JP6015753B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、内燃機関の排気通路に配置されたＮＯｘ触媒を昇温させる技術に関する。

内燃機関の排気浄化装置として、酸化触媒やＮＯｘ触媒を内燃機関の排気通路に配置する装置が知られている。このような内燃機関の排気浄化装置において、排気温度が高くなる排気昇温モードと排気中の炭化水素（ＨＣ）が少なくなる排気成分低減モードのいずれか一方により内燃機関を運転させる技術も知られている。詳細には、内燃機関の始動時から触媒が活性するまでの期間は排気昇温モードにより内燃機関を運転させ、触媒が活性した後は触媒の浄化性能や排気成分に基づいて排気昇温モードと排気成分低減モードを切り替える技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１０−１１２１９２号公報

ところで、内燃機関の始動後において、該内燃機関の低負荷運転状態が継続した場合や、該内燃機関の運転停止と再始動が短期間に繰り返された場合は、触媒が活性し難くなる。そのため、内燃機関が前記排気昇温モードによって運転される期間又は機会が増加する。内燃機関が前記排気昇温モードにより運転される場合は、混合気の空燃比が低く（リッチ）されたり、燃料の着火時期が遅角されたり、又は燃料のポスト噴射（又はアフター噴射）が行われたりする。そのため、内燃機関が前記排気昇温モードで運転される期間又は機会が増加した場合は、燃料消費量が増加する。また、触媒が活性しない状態で内燃機関が運転される期間が長くなるため、エミッションが増加する可能性もある。

本発明は、上記したような実情に鑑みてなれたものであり、その目的は、内燃機関の排気通路に配置されたＮＯｘ触媒を備える内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯｘ触媒を昇温させるための処理に起因した燃料消費量の増加やエミッションの増加を少なく抑えることができる技術の提供にある。

本発明は、上記した課題を解決するために、ＮＯｘ触媒の温度とＮＯｘ浄化率（ＮＯｘ触媒へ流入するＮＯｘ量に対してＮＯｘ触媒で浄化されるＮＯｘ量の割合）との相関に着目した。

ＮＯｘ触媒が未活性状態にある場合のＮＯｘ浄化率は、該ＮＯｘ触媒の温度が上昇するにつれて高くなる。ただし、ＮＯｘ触媒の温度上昇量に対してＮＯｘ浄化率が上昇する量の割合（以下、「温度変化率」と称する）は、一定ではない。そのため、ＮＯｘ触媒の温度上昇量に対し、ＮＯｘ浄化率の上昇量が少なくなる場合（温度変化率が小さい場合）がある。一方、ＮＯｘ触媒の温度上昇量に対し、ＮＯｘ浄化率の上昇量が多くなる場合（温度変化率が大きい場合）もある。

例えば、ＮＯｘ触媒の温度が活性温度より低い下限温度を下回る場合は、ＮＯｘ触媒の温度上昇量に対して、ＮＯｘ浄化率の上昇量が少なくなる。一方、ＮＯｘ触媒の温度が前記下限温度以上であり、且つ前記活性温度未満であるときは、ＮＯｘ触媒の温度上昇量に対して、ＮＯｘ浄化率の上昇量が多くなる。ここでいう「下限温度」は、例えば、ＮＯｘ触媒の一部が活性する温度（部分活性温度）である。また、「活性温度」は、ＮＯｘ触媒の全体が活性する温度（完全活性温度）である。

ＮＯｘ触媒の温度が前記下限温度より低いときに昇温処理が実行されると、ＮＯｘ触媒の温度変化率が小さくなるため、昇温処理の実行期間が長くなる。特に、内燃機関の始動後において、該内燃機関の低負荷運転状態が継続された場合は、昇温処理の実行期間が長くなりやすい。昇温処理の実行期間が長くなる場合は、燃料消費量が増加するとともに、エミッション（スモークや二酸化炭素（ＣＯ_２）等）の量も増加する。

そこで、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、前記温度変化率が基準値以上であることを条件として、ＮＯｘ触媒の昇温処理を実行するようにした。言い換えると、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、ＮＯｘ触媒が未活性状態にある場合であっても、前記温度変化率が基準値を下回るときは、ＮＯｘ触媒の昇温処理を実行しないようにした。

詳細には、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、
車両に搭載される内燃機関の排気通路に配置されたＮＯｘ触媒と、
前記ＮＯｘ触媒へ流入する排気の温度を上昇させることにより、前記ＮＯｘ触媒を昇温させる処理である昇温処理を実行する昇温手段と、
前記ＮＯｘ触媒の温度を検出する検出手段と、
前記ＮＯｘ触媒の温度が前記検出手段により検出された温度から所定量上昇したと仮定した場合の前記所定量に対するＮＯｘ浄化率の上昇量の割合である温度変化率が基準値以上になることを条件として、前記昇温処理の実行を許可する制御手段と、
を備えるようにした。

ここでいう「所定量」は、温度変化率が大きいときと小さいときの差が顕著になる量であればよく、予め実験等を用いた適合処理によって決定される量である。また、「基準値」は、例えば、ＮＯｘ触媒の温度を所定量上昇させるために必要な燃料消費量に対し、ＮＯｘ浄化率の上昇量が適当であると考えられる最小の温度変化率であり、予め実験等を利用した適合処理によって定められる値である。

このように構成された内燃機関の排気浄化装置によれば、ＮＯｘ触媒の温度が所定量上昇したときの温度変化率が基準値より小さい場合は、昇温処理が実行されない。言い換えると、ＮＯｘ触媒の温度が所定量上昇したときの温度変化率が基準値以上である場合に限り、昇温処理が実行されることになる。

前記温度変化率が基準値以上であるときに昇温処理が実行されると、ＮＯｘ触媒の温度及びＮＯｘ浄化率が速やかに上昇する。特に、内燃機関の始動後において該内燃機関の低負荷運転状態が継続された場合であっても、前記温度変化率が基準値以上であることを条件として昇温処理が実行されると、ＮＯｘ触媒の温度及びＮＯｘ浄化率を速やかに上昇させることができる。その結果、昇温処理の実行時間を短く抑えることができる。

したがって、本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、昇温処理に起因した燃料消費量の増加やエミッションの増加を少なく抑えることができる。言い換えると、本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、昇温処理の実行に伴う燃料消費量の増加やエミッションの増加を少なく抑えつつ、ＮＯｘ触媒を活性させることが可能になる。

本発明の内燃機関の排気浄化装置は、ＮＯｘ触媒より上流の排気通路に配置される酸化触媒をさらに備えるようにしてもよい。その場合、昇温手段は、酸化触媒へ未燃燃料を供給することにより、ＮＯｘ触媒へ流入する排気の温度を上昇させてもよい。

ところで、酸化触媒における未燃燃料の酸化率（酸化触媒へ流入する未燃燃料の量に対して酸化触媒において酸化される未燃燃料の量の割合）は、該酸化触媒の温度が所定の活性温度（たとえば、部分活性温度）より低いときは極めて小さくなる。

そこで、制御手段は、酸化触媒の温度が所定の活性温度以上であり、且つ前記温度変化率が前記基準値以上であることを条件として、酸化触媒に対する未燃燃料の供給を許可してもよい。このような条件に従って昇温処理が実行されると、酸化触媒及びＮＯｘ触媒において酸化されずに大気中へ排出される未燃燃料の量を少なく抑えつつ、昇温処理を実行することができる。また、このような条件に従って昇温処理が実行される場合は、比較的多量の未燃燃料を酸化触媒へ供給することができるため、昇温処理の実行期間を一層短くすることも可能になる。

本発明の内燃機関の排気浄化装置は、酸化触媒から流出する排気に含まれるエミッションの量を積算する演算手段をさらに備えるようにしてもよい。その場合、制御手段は、演算手段により算出されたエミッションの積算量が比較値を超えているときは、昇温処理の実行を禁止してもよい。

ここでいう「比較値」は、例えば、従来の方法によって昇温処理が実行された場合のエミッションの積算量に相当する。従来の方法としては、内燃機関の始動時からＮＯｘ触媒が活性するまでの期間において、未燃燃料が酸化触媒に供給され続ける方法や、酸化触媒の温度が所定の活性温度以上に上昇したときからＮＯｘ触媒が活性するまでの期間において、未燃燃料が酸化触媒に供給され続ける方法等である。また、「エミッション」は、昇温処理の実行により増加する排気成分であり、例えば、スモークや二酸化炭素（ＣＯ_２）等である。なお、単位時間あたりに酸化触媒から流出するスモークやＣＯ_２の量は、酸化触媒へ供給される未燃燃料の量と酸化触媒の温度をパラメータとして演算することができる。

このように構成された内燃機関の排気浄化装置によれば、演算手段により算出されたエミッションの積算量が比較量を超えているときは、前記温度変化率が基準値以上であっても、昇温処理が実行されなくなる。

例えば、昇温処理の実行中又は実行後に内燃機関の運転が停止され、次いでＮＯｘ触媒の温度が活性温度より低くなった後に内燃機関が再始動された場合において、内燃機関の再始動後に昇温処理が再度実行されると、エミッションの積算量が前記比較値より多くなる可能性がある。

これに対し、エミッションの積算量が比較値より多いときに昇温処理の実行が禁止されると、エミッションの積算量を従来と同等以下に抑えることができる。特に、昇温処理実行中に酸化触媒へ供給される未燃燃料の量が従来の昇温処理より増量された場合は、エミッションの量が一時的に従来の昇温処理より多くなる可能性はあるが、中長期の期間におけるエミッションの量（積算量）は従来と同等以下に抑えることができる。

ここで、本発明の制御手段は、昇温処理の実行中にＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率が一定値を超えると、前記酸化触媒へ供給される未燃燃料の量を減少させてもよい。ここでいう「一定値」は、例えば、ＮＯｘ触媒の全体が活性したときのＮＯｘ浄化率より小さい値であって、ＮＯｘ触媒の大部分が活性したときのＮＯｘ浄化率と同等の値である。このような条件に従って、酸化触媒へ供給される未燃燃料の量が減少されると、昇温処理に伴う燃料消費量の増加及びエミッションの増加を一層少なく抑えることができる。

本発明の制御手段は、前記検出手段により検出された温度が所定の温度範囲に属するときに、前記温度変化率が前記基準値以上であると判定してもよい。ここでいう「所定の温度範囲」は、例えば、前記温度変化率が前記基準値以上となる温度範囲であり、予め実験等を利用した適合処理によって求められた範囲である。

ところで、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率は、ＮＯｘ触媒の温度以外の要因によって変化する場合がある。そこで、本発明の制御手段は、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率が所定の浄化率範囲に属するときに、前記温度変化率が前記基準値以上であると判定してもよい。ここでいう「所定の浄化率範囲」は、前記温度変化率が前記基準値以上となるＮＯｘ浄化率の範囲である。なお、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率は、ＮＯｘ触媒の上流及び下流に配置されたＮＯｘセンサの測定値に基づいて演算することができる。

また、本発明の制御手段は、排気の流量と、排気の空燃比と、酸化触媒の温度と、ＮＯｘ触媒の温度と、をパラメータとして、温度変化率を演算し、その演算結果と前記基準値とを比較してもよい。

本発明によれば、内燃機関の排気通路に配置されたＮＯｘ触媒を備える内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯｘ触媒を昇温させるための処理に起因した燃料消費量の増加やエミッションの増加を少なく抑えることができる。

本発明を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。 酸化触媒の温度と浄化率との相関を示す図である。 選択還元型触媒の温度と浄化率との相関を示す図である。 第１の実施例における昇温処理の実行方法を示すタイミングチャートである。 第１の実施例において昇温処理が実行されるときにＥＣＵによって実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。 第２の実施例における昇温処理の実行方法を示すタイミングチャートである。 第２の実施例において昇温処理が実行されるときにＥＣＵによって実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜実施例１＞
先ず、本発明の第１の実施例について図１乃至図５に基づいて説明する。図１は、本発明が適用される内燃機関の概略構成を示す図である。

図１に示す内燃機関１は、複数の気筒を有する圧縮着火式の内燃機関（ディーゼルエンジン）である。なお、本発明を適用する内燃機関は、圧縮着火式の内燃機関の限られず、希薄燃焼運転される火花点火式の内燃機関（ガソリンエンジン）であってもよい。

内燃機関１には、吸気通路２と排気通路３が接続されている。吸気通路２は、大気中から取り込まれた新気（空気）を内燃機関１の気筒へ導く通路である。排気通路３は、内燃機関１の気筒内から排出される既燃ガス（排気）を流通させるための通路である。

吸気通路２の途中には、スロットル弁４が配置されている。スロットル弁４は、吸気通路２の通路断面積を変更することにより、内燃機関１の気筒内に吸入される空気量を調整する弁機構である。なお、スロットル弁４は、弁体と該弁体を開閉駆動するための電動機とを備え、電動機は後述するＥＣＵ１０によって制御される。

排気通路３の途中には、第１触媒ケーシング５と第２触媒ケーシング６が上流側から直列に配置されている。第１触媒ケーシング５は、筒状のケーシング内に酸化触媒とパティキュレートフィルタを内装している。その際、酸化触媒は、パティキュレートフィルタの上流に配置される触媒担体に担持されてもよく、あるいはパティキュレートフィルタに担持されてもよい。

また、第２触媒ケーシング６は、筒状のケーシング内に、選択還元型触媒が担持された触媒担体を収容したものである。触媒担体は、例えば、コーディライトやＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系の耐熱鋼から成るハニカム形状の横断面を有するモノリスタイプの基材に、アルミナ系又はゼオライト系の活性成分（担体）をコーティングしたものである。さらに、触媒担体には、酸化能を有する貴金属触媒（例えば、白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）等）が担持されている。このように構成される選択還元型触媒は、本発明に係わるＮＯ_Ｘ触媒に相当する。

なお、第２触媒ケーシング６の内部において、選択還元型触媒より下流には酸化触媒を担持した触媒担体が配置されるようにしてもよい。その場合の酸化触媒は、後述する還元剤添加弁７から選択還元型触媒へ供給される還元剤のうち、選択還元型触媒をすり抜けた還元剤を酸化することができる。

第１触媒ケーシング５と第２触媒ケーシング６との間の排気通路３には、ＮＨ_３又はＮＨ_３の前駆体である還元剤を排気中へ添加（噴射）するための還元剤添加弁７が取り付けられている。還元剤添加弁７は、ニードルの移動により開閉される噴孔を有する弁装置である。還元剤添加弁７は、ポンプ７０を介して還元剤タンク７１に接続されている。ポンプ７０は、還元剤タンク７１に貯留されている還元剤を吸引するとともに、吸引された還元剤を還元剤添加弁７へ圧送する。還元剤添加弁７は、ポンプ７０から圧送されてくる還元剤を排気通路３内へ噴射する。なお、還元剤添加弁７の開閉タイミングやポンプ７０の吐出圧力は、ＥＣＵ１０によって電気的に制御されるようになっている。

ここで、還元剤タンク７１に貯留される還元剤としては、尿素やカルバミン酸アンモニウム等の水溶液や、ＮＨ_３ガスを用いることができる。本実施例では、還元剤として、尿素水溶液を用いる例について述べる。

還元剤添加弁７から尿素水溶液が噴射されると、該尿素水溶液が排気とともに第２触媒ケーシング６へ流入する。その際、尿素水溶液が排気や第２触媒ケーシング６の熱を受けて熱分解又は加水分解される。尿素水溶液が熱分解又は加水分解されると、アンモニア（ＮＨ_３）が生成される。このようにして生成されたアンモニア（ＮＨ_３）は、選択還元型触媒に吸着又は吸蔵される。選択還元型触媒に吸着又は吸蔵されたアンモニア（ＮＨ_３）は、排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）と反応して窒素（Ｎ_２）や水（Ｈ_２Ｏ）を生成する。つまり、アンモニア（ＮＨ_３）は、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）の還元剤として機能する。

このように構成された内燃機関１には、ＥＣＵ１０が併設されている。ＥＣＵ１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ等を備えた電子制御ユニットである。ＥＣＵ１０は、第１排気温度センサ８、第２排気温度センサ９、クランクポジションセンサ１１、アクセルポジションセンサ１２、エアフローメータ１３、及びＡ／Ｆセンサ１４等の各種センサと電気的に接続されている。

第１排気温度センサ８は、第１触媒ケーシング５より下流、且つ第２触媒ケーシング６より上流の排気通路３に配置され、第１触媒ケーシング５から流出する排気の温度に相関する電気信号を出力する。第２排気温度センサ９は、第２触媒ケーシング６より下流の排気通路３に配置され、第２触媒ケーシング６から流出する排気の温度に相関する電気信号を出力する。クランクポジションセンサ１１は、内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）の回転位置に相関する電気信号を出力する。アクセルポジションセンサ１２は、アクセルペダルの操作量（アクセル開度）に相関する電気信号を出力する。エアフローメータ１３は、内燃機関１に吸入される空気量（吸入空気量）に相関する電気信号を出力する。Ａ／Ｆセンサ１４は、第１触媒ケーシング５より上流の排気通路３に配置され、排気の空燃比に相関する電気信号を出力する。

ＥＣＵ１０は、内燃機関１に取り付けられた各種機器（たとえば、燃料噴射弁等）、スロットル弁４、還元剤添加弁７、及びポンプ７０等と電気的に接続されている。ＥＣＵ１０は、前記した各種センサの出力信号に基づいて、内燃機関１の各種機器、スロットル弁４、還元剤添加弁７、及びポンプ７０等を電気的に制御する。例えば、ＥＣＵ１０は、内燃機関１の燃料噴射制御や、還元剤添加弁７から間欠的に還元剤を噴射させる添加制御等の既知の制御に加え、第２触媒ケーシング６に収容された選択還元型触媒の昇温制御を実行する。以下、本実施例における昇温制御の実行方法について述べる。

内燃機関１が冷間始動されたときは、酸化触媒及び選択還元型触媒が活性していない状態、すなわち、酸化触媒が排気中の未燃燃料成分（ＨＣやＣＯ等）を酸化することができず、且つ選択還元型触媒が排気中の窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を還元することができない状態になる。よって、酸化触媒及び選択還元型触媒を早期に活性させる必要がある。

酸化触媒及び選択還元型触媒を早期に活性化させる方法としては、酸化触媒より上流の排気通路３に燃料を添加し、又は膨張行程若しくは排気行程の気筒内へ燃料噴射弁からアフター噴射することにより、未燃燃料成分を酸化触媒へ供給する処理（昇温処理）を実行する方法が知られている。このような方法によれば、未燃燃料成分が酸化触媒で酸化される際に発生する熱を利用して、酸化触媒や選択還元型触媒を昇温させることができる。

ところで、酸化触媒や選択還元型触媒は、所定の温度より低いときは温度上昇量に対して浄化率の上昇量が少なくなる。ここで、酸化触媒の温度（床温）と浄化率（未燃燃料の酸化率）との関係を図２に示す。図２に示すように、酸化触媒の温度が所定の温度（第１温度）Ｔｅ１より低いときは、該酸化触媒の温度が上昇しても、浄化率がほとんど上昇しない。ここでいう「第１温度Ｔｅ１」は、第１触媒ケーシング５に収容されている酸化触媒の少なくとも一部が活性する温度（部分活性温度）である。酸化触媒の温度が前記第１温度Ｔｅ１より低いときに昇温処理が実行されると、酸化触媒に供給された未燃燃料成分の大部分が酸化されずに大気中に排出される可能性がある。

図３は、選択還元型触媒の温度と浄化率（ＮＯ_Ｘ浄化率）との関係を示す図である。図３に示すように、選択還元型触媒の温度が所定の温度（第２温度）Ｔｅ２より低いときは、該選択還元型触媒の温度上昇量に対して、ＮＯ_Ｘ浄化率の上昇量が少なくなる。一方、選択還元型触媒の温度が前記第２温度Ｔｅ２以上、且つ第３温度Ｔｅ３未満の範囲に属するときは、該選択還元型触媒の温度上昇量に対して、ＮＯ_Ｘ浄化率の上昇量が多くなる。

ここでいう「第２温度Ｔｅ２」は、選択還元型触媒の温度が所定量上昇したときの温度変化率（選択還元型触媒の温度上昇量に対してＮＯ_Ｘ浄化率が上昇する量の割合）が基準値以上となる最低の温度であり、例えば、第２触媒ケーシング６に収容されている選択還元型触媒の少なくとも一部が活性する温度（部分活性温度）である。また、「第３温度Ｔｅ３」は、選択還元型触媒の温度が所定量上昇したときの温度変化率が基準値以上となる最高の温度であり、例えば、第２触媒ケーシング６に収容されている選択還元型触媒の全体が活性する温度（完全活性温度）である。

選択還元型触媒の温度が前記第２温度Ｔｅ２より低いときに昇温処理が実行されると、選択還元型触媒の温度を上昇させることはできるが、ＮＯ_Ｘ浄化率を十分に上昇させることはできない。その結果、燃料消費量が不要に増加したり、酸化触媒で生成されるスモークや二酸化炭素（ＣＯ_２）の量が不要に増加したりする可能性がある。一方、選択還元型触媒の温度が前記第２温度Ｔｅ２以上、且つ前記第３温度Ｔｅ３未満であるときに昇温処理が実行されると、選択還元型触媒の温度を上昇させることができるとともに、ＮＯ_Ｘ浄化率も十分に上昇させることができる。

したがって、酸化触媒の温度が第１温度Ｔｅ１以上であると同時に、選択還元型触媒の温度が第２温度Ｔｅ２以上、且つ第３温度Ｔｅ３未満であることを条件として、昇温処理が実行されることが望ましい。

ここで、本実施例における昇温処理の実行方法について、図４のタイミングチャートに沿って説明する。内燃機関１が始動されると（図４中のｔ０）、排気の熱が酸化触媒と選択還元型触媒へ伝達される。その際、酸化触媒が選択還元型触媒より上流に配置されるため、酸化触媒が選択還元型触媒より先に昇温する。その結果、先ず酸化触媒の温度が前記第１温度Ｔｅ１以上に到達し（図４中のｔ１）、その後に選択還元型触媒の温度が前記第２温度Ｔｅ２以上に到達する（図４中のｔ２）。

内燃機関１の始動時から選択還元型触媒の温度が前記第２温度Ｔｅ２以上に到達するまでの期間（以下、「第１期間」と称する）は、選択還元型触媒の温度上昇量に対してＮＯ_Ｘ浄化率が上昇する量の割合（温度変化率）が小さくなる。そのため、前記第１期間中は、昇温処理が実行されない（昇温処理フラグがオフ（ＯＦＦ））。

選択還元型触媒の温度が前記第２温度Ｔｅ２以上に到達した時点（図４中のｔ２）から前記第３温度Ｔｅ３以上に到達する時点（図４中のｔ３）までの期間（以下、「第２期間」と称する）は第１期間に比べ、温度変化率が大幅に大きくなる。そのため、前記第２期間中は、昇温処理が実行される（昇温処理フラグがオン（ＯＮ））。第２期間において昇温処理が実行されると、選択還元型触媒の温度が急速に上昇するとともに、温度変化率も急速に増加する。その結果、選択還元型触媒のＮＯ_Ｘ浄化率を短時間で上昇させることができる。

昇温処理の実行時において、単位時間あたりに酸化触媒へ供給される未燃燃料の量は、従来の昇温処理（内燃機関１の始動時又は始動直後に、酸化触媒に対する未燃燃料の供給が開始される処理）が実行される場合より多くされることが好ましい。その場合、選択還元型触媒の温度上昇速度及びＮＯ_Ｘ浄化率の上昇速度を一層大きくすることができる。その結果、内燃機関１の始動後に低負荷運転状態が継続される場合であっても、選択還元型触媒を速やかに活性させることができる。また、昇温処理の実行時間が短くなるため、昇温処理に起因した燃料消費量の増加を少なく抑えることができる。

なお、単位時間あたりに酸化触媒へ供給される未燃燃料の量が増量された場合は、酸化触媒から排出されるＰＭの量やＣＯ_２の量が一時的に増加する可能性がある。ただし、昇温処理の実行前後に酸化触媒から排出されるスモーク（ＰＭ）の量やＣＯ_２の量は、従来の昇温処理が実行される場合より少なくなる。その結果、内燃機関１の始動時から選択還元型触媒が活性するまでの期間において酸化触媒から流出するＰＭやＣＯ_２の量は、従来の昇温処理が実行された場合と同等以下に抑えることができる。つまり、本実施例の昇温処理によれば、従来の昇温処理に比べ、比較的短い期間に酸化触媒から流出するＰＭやＣＯ_２の量が多くなる可能性があるが、比較的長い期間に酸化触媒から流出するＰＭやＣＯ_２の量を少なく抑えることができる。

したがって、本実施例の昇温処理によれば、燃料消費量の増加やエミッション（酸化触媒から流出するＰＭやＣＯ_２）の増加を少なく抑えつつ、選択還元型触媒を短時間に活性させることが可能になる。

次に、本実施例における昇温処理の実行手順について図５のフローチャートに沿って説明する。図５は、昇温処理が実行される際にＥＣＵ１０によって実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。図５の処理ルーチンは、予めＥＣＵ１０のＲＯＭ等に記憶されており、ＥＣＵ１０によって周期的に実行される。

図５の処理ルーチンでは、ＥＣＵ１０は、先ずＳ１０１において、酸化触媒の温度、及び選択還元型触媒の温度を読み込む。その際、ＥＣＵ１０は、酸化触媒の温度として第１排気温度センサ８の出力信号Ｔｃａｔ１を読み込み、選択還元型触媒の温度として第２排気温度センサ９の出力信号Ｔｃａｔ２を読み込む。なお、ＥＣＵ１０がＳ１０１の処理を実行することにより、本発明に係わる検出手段が実現される。

Ｓ１０２では、ＥＣＵ１０は、選択還元型触媒の温度Ｔｃａｔ２が所定の温度範囲に属するか否かを判別する。ここでいう「所定の温度範囲」は、前記第２温度Ｔｅ２以上、且つ前記第３温度Ｔｅ３未満の温度範囲である。Ｓ１０２において否定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、本処理ルーチンの実行を終了する。一方、Ｓ１０２において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０３へ進む。

Ｓ１０３では、ＥＣＵ１０は、酸化触媒の温度Ｔｃａｔ１が前記第１温度Ｔｅ１以上であるか否かを判別する。Ｓ１０３において否定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、本処理ルーチンの実行を終了する。一方、Ｓ１０３において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０４へ進む。

なお、ＥＣＵ１０がＳ１０２及びＳ１０３の処理を実行することにより、本発明に係わる制御手段が実現される。

Ｓ１０４では、ＥＣＵ１０は、昇温処理を実行する。すなわち、ＥＣＵ１０は、膨張行程又は排気行程の気筒の燃料噴射弁から燃料を噴射（アフター噴射）させる。その場合の燃料噴射量は、従来の昇温処理が実行される場合より多くされる。このような方法により昇温処理が実行されると、選択還元型触媒の温度が急速に上昇するとともに、ＮＯ_Ｘ浄化率も急速に増加する。なお、ＥＣＵ１０がＳ１０４の処理を実行することにより、本発明に係わる昇温手段が実現される。

Ｓ１０５では、ＥＣＵ１０は、第２排気温度センサ９の出力信号Ｔｃａｔ２を再度読み込む。

Ｓ１０６では、ＥＣＵ１０は、前記Ｓ１０５において読み込まれた温度Ｔｃａｔ２が前記第３温度Ｔｅ３以上であるか否かを判別する。Ｓ１０６において否定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０１以降の処理を再度実行する。一方、Ｓ１０６において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０７へ進む。

Ｓ１０７では、ＥＣＵ１０は、昇温処理の実行を終了する。すなわち、ＥＣＵ１０は、燃料噴射弁のアフター噴射を終了させる。

以上述べた手順により昇温処理が実行されると、昇温処理に起因した燃料消費量やエミッションの増加を少なく抑えつつ、選択還元型触媒を速やかに昇温させることができる。特に、内燃機関１の冷間始動後に低負荷運転状態が継続されるような場合であっても、選択還元型触媒を短時間で活性させることが可能となるため、従来の昇温処理が実行された場合に比べ、大気中へ排出されるＮＯ_Ｘの量を少なく抑えることができる。

なお、本実施例では、選択還元型触媒の温度が前記第２温度Ｔｅ２以上、且つ前記第３温度Ｔｅ３未満の温度範囲に属することを条件として、昇温処理が実行される例について述べた。しかしながら、選択還元型触媒のＮＯ_Ｘ浄化率は、該選択還元型触媒の温度以外の要因によって変化する場合がある。そのため、選択還元型触媒の温度変化率も、該選択還元型触媒の温度以外の要因によって変化する可能性がある。

そこで、ＥＣＵ１０は、選択還元型触媒のＮＯ_Ｘ浄化率が所定の浄化率範囲に属することを条件として、昇温処理を実行してもよい。その場合、ＥＣＵ１０は、前述した図５の処理ルーチンのＳ１０２において、選択還元型触媒のＮＯ_Ｘ浄化率を演算し、算出されたＮＯ_Ｘ浄化率が所定の浄化率範囲に属する否かを判別すればよい。なお、ここでいう「所定の浄化率範囲」は、選択還元型触媒の温度変化率が基準値以上となるＮＯ_Ｘ浄化率の範囲であり、予め実験的に求められた範囲である。

選択還元型触媒のＮＯ_Ｘ浄化率は、以下の式を用いて演算することができる。
Ｅｎｏｘ＝（Ａｎｏｘｉｎ−Ａｎｏｘｏｕｔ）／Ａｎｏｘｉｎ
上記の式中のＥｎｏｘは、ＮＯ_Ｘ浄化率である。Ａｎｏｘｉｎは、選択還元型触媒へ流入するＮＯ_Ｘの量（ＮＯ_Ｘ流入量）である。Ａｎｏｘｏｕｔは、選択還元型触媒から流出するＮＯ_Ｘの量（ＮＯ_Ｘ流出量）である。

前記ＮＯ_Ｘ流入量Ａｎｏｘｉｎは、選択還元型触媒より上流の排気通路３に配置されるＮＯ_Ｘセンサによって測定されてもよく、又は内燃機関１の運転状態（燃料噴射量、吸入空気量、及び機関回転数等）に基づいて演算されてもよい。前記ＮＯ_Ｘ流出量Ａｎｏｘｏｕｔは、選択還元型触媒より下流の排気通路３に配置されるＮＯ_Ｘセンサにより測定されてもよい。

選択還元型触媒のＮＯ_Ｘ浄化率が所定の浄化率範囲に属しているか否かを判別することにより、選択還元型触媒の温度変化率が基準値以上である否かをより正確に判別することができる。

また、ＥＣＵ１０は、選択還元型触媒の温度が現時点の温度から所定量上昇した場合の温度変化率を演算し、その温度変化率が基準値以上であるか否かを判別するようにしてもよい。その際の温度変化率は、選択還元型触媒の現時点の温度と、排気の流量と、排気の空燃比と、排気中に含まれるＮＯ_２の量（好ましくは、排気中に含まれるＮＯ_Ｘの量に対するＮＯ_２の量の割合）に相関する。排気中に含まれるＮＯ_２の量は、酸化触媒の現時点の温度と排気の空燃比に相関する。

そこで、ＥＣＵ１０は、前述した図５の処理ルーチンのＳ１０２において、選択還元型触媒の現時点の温度と、酸化触媒の現時点の温度と、排気の流量と、排気の空燃比と、をパラメータとして、選択還元型触媒の温度が現時点の温度から所定量増加した場合の温度変化率を演算し、算出された温度変化率が基準値以上であるか否かを判別してもよい。なお、温度変化率と、選択還元型触媒の現時点の温度と、酸化触媒の現時点の温度と、排気の流量と、排気の空燃比との関係は、予めマップとしてＥＣＵ１０のＲＯＭに記憶されていてもよい。

このような方法により演算された温度変化率が基準値以上であるか否かを判別することにより、選択還元型触媒の温度変化率が基準値以上であるか否かをより正確に判別することができる。

また、ＥＣＵ１０は、昇温処理の実行中において、選択還元型触媒のＮＯ_Ｘ浄化率が一定値を超えると、燃料噴射弁からアフター噴射される燃料の量（アフター噴射量）を減少させるようにしてもよい。ここでいう「一定値」は、例えば、第２触媒ケーシング６に収容される選択還元型触媒の全体が活性したときのＮＯ_Ｘ浄化率より小さい値であって、ＮＯ_Ｘ触媒の大部分が活性したときのＮＯ_Ｘ浄化率と同等の値である。このような条件に従って、アフター噴射量が原料されると、昇温処理に伴う燃料消費量の増加及びエミッションの増加を一層少なく抑えることができる。

＜実施例２＞
次に、本発明の第２の実施例について図６及び図７に基づいて説明する。ここでは、前述した第１の実施例と異なる構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。

前述した第１の実施例と本実施例との差違は、選択還元型触媒の温度が所定量上昇した場合の温度変化率が基準値以上であることに加え、酸化触媒から流出するエミッションの積算量が比較値以下であることを条件として、昇温処理が実行される点にある。ここでいう「エミッション」は、アフター噴射の実行により増加する排気成分であり、例えば、酸化触媒から流出するＰＭおよびまたはＣＯ_２である。「比較値」は、従来の昇温処理が実行された場合に酸化触媒から流出するエミッションの積算量である。

図６は、本実施例における昇温処理の実行方法を示すタイミングチャートである。図６に示すタイミングチャートは、内燃機関１の始動と運転停止が３回繰り返された場合における昇温処理の実行方法を示す図である。図６中において、実線は本発明の昇温処理が実行された場合のデータを示し、一点鎖線は従来の昇温処理が実行された場合のデータを示す。

図６中において、内燃機関１の１回目の始動（図６中のｔ１０）から運転停止（図６中のｔ１３）までの期間において、選択還元型触媒の温度Ｔｃａｔ２が前記第２温度Ｔｅ２に達したとき（図６中のｔ１１）は、酸化触媒から流出するＰＭおよびまたはＣＯ_２の積算量（積算ＰＭ・ＣＯ_２量）が比較値より少ないため、昇温処理が実行される。昇温処理は、選択還元型触媒の温度Ｔｃａｔ２が前記第３温度Ｔｅ３に達したとき（図６中のｔ１２）に終了される。

内燃機関１の１回目の運転停止（図６中のｔ１３）から２回目の始動（図６中のｔ１４）の期間では、選択還元型触媒の温度Ｔｃａｔ２が前記第２温度Ｔｅ２より低い温度域まで低下する。しかしながら、内燃機関１の２回目の始動（図６中のｔ１４）から運転停止（図６中のｔ１６）の期間においては、選択還元型触媒の温度Ｔｃａｔ２が前記第２温度Ｔｅ２に達したとき（図６中のｔ１５）に、積算ＰＭ・ＣＯ_２量が比較値より多いため、昇温処理が実行されない。

次に、内燃機関１の３回目の始動（図６中の１７）以降において、選択還元型触媒の温度Ｔｃａｔ２が前記第２温度Ｔｅ２に達したとき（図６中のｔ１８）は、積算ＰＭ・ＣＯ_２量が比較値より少ないため、昇温処理が実行される。

なお、図６中の比較値は、前述した従来の昇温処理が実行された場合における積算ＰＭ・ＣＯ_２量である。本発明の昇温処理が実行された場合の積算ＰＭ・ＣＯ_２量、及び従来の昇温処理が実行された場合の積算ＰＭ・ＣＯ_２量は、アフター噴射量や酸化触媒の温度等のような既知のパラメータを用いて演算することができる。

図６に示した方法によって昇温処理が実行されると、１回当たりの昇温処理において酸化触媒から流出するＰＭおよびまたはＣＯ_２の量は、従来の昇温処理が実行された場合より多くなる可能性がある。しかしながら、積算ＰＭ・ＣＯ_２量が比較値より多いときは、昇温処理が実行されないため、複数回の始動と運転停止が繰り返されるような長期間における積算ＰＭ・ＣＯ_２量は従来の昇温処理が実行された場合より少なく抑えることができる。その結果、内燃機関１が如何なる運転をされた場合であっても、長期間における積算ＰＭ・ＣＯ_２量を従来の昇温処理が実行された場合より少なく抑えることができる。

ところで、本発明の昇温処理が実行されない場合の選択還元型触媒のＮＯ_Ｘ浄化率は、従来の昇温処理が実行された場合より低くなることが懸念される。しかしながら、従来の昇温処理は温度変化率が小さいときに実行される。そのため、図６中のｔ１４からｔ１６の期間に示すように、本発明の昇温処理が実行されない場合に大気中へ排出されるＮＯ_Ｘの量は、従来の昇温処理が実行された場合に大気中へ排出されるＮＯ_Ｘの量と略同等になる。逆に、本発明の昇温処理が実行された場合に大気中へ排出されるＮＯ_Ｘの量は、従来の昇温処理が実行された場合に大気中へ排出されるＮＯ_Ｘの量に比べ、十分に少なくなる。よって、長期間において大気中へ排出されるＮＯ_Ｘの量は、従来の昇温処理が実行された場合より本発明の昇温処理が実行された場合の方が少なくなる。

以下、本実施例における昇温処理の実行手順について図７のフローチャートに沿って説明する。図７は、昇温処理が実行される際にＥＣＵ１０によって実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。この処理ルーチンは、予めＥＣＵ１０のＲＯＭ等に記憶されており、ＥＣＵ１０によって周期的に実行される。なお、図７において、前述した第１の実施例の処理ルーチン（図５を参照）と同様の処理には、同一の符号が付されている。

図７の処理ルーチンでは、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０３において肯定判定された場合（Ｔｃａｔ１≧Ｔｅ１）に、Ｓ２０１の処理を実行する。Ｓ２０１では、ＥＣＵ１０は、積算ＰＭ・ＣＯ_２量ΣＰＭ・ＣＯ_２が比較値Ｃｖより小さいか否かを判別する。積算ＰＭ・ＣＯ_２量ΣＰＭ・ＣＯ_２は、排気の空燃比、酸化触媒の温度、及びアフター噴射量等をパラメータとして、逐次演算される。また、比較値Ｃｖは、従来の昇温処理が実行されたと仮定した場合のアフター噴射量と、排気の空燃比、酸化触媒の温度、及びアフター噴射量等をパラメータとして、逐次演算される。このような方法に従って、ＥＣＵ１０が積算ＰＭ・ＣＯ_２量ΣＰＭ・ＣＯ_２及び比較値Ｃｖを演算することにより、本発明に係わる演算手段が実現される。

前記Ｓ２０１において否定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、昇温処理を実行せずに、本処理ルーチンの実行を終了する。一方、前記Ｓ２０１において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０４へ進み、昇温処理を実行する。

以上述べた手順により昇温処理が実行されると、前述した第１の実施例と同様の効果を得ることができるとともに、長期間における積算ＰＭ・ＣＯ_２量や大気中に排出されるＮＯ_Ｘの量を従来の昇温処理が実行された場合より少なく抑えることができる。その結果、内燃機関１の始動と再始動が短期間に繰り返される場合や、内燃機関１の始動後に低負荷運転状態が継続される場合等の多様な条件下においても、昇温処理の実行に起因したエミッションの増加を少なく抑えつつ、大気中へ排出されるＮＯ_Ｘ量を減少させることが可能になる。

なお、前述した第１及び第２の実施例では、本発明に係わるＮＯ_Ｘ触媒として、選択還元型触媒を例に挙げたが、吸蔵還元型触媒であってもよい。また、前述した第１及び第２の実施例では、選択還元型触媒より上流の排気通路３にパティキュレートフィルタが配置される例について述べたが、選択還元型触媒より下流の排気通路にパティキュレートフィルタが配置されてもよく、又はパティキュレートフィルタに選択還元型触媒が担持されてもよい。要するに、本発明は、選択還元型触媒より上流の排気通路３に酸化触媒が配置される構成であれば適用可能である。

１ 内燃機関
２ 吸気通路
３ 排気通路
４ スロットル弁
５ 第１触媒ケーシング
６ 第２触媒ケーシング
７ 還元剤添加弁
８ 第１排気温度センサ
９ 第２排気温度センサ
１０ ＥＣＵ
１１ クランクポジションセンサ
１２ アクセルポジションセンサ
１３ エアフローメータ
１４ Ａ／Ｆセンサ１
７０ ポンプ
７１ 還元剤タンク

Claims (6)

1. 車両に搭載された内燃機関の排気通路に配置されるＮＯ_Ｘ触媒と、
   前記ＮＯ_Ｘ触媒へ流入する排気の温度を上昇させることにより、前記ＮＯ_Ｘ触媒を昇温させる処理である昇温処理を実行する昇温手段と、
   前記ＮＯ_Ｘ触媒の温度を検出する検出手段と、
   前記ＮＯ_Ｘ触媒の温度が前記検出手段により検出された温度から所定量上昇したと仮定した場合の前記所定量に対するＮＯ_Ｘ浄化率の上昇量の割合である温度変化率が基準値以上であれば、前記昇温処理の実行を許可し、前記温度変化率が前記基準値未満であれば、前記昇温処理の実行を禁止する制御手段と、
   を備える内燃機関の排気浄化装置。
2. 請求項１において、前記ＮＯ_Ｘ触媒より上流の排気通路に配置される酸化触媒をさらに備え、
   前記昇温処理は、前記酸化触媒へ未燃燃料を供給する処理であり、
   前記制御手段は、前記酸化触媒の温度が所定の活性温度以上であり、且つ前記温度変化率が前記基準値以上であることを条件として、前記昇温処理の実行を許可する内燃機関の排気浄化装置。
3. 請求項２において、前記酸化触媒から流出する排気に含まれるエミッションの量を積算する演算手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記演算手段により算出されたエミッションの積算量が比較値を超えているときは、前記昇温処理の実行を禁止する内燃機関の排気浄化装置。
4. 請求項２又は３において、前記制御手段は、前記昇温処理の実行中に前記ＮＯ_Ｘ触媒のＮＯ_Ｘ浄化率が一定値を超えると、前記酸化触媒へ供給される未燃燃料の量を減少させる内燃機関の排気浄化装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項において、前記制御手段は、前記検出手段により検出された温度が所定の温度範囲に属するときに、前記温度変化率が前記基準値以上であると判定する内燃機関の排気浄化装置。
6. 請求項１乃至４のいずれか一項において、前記制御手段は、前記ＮＯ_Ｘ触媒のＮＯ_Ｘ浄化率が所定の浄化率範囲に属するときに、前記温度変化率が前記基準値以上であると判定する内燃機関の排気浄化装置。

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