JP4997177B2 - 内燃機関の排ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気通路に上流側から順に設けられた三元触媒およびＮＯｘ触媒によって、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に記載されたものが知られている。この内燃機関の排気通路には、その上流側から順に、ＮＯｘ触媒および三元触媒が設けられている。この排ガス浄化装置では、内燃機関の出力を調整するための出力操作装置の操作速度、例えばスロットル弁の開弁速度がしきい値を超えたときに、内燃機関が加速運転状態にあると判定される。そして、加速運転状態と判定されたときには、加速要求に応じた出力を確保するために、内燃機関の運転モードが、リーン運転からストイキ運転またはリッチ運転に切り換えられる。

以上のように、この従来の排ガス浄化装置では、スロットル弁の開弁速度をパラメータとして、内燃機関が加速運転状態と判定されたときに、内燃機関の運転モードをリーン運転からストイキ運転またはリッチ運転に切り換えるにすぎない。一方、加速運転のような過渡運転状態では、スロットル弁の開度が変化しても、それに対応した吸気量が得られるまでに、必ず遅れを伴う。

このため、スロットル弁の開弁速度が、しきい値を超えた後、比較的早くしきい値以下に低下するような場合には、吸気量が不足した状態でリーン運転が行われることがあり、その場合には、吸気の熱容量が不足することにより燃焼温度が上昇することによって、内燃機関からのＮＯｘの排出量が一時的に増大するおそれがある。また、この排ガス浄化装置では、ＮＯｘ触媒が三元触媒よりも上流側に配置されているので、上記のようにＮＯｘ排出量が増大すると、多量のＮＯｘがそのままＮＯｘ触媒に捕捉されるため、ＮＯｘ触媒が飽和状態になりやすい。その結果、このＮＯｘ触媒の飽和状態を解消するためのリッチ運転を頻繁に行わなければならず、燃費が著しく悪化してしまう。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、内燃機関の加速運転状態において、運転モードを適切なタイミングで切り換えることにより、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ捕捉量を低減できるとともに、燃費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する。

特許第２９７９９５６号公報

この目的を達成するため、本願の請求項１に係る発明は、内燃機関３の気筒３ａから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、排気通路１１に設けられ、排ガスを浄化する三元触媒１２と、排気通路１１の三元触媒１２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、捕捉したＮＯｘを還元雰囲気下で放出するＮＯｘ触媒１３と、気筒３ａに吸入される吸気量を表す吸気量パラメータ（実施形態における（以下、本項において同じ）吸気量ＱＡ）を取得する吸気量パラメータ取得手段（エアフローセンサ２１）と、吸気量パラメータの目標となる目標吸気量パラメータ（目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤ）を設定する目標吸気量パラメータ設定手段（ＥＣＵ２）と、排気通路１１から吸気通路６に還流する排ガスの還流量を表すＥＧＲ量パラメータ（ＥＧＲ量ＱＥＧＲ）を取得するＥＧＲ量パラメータ取得手段（エアフローセンサ２１、ＥＧＲ弁開度センサ２３、ＥＣＵ２）と、ＥＧＲ量パラメータの目標となる目標ＥＧＲ量パラメータ（目標ＥＧＲ量ＱＥＧＲ＿ＣＭＤ）を設定する目標ＥＧＲ量パラメータ設定手段（ＥＣＵ２）と、内燃機関３の運転モードを、気筒３ａ内で燃焼する混合気の空燃比を、理論空燃比よりもリーン側に制御するリーン運転、理論空燃比に制御するストイキ運転、または理論空燃比よりもリッチ側に制御するリッチ運転のいずれかに設定する運転モード設定手段（ＥＣＵ２、ステップ１２、１８、２０）と、内燃機関３が加速運転状態にあるか否かを判定する加速運転判定手段（ＥＣＵ２、図３）と、を備え、運転モード設定手段は、加速運転判定手段により内燃機関３が加速運転状態にあると判定されている場合において、設定された目標吸気量パラメータと取得された吸気量パラメータとの第１偏差（ＱＡ＿ＣＭＤ−ＱＡ）が第１しきい値ＤＲＥＦ１よりも大きいとき（ステップ１３）、および／または、設定された目標ＥＧＲ量パラメータと取得されたＥＧＲ量パラメータとの第２偏差（ＱＥＧＲ＿ＣＭＤ−ＱＥＧＲ）が第２しきい値ＤＲＥＦ２よりも大きいときに（ステップ１４）、運転モードをストイキ運転またはリッチ運転に設定し、第１偏差が第１しきい値ＤＲＥＦ１以下のとき、および／または、第２偏差が第２しきい値ＤＲＥＦ２以下のときに、運転モードをリーン運転に設定することを特徴とする。

この内燃機関の排ガス浄化装置によれば、排気通路に、上流側から順に、三元触媒およびＮＯｘ触媒が設けられている。また、気筒に吸入される吸気量を表す吸気量パラメータが取得され、その目標となる目標吸気量パラメータが設定されるとともに、排気通路から吸気通路に還流する排ガスの還流量を表すＥＧＲ量パラメータが取得され、その目標となるＥＧＲ量パラメータが設定される。さらに、内燃機関が加速運転状態にあるか否かが、加速運転判定手段によって判定される。

内燃機関の加速運転状態では、より大きな出力トルクを確保するために、目標吸気量が増大側に設定されるとともに、実際の吸気量がこの目標吸気量になるように、例えばスロットル弁の開度や過給機による過給圧が増大側に制御される。しかし、スロットル弁による場合には、その開度が変化しても、変化した開度に応じた吸気量が得られるまでに遅れを伴い、特に過給機による場合には、過給圧が立ち上がるまでに時間を要するため、大きな遅れが生じやすい。このため、加速運転状態では、吸気量が不足がちになる。また、この加速運転に伴い、目標ＥＧＲ量を増大側に設定する場合、ＥＧＲガスが排気通路から比較的長い還流経路を介して吸気通路に導入されるため、ＥＧＲ量が目標ＥＧＲ量に達するまでに遅れを伴い、ＥＧＲ量もまた不足がちになる。このため、このような状況において仮にリーン運転を実施した場合には、吸気量の不足により、吸気の熱容量が不足することで、吸気による燃焼温度の抑制効果が十分に得られず、あるいは、ＥＧＲ量が不足することで、ＥＧＲによる燃焼温度の抑制効果が十分に得られないため、燃焼温度が上昇することによって、ＮＯｘの排出量が一時的に増大してしまう。

本発明によれば、内燃機関が加速運転状態にあると判定されている場合において、目標吸気量パラメータと吸気量パラメータとの第１偏差が第１しきい値よりも大きいとき、および／または、目標ＥＧＲ量パラメータとＥＧＲ量パラメータとの第２偏差が第２しきい値よりも大きいとき、すなわち、実際の吸気量および／またはＥＧＲ量がそれらの目標値に達していないとみなされるときには、運転モードがストイキ運転またはリッチ運転に設定される。

このような運転モードの設定により、加速運転状態においてリーン運転を実施した場合のＮＯｘ排出量の一時的な増大を回避し、ＮＯｘ排出量を低減できるとともに、排出されたＮＯｘを、ストイキ雰囲気下または還元雰囲気下で、上流側の三元触媒によって高い浄化率で浄化できる。特に、冷間始動時の場合には、ＮＯｘ触媒よりも内燃機関に近い三元触媒の方が昇温しやすく、より早く活性化されるので、三元触媒でＮＯｘの浄化を有効に行うことができる。以上により、下流側のＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ捕捉量を大幅に低減することができる。また、運転モードをリッチ運転に設定した場合には、このリッチ運転時に未燃燃料が供給されることにより、排ガス中のＣＯなどの還元成分によって、ＮＯｘ触媒に捕捉されたＮＯｘを還元し、放出させることが可能である。

その結果、ＮＯｘ触媒に捕捉されたＮＯｘを還元すべく、ＮＯｘ触媒に未燃燃料を供給するためのリッチ運転の実行回数を低減でき、それにより、燃料の消費量を低減することによって、燃費を向上させることができる。あるいは、ＮＯｘ触媒のＮＯｘの還元を、尿素などの供給によって行う場合には、尿素などの消費量を低減することができる。

一方、加速運転状態であっても、第１偏差が第１しきい値以下のとき、および／または、第２偏差が第２しきい値以下のとき、すなわち、実際の吸気量および／またはＥＧＲ量がそれらの目標値に達したとみなされるときには、運転モードをリーン運転に設定する。このように、加速運転状態でも、十分な吸気量および／またはＥＧＲ量が確保されているときには、運転モードがリーン運転に設定されるので、吸気およびＥＧＲによる燃焼温度の抑制効果を十分に発揮させながら、ＮＯｘ排出量を増大させることなく、燃費のさらなる向上を図ることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置において、空燃比を表す空燃比パラメータ（空燃比ＡＦ）を検出する空燃比パラメータ検出手段（ＬＡＦセンサ２６）と、空燃比パラメータの目標となる目標空燃比パラメータ（目標空燃比ＡＦ＿ＣＭＤ）を設定する目標空燃比パラメータ設定手段（ＥＣＵ２）と、をさらに備え、運転モード設定手段は、内燃機関３が加速運転状態にあると判定されている場合において、設定された目標空燃比パラメータと検出された空燃比パラメータとの第３偏差（ＡＦ＿ＣＭＤ−ＡＦ）が第３しきい値ＤＲＥＦ３よりも大きいときに（ステップ１５）、運転モードをストイキ運転またはリッチ運転に設定することを特徴とする。

この構成によれば、加速運転状態と判定されている場合、目標空燃比パラメータと検出された空燃比パラメータとの第３偏差が第３しきい値よりも大きいとき、すなわち、実際の空燃比が目標空燃比に達していないとみなされるときに、運転モードがストイキ運転またはリッチ運転に設定される。一般に、空燃比を定める空気（吸気）および燃料のうち、燃料は、燃料噴射弁から遅れなく供給されるのに対し、吸気は、前述した理由から遅れを伴って供給される。また、ＥＧＲガスの導入が遅れると、目標空燃比への空燃比の収束は遅くなる。このため、目標空燃比に対する空燃比の乖離度合は、吸気やＥＧＲガスの供給遅れの度合を良好に反映する。したがって、上記第３偏差が第３しきい値よりも大きいときに、運転モードをストイキ運転またはリッチ運転に設定することによって、請求項１による前述した作用をより良好に得ることができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の内燃機関の排ガス浄化装置において、三元触媒１２の活性状態を判定する活性状態判定手段（三元触媒温度センサ２４、ＥＣＵ２、ステップ１６）をさらに備え、運転モード設定手段は、三元触媒１２が活性状態にないと判定されているときに、運転モードをリーン運転に設定することを特徴とする。

三元触媒が活性していない状態では、加速運転状態においてストイキ運転またはリッチ運転を実施しても、三元触媒によるＮＯｘの浄化を良好に行えない。本発明によれば、三元触媒が活性状態にないと判定されているときに、ストイキ運転またはリッチ運転を実施せず、運転モードをリーン運転に設定するので、燃費を向上させることができる。

請求項４に係る発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関の排ガス浄化装置において、内燃機関３には、気筒３ａに吸入される吸気を過給する過給機（ターボチャージャ７）が設けられており、過給機による過給圧ＰＳＣを検出する過給圧検出手段（過給圧センサ２２）と、過給圧ＰＳＣの目標となる目標過給圧ＰＳＣ＿ＣＭＤを設定する目標過給圧設定手段（ＥＣＵ２）と、をさらに備え、加速運転判定手段は、目標過給圧設定手段により目標過給圧ＰＳＣ＿ＣＭＤがその前回値ＰＳＣ＿ＣＭＤＺに対して所定値ＲＴＲＮＳ１を上回る比率で変更された後、検出された過給圧ＰＳＣが目標過給圧ＰＳＣ＿ＣＭＤに達していない状態を、加速運転状態と判定すること（ステップ２、６）を特徴とする。

この構成によれば、内燃機関に過給機が設けられており、目標過給圧がその前回値に対して所定値を上回る比率で変更された後、検出された過給圧が変更された目標過給圧に達していない状態が、加速運転状態と判定される。過給機を有する内燃機関では、加速運転状態において、過給機の立ち上がりに時間を要することなどによって過給遅れが生じやすく、その場合には、吸気量が大きく不足するため、リーン運転を実施すると、ＮＯｘ排出量が大きく増大しやすい。本発明では、上述したように、目標過給圧と検出された過給圧との関係から加速運転状態を判定するので、実際の過給遅れを反映させながら、加速運転状態の判定とその判定結果に基づく運転モードの設定を適切に行うことができ、請求項１などによる前述した作用を特に効果的に得ることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排ガス浄化装置について説明する。図１は、本実施形態の排ガス浄化装置１およびこれを適用した内燃機関（以下「エンジン」という）３を示している。図２に示すように、この排ガス浄化装置１は、エンジン３の運転状態を表す運転パラメータに応じて、エンジン３の各種の制御処理を実行するＥＣＵ２を備えている。

エンジン３は、車両（図示せず）に搭載された直列４気筒型のディーゼルエンジンであり、４組の気筒３ａおよびピストン３ｂ（１組のみ図示）と、クランクシャフト３ｃなどを備えている。このエンジン３には、クランク角センサ２０が設けられている。このクランク角センサ２０は、マグネットロータおよびＭＲＥピックアップで構成されており、クランクシャフト３ｃ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を算出する。また、ＴＤＣ信号は、各気筒３ａのピストン３ｂが吸気行程のＴＤＣ位置よりも若干、手前の所定のクランク角位置にあることを表す信号であり、エンジン３が４気筒タイプである本例では、クランク角１８０゜ごとに出力される。

エンジン３の各気筒３ａには、燃料噴射弁４が設けられている（１つのみ図示）。各燃料噴射弁４の開弁時間および開弁タイミングはＥＣＵ２によって制御され、それにより、燃料噴射量および燃料噴射タイミングが制御される。

エンジン３の吸気通路６には、上流側から順に、エアフローセンサ２１、ターボチャージャ７、過給圧センサ２２およびスロットル弁機構８が設けられている。エアフローセンサ２１は、熱線式エアフローメータで構成されており、吸気通路６内を流れ、気筒３ａに吸入される吸気（新気）の流量（以下「吸気量」という）ＱＡを検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。

また、ターボチャージャ７は、吸気通路６のエアフローセンサ２１よりも下流側に設けられたコンプレッサブレード７ａと、排気通路１１に設けられ、コンプレッサブレード７ａと一体に回転するタービンブレード７ｂと、複数の可変ベーン７ｃ（２つのみ図示）と、可変ベーン７ｃを駆動するベーンアクチュエータ７ｄなどを備えている。

このターボチャージャ７では、排気通路１１を流れる排ガスによってタービンブレード７ｂが回転駆動されると、これと一体のコンプレッサブレード７ａも同時に回転することによって、吸気を過給する過給動作が実行される。

また、可変ベーン７ｃは、過給圧を変化させるためのものであり、ハウジングのタービンブレード７ｂを収容するハウジング（図示せず）の壁部に回動自在に取り付けられている。可変ベーン７ｃは、ＥＣＵ２に接続されたベーンアクチュエータ７ｄに機械的に連結されている。ＥＣＵ２は、ベーンアクチュエータ７ｄを介して可変ベーン７ｃの開度を変化させ、タービンブレード７ｂに吹き付けられる排ガス量を変化させることによって、タービンブレード７ｂおよびコンプレッサブレード７ａの回転速度を変化させ、それにより、過給圧を制御する。

過給圧センサ２２は、コンプレッサブレード７ａのすぐ下流側に配置されており、過給圧ＰＳＣを検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。

スロットル弁機構８は、スロットル弁８ａおよびこれを駆動するＴＨアクチュエータ８ｂなどを備えている。スロットル弁８ａは、吸気通路６内に回動自在に設けられている。ＴＨアクチュエータ８ｂは、モータに減速ギヤ機構（いずれも図示せず）を組み合わせたものであり、ＥＣＵ２に電気的に接続されている。スロットル弁８ａの開度は、ＥＣＵ２により、ＴＨアクチュエータ８ｂを介して制御され、それにより、スロットル弁８ａを通過する吸気量が制御される。

また、エンジン３には、ＥＧＲ装置１０が設けられている。このＥＧＲ装置１０は、気筒３ａから排気通路１１に排出された排ガスの一部を吸気通路６側に還流させるものである。ＥＧＲ装置１０は、吸気通路６のスロットル弁８ａよりも下流側と排気通路１１のタービンブレード７ｂよりも上流側との間に接続されたＥＧＲ通路１０ａと、このＥＧＲ通路１０ａを開閉するＥＧＲ制御弁１０ｂなどで構成されている。

ＥＧＲ制御弁１０ｂは、そのリフトが最大値と最小値との間でリニアに変化するリニア電磁弁で構成され、ＥＣＵ２に電気的に接続されている。ＥＣＵ２は、ＥＧＲ制御弁１０ｂを介して、ＥＧＲ通路１０ａの開度を変化させることにより、排ガスの還流量すなわちＥＧＲ量を制御する。また、ＥＧＲ制御弁１０ｂには、ＥＧＲ弁開度センサ２３が設けられている。ＥＧＲ弁開度センサ２３は、ＥＧＲ制御弁１０ｂの開度（以下「ＥＧＲ弁開度」という）ＬＥＧＲを検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。

一方、排気通路１１のタービンブレード７ｂよりも下流側には、三元触媒１２およびＮＯｘ触媒１３が、上流側から順に設けられている。三元触媒１２は、排ガス中のＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘを酸化・還元によって浄化する。また、ＮＯｘ触媒１３は、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を還元させ、放出するものである。

三元触媒１２およびＮＯｘ触媒１３には、三元触媒温度センサ２４およびＮＯｘ触媒温度センサ２５がそれぞれ設けられている。これらの温度センサ２４、２５は、三元触媒１２の温度（以下「三元触媒温度」という）ＴＴＷＣ、およびＮＯｘ触媒１３の温度（以下「ＮＯｘ触媒温度」という）ＴＬＮＣをそれぞれ検出し、それらの検出信号をＥＣＵ２に出力する。

また、排気通路１１の三元触媒１２よりも上流側には、ＬＡＦセンサ２６が設けられている。このＬＡＦセンサ２６は、理論空燃比よりもリッチなリッチ領域から極リーン領域までの広範囲な空燃比の領域において、排気通路１１内を流れる排ガス中の酸素濃度をリニアに検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。ＥＣＵ２は、このＬＡＦセンサ２６の検出信号に基づき、気筒３ａで燃焼された混合気の空燃比ＡＦを算出する。

さらに、ＥＣＵ２には、アクセル開度センサ２７から、車両のアクセルペダル（図示せず）の踏み込み量（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、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭおよびＩ／Ｏインターフェース（いずれも図示せず）などから成るマイクロコンピュータで構成されている。ＥＣＵ２は、前述した各種のセンサ２０〜２７の検出信号などに応じて、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、以下に説明する処理を含む各種の制御処理を実行する。

ＥＣＵ２は、本実施形態において、目標吸気量パラメータ取得手段、ＥＧＲ量パラメータ取得手段、目標ＥＧＲ量パラメータ設定手段、運転モード設定手段、過渡運転状態判定手段、目標空燃比パラメータ設定手段、活性状態判定手段、および目標過給圧設定手段に相当する。

図３は、ＥＣＵ２によって実行される過渡運転判定処理を示している。本処理は、後述する運転モードの設定処理に先立ち、エンジン３が過渡運転状態（加速運転状態）にあるか否かを判定するものであり、所定の周期（例えば１０ｍｓｅｃ）で実行される。

本処理では、まずステップ１（「Ｓ１」と図示。以下同じ）において、過渡運転フラグＦ＿ＴＲＮＳが「１」であるか否かを判別する。この過渡運転フラグＦ＿ＴＲＮＳは、イグニッションスイッチ（図示せず）がＯＮされたときに、「０」にリセットされるとともに、後述するように、エンジン３が過渡運転状態にあると判定されているときに「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、過渡運転状態でないときには、今回の目標過給圧ＰＳＣ＿ＣＭＤとその前回値ＰＳＣ＿ＣＭＤＺとの比が、値１．０よりも大きな所定値ＲＴＲＮ１（例えば１．１）よりも大きいか否かを判別する（ステップ２）。なお、この目標過給圧ＰＳＣ＿ＣＭＤは、要求トルクＰＭＣＭＤおよびエンジン回転数ＮＥに応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって設定される。また、要求トルクＰＭＣＭＤは、アクセル開度ＡＰおよびエンジン回転数ＮＥに応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって算出される。

このステップ２の答がＮＯのときには、今回の目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤとその前回値ＱＡ＿ＣＭＤＺとの比が、値１．０よりも大きな所定値ＲＴＲＮ２（例えば１．１）よりも大きいか否かを判別する（ステップ３）。なお、この目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤは、要求トルクＰＭＣＭＤおよびエンジン回転数ＮＥに応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって設定される。

ステップ３の答がＮＯのとき、すなわち、ＰＳＣ＿ＣＭＤ／ＰＳＣ＿ＣＭＤＺ≦ＲＴＲＮ１かつＱＡ＿ＣＭＤ／ＱＡ＿ＣＭＤＺ≦ＲＴＲＮ２が成立し、目標過給圧ＰＳＣ＿ＣＭＤおよび目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤがいずれも、前回から大きく増大していないときには、エンジン３が過給運転状態にないと判定して、過渡運転フラグＦ＿ＴＲＮＳを「０」に維持し（ステップ４）、本処理を終了する。

一方、前記ステップ２または３の答がＹＥＳで、ＰＳＣ＿ＣＭＤ／ＰＳＣ＿ＣＭＤＺ＞ＲＴＲＮ１またはＱＡ＿ＣＭＤ／ＱＡ＿ＣＭＤＺ＞ＲＴＲＮ２が成立し、目標過給圧ＰＳＣ＿ＣＭＤまたは目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤが、前回から大きく増大しているときには、加速運転などのエンジン３の過給運転状態が開始したと判定し、そのことを表すために、過渡運転フラグＦ＿ＴＲＮＳを「１」にセットし（ステップ５）、本処理を終了する。

このステップ５の実行により、前記ステップ１の答がＹＥＳになるので、その場合には、ステップ６に進み、過給圧センサ２２で検出された過給圧ＰＳＣが、現在の目標過給圧ＰＳＣ＿ＣＭＤ以上であるか否かを判別する。この答がＮＯのときには、エアフローセンサ２１で検出された吸気量ＱＡが、現在の目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤ以上であるか否かを判別する（ステップ７）。

このステップ７の答がＮＯのとき、すなわち、ＰＳＣ＜ＰＳＣ＿ＣＭＤかつＱＡ＜ＱＡ＿ＣＭＤが成立し、過給圧ＰＳＣおよび吸気量ＱＡがいずれも、それらの目標値である目標過給圧ＰＳＣ＿ＣＭＤおよび目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤに達していないときには、エンジン３の過給運転状態が継続していると判定し、前記ステップ５に進んで過渡運転フラグＦ＿ＴＲＮＳを「１」に維持した後、本処理を終了する。

一方、前記ステップ６または７の答がＹＥＳで、ＰＳＣ≧ＰＳＣ＿ＣＭＤまたはＱＡ≧ＱＡ＿ＣＭＤが成立し、過給圧ＰＳＣが現在の目標過給圧ＰＳＣ＿ＣＭＤに達したか、または吸気量ＱＡが現在の目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤに達したときには、エンジン３の過給運転状態が終了したと判定し、前記ステップ４に進んで過渡運転フラグＦ＿ＴＲＮＳを「０」にセットした後、本処理を終了する。

以上のように、この過渡運転判定処理では、目標過給圧ＰＳＣ＿ＣＭＤがその前回値ＰＳＣ＿ＣＭＤＺに対して、所定値ＲＴＲＮ１を上回る比率で増大したとき、または、目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤがその前回値ＱＡ＿ＣＭＤＺに対して、所定値ＲＴＲＮ２を上回る比率で増大したときに、過渡運転状態が開始したと判定する。また、その後、過給圧ＰＳＣが現在の目標過給圧ＰＳＣ＿ＣＭＤに達したか、または吸気量ＱＡが現在の目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤに達したときに、過渡運転状態が終了したと判定され、上記の開始時から終了時までの間が過渡運転状態とされる。

図４は、運転モードの設定処理を示している。本処理は、上述した過渡運転判定処理による判定結果と、過渡運転状態でのエンジン３の各種の運転パラメータなどに応じて、エンジン３の運転モードを、気筒３ａ内で燃焼する混合気の空燃比を、理論空燃比よりもリーン側に制御するリーン運転、理論空燃比に制御するストイキ運転、または理論空燃比よりもリッチ側に制御するリッチ運転のいずれかに設定するものである。

本処理ではまず、過渡運転判定処理で設定された過渡運転フラグＦ＿ＴＲＮＳが「１」であるか否かを判別する（ステップ１１）。この答がＮＯで、エンジン３が過渡運転状態にないときには、エンジン３の運転モードをリーン運転に設定する（ステップ１２）。

このように運転モードがリーン運転に設定されると、目標空燃比ＡＦ＿ＣＭＤが理論空燃比よりもリーン側に設定されるとともに、ＬＡＦセンサ２６で検出された空燃比ＡＦが設定した目標空燃比ＡＦ＿ＣＭＤに収束するよう、フィードバック制御によって、燃料噴射量または吸気量が制御される。また、排ガスが酸化雰囲気に制御されることで、排ガス中のＮＯｘは、三元触媒１２ではあまり浄化されず、主としてＮＯｘ触媒１３に捕捉される。

一方、前記ステップ１１の答がＹＥＳで、エンジン３が過渡運転状態にあるときには、現在の目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤと吸気量ＱＡとの偏差が、第１しきい値ＤＲＥＦ１よりも大きいか否かを判別する（ステップ１３）。この答がＮＯのとき、すなわち、ＱＡ＿ＣＭＤ−ＱＡ≦ＤＲＥＦ１が成立し、吸気量ＱＡが目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤに達しているとみなされるときには、過渡運転状態であっても、吸気量が十分に確保されているとして、前記ステップ１２に進み、運転モードをリーン運転に設定する。

なお、上記の第１しきい値ＤＲＥＦ１は、例えば、目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤに所定の係数Ｋ１（例えば０．１）を乗じた値（＝Ｋ１・ＱＡ＿ＣＭＤ）に設定される。このような設定により、ステップ１３の判別式は、ＱＡ＜（１−Ｋ１）・ＱＡ＿ＣＭＤ、あるいはＱＡ／ＱＡ＿ＣＭＤ＜（１−Ｋ１）と書き換えられるので、実際の吸気量ＱＡが目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤに対して、所定の比率（１−Ｋ１）まで（Ｋ１＝０．１のときには９０％まで）に達していないかを判別することになる。したがって、目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤに対する吸気量ＱＡの遅れ度合を適切に判別することができる。

一方、ステップ１３の答がＹＥＳのときには、現在の目標ＥＧＲ量ＱＥＧＲ＿ＣＭＤと実際のＥＧＲ量ＱＥＧＲとの偏差が、第２しきい値ＤＲＥＦ２よりも大きいか否かを判別する（ステップ１４）。この目標ＥＧＲ量ＱＥＧＲ＿ＣＭＤは、要求トルクＰＭＣＭＤおよびエンジン回転数ＮＥに応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって算出される。また、ＥＧＲ量ＱＥＧＲは、例えば、ＥＧＲ弁開度ＬＥＧＲおよび吸気量ＱＡに応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって算出される。

このステップ１４の答がＮＯのとき、すなわち、ＱＥＧＲ＿ＣＭＤ−ＱＥＧＲ≦ＤＲＥＦ２が成立し、ＥＧＲ量ＱＥＧＲが目標ＥＧＲ量ＱＥＧＲ＿ＣＭＤに達しているとみなされるときには、過渡運転状態であっても、ＥＧＲ量が十分に確保されているとして、前記ステップ１２に進み、運転モードをリーン運転に設定する。

この第２しきい値ＤＲＥＦ２もまた、例えば、目標ＥＧＲ量ＱＥＧＲ＿ＣＭＤに所定の係数Ｋ２（例えば０．１）を乗じた値（＝Ｋ２・ＱＥＧＲ＿ＣＭＤ）に設定され、それにより、目標ＥＧＲ量ＱＥＧＲ＿ＣＭＤに対するＥＧＲ量ＱＥＧＲの遅れ度合を適切に判別することができる。

一方、ステップ１４の答がＹＥＳのときには、現在の目標空燃比ＡＦ＿ＣＭＤと空燃比ＡＦとの偏差が、第３しきい値ＤＲＥＦ３よりも大きいか否かを判別する（ステップ１５）。この答がＮＯのとき、すなわち、ＡＦ＿ＣＭＤ−ＡＦ≦ＤＲＥＦ３が成立し、空燃比ＡＦが目標空燃比ＡＦ＿ＣＭＤに達しているとみなされるときには、吸気量およびＥＧＲ量が十分に確保されているとして、前記ステップ１２に進み、運転モードをリーン運転に設定する。

この第３しきい値ＤＲＥＦ３もまた、例えば、目標空燃比ＡＦ＿ＣＭＤに所定の係数Ｋ３（例えば０．１）を乗じた値（＝Ｋ３・ＡＦ＿ＣＭＤ）に設定され、それにより、目標空燃比ＡＦ＿ＣＭＤに対する空燃比ＡＦの遅れ度合を適切に判別することができる。

一方、ステップ１５の答がＹＥＳのとき、すなわち、ＱＡ＿ＣＭＤ−ＱＡ＞ＤＲＥＦ１、ＱＥＧＲ＿ＣＭＤ−ＱＥＧＲ＞ＤＲＥＦ２、かつＡＦ＿ＣＭＤ−ＡＦ＞ＤＲＥＦ３が成立し、吸気量ＱＡ、ＥＧＲ量ＱＥＧＲおよび空燃比ＡＦがいずれも、目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤ、目標ＥＧＲ量ＱＥＧＲ＿ＣＭＤおよび目標空燃比ＡＦ＿ＣＭＤにそれぞれ達していないとみなされるときには、過渡運転状態において、吸気量およびＥＧＲ量の遅れが大きく、リーン運転を継続すると、吸気量およびＥＧＲ量の不足によってＮＯｘが一時的に増大するおそれがあるため、リーン運転を行わないものとし、ステップ１６に進む。

このステップ１６では、三元触媒１２が活性状態にあるか否かを判別する。この判別は、検出された三元触媒温度ＴＴＷＣが所定温度（例えば１８０℃）よりも高いか否かに基づいて行われる。この答がＮＯで、三元触媒１２が活性状態にないときには、ストイキ運転またはリッチ運転を実施しても、三元触媒１２によるＮＯｘの浄化を良好に行えないので、前記ステップ１２に進み、運転モードをリーン運転に設定する。

上記ステップ１６の答がＹＥＳのときには、ＮＯｘ触媒１３が活性状態にあるか否かを判別する（ステップ１７）。この判別は、検出されたＮＯｘ触媒温度ＴＬＮＣが所定温度（例えば２５０℃）よりも高いか否かに基づいて行われる。この答がＮＯで、ＮＯｘ触媒１３が活性状態にないときには、リッチ運転を実施しても、ＮＯｘ触媒１３に捕捉されたＮＯｘの還元を良好に行えないので、運転モードをストイキ運転に設定し（ステップ１８）、本処理を終了する。

上記ステップ１７の答がＹＥＳのときには、ＮＯｘ触媒１３に捕捉されているＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘが、所定値ＳＲＥＦ以上であるか否かを判別する（ステップ１９）。このＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘは、例えば、リーン運転において、要求トルクＰＭＣＭＤおよびエンジン回転数ＮＥに応じ、マップ（図示せず）を検索することにより、１燃焼サイクルごとのＮＯｘ排出量を算出するとともに、このＮＯｘ排出量を積算することによって算出される。

このステップ１９の答がＮＯで、Ｓ＿ＱＮＯｘ＜ＳＲＥＦのときには、ＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘがまだ大きくなく、ＮＯｘ触媒１３が飽和状態に達していないとして、前記ステップ１８に進み、運転モードをストイキ運転に設定する。

一方、上記ステップ１９の答がＹＥＳで、Ｓ＿ＱＮＯｘ≧ＳＲＥＦのときには、ＮＯｘ触媒１３がＮＯｘの飽和状態に達したとして、運転モードをリッチ運転に設定し（ステップ２０）、本処理を終了する。これにより、排ガスが還元雰囲気に制御されることによって、ＮＯｘ触媒１３のＮＯｘが排ガス中のＣＯなどの還元成分で還元され、浄化された状態で放出されるとともに、ＮＯｘ触媒１３の飽和状態が解消される。

以上のように、本実施形態によれば、エンジン３が過渡運転状態にあると判定されている場合（Ｆ＿ＴＲＮＳ＝１）において、目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤと吸気量ＱＡとの偏差が第１しきい値ＤＲＥＦ１よりも大きいとき（ステップ１３：ＹＥＳ）、目標ＥＧＲ量ＱＥＧＲ＿ＣＭＤとＥＧＲ量ＱＥＧＲとの偏差が第２しきい値ＤＲＥＦ２よりも大きいとき（ステップ１４：ＹＥＳ）、かつ目標空燃比ＡＦ＿ＣＭＤと空燃比ＡＦとの偏差が第３しきい値ＤＲＥＦ３よりも大きいとき（ステップ１５：ＹＥＳ）には、原則として、リーン運転を禁止し、エンジン３の運転モードをストイキ運転またはリッチ運転に設定する（ステップ１８、２０）。

したがって、過渡運転状態においてリーン運転を実施した場合の、吸気量やＥＧＲ量の不足によるＮＯｘ排出量の一時的な増大を回避し、ＮＯｘ排出量を低減できるとともに、排出されたＮＯｘを、ストイキ雰囲気下または還元雰囲気下で、上流側の三元触媒１２によって高い浄化率で浄化でき、それにより、下流側のＮＯｘ触媒１３のＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘを大幅に低減することができる。その結果、ＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘが所定値ＳＲＥＦ以上になったときに（ステップ１９：ＹＥＳ）ＮＯｘ触媒１３の飽和状態を解消するために実行されるリッチ運転の実行回数を低減でき、それにより、燃費を向上させることができる。

一方、過渡運転状態と判定されている場合でも、上記のＱＡ＿ＣＭＤ−ＱＡ≦ＤＲＥＦ１、ＱＥＧＲ＿ＣＭＤ−ＱＥＧＲ≦ＤＲＥＦ２またはＡＦ＿ＣＭＤ−ＡＦ≦ＤＲＥＦ３が成立しているときには（ステップ１３〜１５のいずれか：ＮＯ）、運転モードをリーン運転に設定する（ステップ１２）。これにより、過渡運転状態であっても、吸気量やＥＧＲ量が十分に確保されているときには、リーン運転が実施されるので、吸気やＥＧＲによる燃焼温度の抑制効果を十分に発揮させながら、ＮＯｘ排出量を増大させることなく、リーン運転を行えるとともに、燃費のさらなる向上を図ることができる。

さらに、三元触媒１２が活性状態にないと判定されていて（ステップ１６：ＮＯ）、三元触媒１２によるＮＯｘの浄化を良好に行えないときには、運転モードをリーン運転に設定するので、燃費をさらに向上させることができる。

また、目標過給圧ＰＳＣ＿ＣＭＤがその前回値ＰＳＣ＿ＣＭＤＺに対して、所定値ＲＴＲＮ１を上回る比率で増大したとき（ステップ２：ＹＥＳ）、または、目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤがその前回値ＱＡ＿ＣＭＤＺに対して、所定値ＲＴＲＮ２を上回る比率で増大したとき（ステップ３：ＹＥＳ）に、過渡運転状態が開始したと判定するとともに、その後、過給圧ＰＳＣが現在の目標過給圧ＰＳＣ＿ＣＭＤに達するか（ステップ６：ＹＥＳ）、または吸気量ＱＡが現在の目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤに達したとき（ステップ７：ＹＥＳ）に、過渡運転状態が終了したと判定する。

このような判定手法により、目標過給圧ＰＳＣ＿ＣＭＤおよび目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤの変化や、これらの目標値に対する過給圧ＰＳＣおよび吸気量ＱＡの関係に基づき、実際の吸気の遅れや過給遅れを反映させながら、リーン運転を実施した場合にＮＯｘ排出量が増大するような過渡運転状態にあるか否かを、適切に判定することができる。

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、実施形態に示した過渡運転状態の判定手法は、あくまで一例であり、適当な任意の手法を採用できる。例えば、この判定のためのパラメータとして、過給圧および吸気量を用いているが、これらに代えて、またはこれらとともに、他の適当なパラメータ、例えば、要求トルクＰＭＣＭＤやアクセル開度ＡＰの変化状態、ギヤチェンジによるエンジン回転数ＮＥの変化状態などを用いてもよい。あるいは、過渡運転状態の開始時および終了時の定義も、実施形態に示したものに限らず、任意である。

また、実施形態では、ステップ１３〜１５の判別結果に応じ、ＱＡ＿ＣＭＤ−ＱＡ＞ＤＲＥＦ１、ＱＥＧＲ＿ＣＭＤ−ＱＥＧＲ＞ＤＲＥＦ２、およびＡＦ＿ＣＭＤ−ＡＦ＞ＤＲＥＦ３という３つの条件のいずれかが成立していないときに、運転モードをリーン運転に設定し、これらの３つの条件がすべて成立しているときに、運転モードをストイキ運転またはリッチ運転に設定しているが、この関係を次のようにしてもよい。すなわち、上記の３つの条件のいずれもが成立していないときに、運転モードをリーン運転に設定し、３つの条件のいずれかが成立しているときに、運転モードをストイキ運転またはリッチ運転に設定してもよい。

また、実施形態では、ＥＧＲ量ＱＥＧＲを、ＥＧＲ弁開度ＬＥＧＲおよび吸気量ＱＡに応じて算出しているが、他の適当なパラメータ、例えば過給圧ＰＳＣや空燃比ＡＦに応じて算出してもよい。さらに、ＥＧＲ量パラメータとして、ＥＧＲ量ＱＥＧＲに代えて、ＥＧＲ量を表す他の適当なパラメータ、例えば、吸気量（新気量）に対するＥＧＲ量の比や、吸気量とＥＧＲ量の和に対するＥＧＲ量の比などを用いてもよい。同様に、空燃比パラメータとして、実施形態の空燃比ＡＦに代えて、空燃比を表す他の適当なパラメータ、例えば空気過剰率を用いてもよい。

また、実施形態では、目標吸気量ＱＡ＿ＣＭＤと吸気量ＱＡとの偏差などと比較される第１〜第３しきい値ＤＲＥＦ１〜ＤＲＥＦ３を、目標値に所定の係数Ｋ１〜Ｋ３をそれぞれ乗じた値に設定しているが、エンジン３の運転状態を表す適当な運転パラメータに応じて設定してもよく、あるいは一定値に設定してもよい。

さらに、実施形態では、三元触媒１２およびＮＯｘ触媒１３の活性状態を、それぞれに設けた三元触媒温度センサ２４やＮＯｘ触媒温度センサ２５の検出値に基づいて判定しているが、エンジン３の始動時からの経過時間や排気温度などに基づいて判定してもよい。同様に、実施形態では、ＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘを、要求トルクＰＭＣＭＤおよびエンジン回転数ＮＥに応じて推定したＮＯｘ排出量を積算することによって算出しているが、ＮＯｘ触媒１３の上下流に設けたＮＯｘセンサで検出したＮＯｘ濃度に基づいて算出してもよい。

また、実施形態のＮＯｘ触媒１３は、リッチ運転による未燃燃料の供給によって、ＮＯｘを還元するタイプのものであるが、これに限らず、ＮＯｘの還元を尿素などの供給によって行うタイプのものでもよい。その場合には、本発明の適用によって、尿素などの消費量を低減することができる。

さらに、実施形態は、本発明をディーゼルエンジンに適用した例であるが、本発明は、これに限らず、各種の内燃機関、例えばガソリンエンジンに適用してもよい。これに加えて、本発明は、実施形態の車両に搭載されたディーゼルエンジンに限らず、船舶用などの各種の内燃機関にも適用可能である。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。

本願発明の一実施形態に係る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模式的に示す図である。 排ガス浄化装置の概略構成を示すブロック図である。 過渡運転判定処理を示すフローチャートである。 運転モードの設定処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 排ガス浄化装置
２ ＥＣＵ（目標吸気量パラメータ取得手段、ＥＧＲ量パラメータ取得手段、目標
ＥＧＲ量パラメータ設定手段、運転モード設定手段、過渡運転状態判定手段、
目標空燃比パラメータ設定手段、活性状態判定手段、目標過給圧設定手段）
３ 内燃機関
３ａ 気筒
６ 吸気通路
７ ターボチャージャ（過給機）
１１ 排気通路
１２ 三元触媒
１３ ＮＯｘ触媒
２１ エアフローセンサ（吸気量パラメータ取得手段、ＥＧＲ量パラメータ取得手段）
２２ 過給圧センサ（過給圧検出手段）
２３ ＥＧＲ弁開度センサ（ＥＧＲ量パラメータ取得手段）
２４ 三元触媒温度センサ（活性状態判定手段）
２６ ＬＡＦセンサ（空燃比パラメータ検出手段）
ＱＡ 吸気量（吸気量パラメータ）
ＱＡ＿ＣＭＤ 目標吸気量（目標吸気量パラメータ）
ＱＥＧＲ ＥＧＲ量（ＥＧＲ量パラメータ）
ＱＥＧＲ＿ＣＭＤ 目標ＥＧＲ量（目標ＥＧＲ量パラメータ）
ＡＦ 空燃比（空燃比パラメータ）
ＡＦ＿ＣＭＤ 目標空燃比（目標空燃比パラメータ）
ＰＳＣ 過給圧
ＰＳＣ＿ＣＭＤ 目標過給圧
ＤＲＥＦ１ 第１しきい値
ＤＲＥＦ２ 第２しきい値
ＤＲＥＦ３ 第３しきい値
ＲＴＲＮＳ１ 所定値

Claims (4)

1. 内燃機関の気筒から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、
   前記排気通路に設けられ、排ガスを浄化する三元触媒と、
   前記排気通路の前記三元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、捕捉したＮＯｘを還元雰囲気下で放出するＮＯｘ触媒と、
   前記気筒に吸入される吸気量を表す吸気量パラメータを取得する吸気量パラメータ取得手段と、
   前記吸気量パラメータの目標となる目標吸気量パラメータを設定する目標吸気量パラメータ設定手段と、
   前記排気通路から吸気通路に還流する排ガスの還流量を表すＥＧＲ量パラメータを取得するＥＧＲ量パラメータ取得手段と、
   前記ＥＧＲ量パラメータの目標となる目標ＥＧＲ量パラメータを設定する目標ＥＧＲ量パラメータ設定手段と、
   前記内燃機関の運転モードを、前記気筒内で燃焼する混合気の空燃比を、理論空燃比よりもリーン側に制御するリーン運転、理論空燃比に制御するストイキ運転、または理論空燃比よりもリッチ側に制御するリッチ運転のいずれかに設定する運転モード設定手段と、
   前記内燃機関が加速運転状態にあるか否かを判定する加速運転判定手段と、を備え、
   前記運転モード設定手段は、前記加速運転判定手段により前記内燃機関が前記加速運転状態にあると判定されている場合において、前記設定された目標吸気量パラメータと前記取得された吸気量パラメータとの第１偏差が第１しきい値よりも大きいとき、および／または、前記設定された目標ＥＧＲ量パラメータと前記取得されたＥＧＲ量パラメータとの第２偏差が第２しきい値よりも大きいときに、前記運転モードを前記ストイキ運転または前記リッチ運転に設定し、前記第１偏差が前記第１しきい値以下のとき、および／または、前記第２偏差が前記第２しきい値以下のときに、前記運転モードを前記リーン運転に設定することを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
2. 前記空燃比を表す空燃比パラメータを検出する空燃比検出手段と、
   前記空燃比パラメータの目標となる目標空燃比パラメータを設定する目標空燃比パラメータ設定手段と、をさらに備え、
   前記運転モード設定手段は、前記内燃機関が前記加速運転状態にあると判定されている場合において、前記設定された目標空燃比パラメータと前記検出された空燃比パラメータとの第３偏差が第３しきい値よりも大きいときに、前記運転モードを前記ストイキ運転または前記リッチ運転に設定することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
3. 前記三元触媒の活性状態を判定する活性状態判定手段をさらに備え、前記運転モード設定手段は、前記三元触媒が活性状態にないと判定されているときに、前記運転モードを前記リーン運転に設定することを特徴とする、請求項１または２に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
4. 前記内燃機関には、前記気筒に吸入される吸気を過給する過給機が設けられており、
   当該過給機による過給圧を検出する過給圧検出手段と、
   前記過給圧の目標となる目標過給圧を設定する目標過給圧設定手段と、をさらに備え、
   前記加速運転判定手段は、前記目標過給圧設定手段により前記目標過給圧がその前回値に対して所定値を上回る比率で変更された後、前記検出された過給圧が前記目標過給圧に達していない状態を、前記加速運転状態と判定することを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関の排ガス浄化装置。

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