系の前記触媒よりも下流側に設けられ、酸化雰囲気下で排ガス中のＮＯｘを捕捉するとともに、還元雰囲気下で当該捕捉したＮＯｘを還元することによって浄化するＮＯｘ触媒と、
   前記排気系の前記触媒と前記ＮＯｘ触媒の間に配置され、空燃比を検出する空燃比センサと、
   前記触媒の上流側に還元剤を供給し、前記ＮＯｘ触媒に流入する排ガスを、還元雰囲気に制御することにより、前記ＮＯｘ触媒にＮＯｘの還元動作を行わせるＮＯｘ還元制御手段と、
   当該ＮＯｘ還元制御手段による還元制御の終了時期を決定するために、前記ＮＯｘ触媒において浄化されたＮＯｘ量を表すＮＯｘ浄化量パラメータを算出するＮＯｘ浄化量パラメータ算出手段と、
   前記内燃機関から排出された排ガスの流量を算出する排ガス流量算出手段と、
   当該算出された排ガスの流量に基づいて、前記検出された空燃比が所定の目標空燃比付近に収束している間に前記ＮＯｘ触媒に流入した排ガスの総量を、排ガス総流入量として算出する排ガス総流入量算出手段と、
   前記ＮＯｘ浄化量パラメータ算出手段によるＮＯｘ浄化量パラメータの算出を、前記空燃比が前記目標空燃比付近に収束した後、前記算出された排ガス総流入量が所定の判定値以上になったときに開始させる算出開始手段と、
   を備えていることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。

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