JP6036098B2 - 内燃機関とその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ｄｅＮＯｘ触媒（ＮＯｘ浄化触媒）を用いてＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化する際に、低負荷時でも、燃費を悪化させずに、ＮＯｘを浄化する内燃機関と、その制御方法に関する。

従来、エンジン（内燃機関）から排出される排ガス中のＮＯｘを浄化するために、ＬＮＴ触媒（ｌｅａｎ−ＮＯｘ−ｔｒａｐ触媒；ＮＯｘ吸蔵還元触媒など）や、尿素ＳＣＲ触媒（尿素選択的触媒還元触媒）などのｄｅＮＯｘ触媒が利用されている。

このｄｅＮＯｘ触媒は、触媒が活性化する温度（以下、活性温度という）よりも低い温度では、触媒反応が低下してＮＯｘの還元効率が低下する。特に、エンジンの始動時などの低負荷時のＮＯｘの浄化率は低い。

例えば、ＮＯｘを吸蔵して還元するＬＮＴ触媒は、比較的低温でも、理論空燃比よりも燃料の割合が薄い状態のリーン状態であれば、ＮＯｘを吸蔵することはできる。しかし、理論空燃比よりも燃料の割合が濃い状態のリッチ状態でＮＯｘを放出し、還元する（以下、リッチ還元という）ためには、ＬＮＴ触媒を高温にする必要があるため、低負荷時の浄化率は低下する。一方、尿素ＳＣＲ触媒は、ＮＨ_３（アンモニア）の還元効率が低温で低下するため、低負荷時の浄化率も低下する。

排ガス評価モード外の渋滞路や、低負荷で且つコールド状態から開始するＮＥＤＣ（新欧州ドライビングサイクル）モードなどの排ガス評価モードでは、上記の理由により、ｄｅＮＯｘ触媒が十分に機能せずにＮＯｘを浄化することができなかった。

そこで、その問題に対して、ＮＯｘ吸蔵還元触媒からＮＯｘを放出すべきときの酸化触媒の触媒温度が予め定められた温度より低いとき、ポスト噴射を行う機関サイクルを開始し、前記ポスト噴射を行う機関サイクルの開始時期を排気系噴射の開始時期よりも予め定められた先行時間だけ早く設定し、該先行時間は酸化触媒の温度が低いほど長く設定する装置（例えば、特許文献１参照）がある。

また、触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、触媒温度検出手段の検出値に基づいて触媒が活性化しているか否かを判定する活性化判定手段とを有し、活性化判定手段の判定結果に基づいて、機関の運転モードとして排気温度を上昇させることを優先する排気昇温モードまたは排気成分を低減させることを優先する排気成分低減モードのいずれかを選択して実行する制御手段と、を備える装置（例えば、特許文献２参照）もある。

それらの装置は、ｄｅＮＯｘ触媒を昇温するために、多段噴射を用いて排気温度を上昇させているが、この昇温のための多段噴射は、燃費の悪化を伴うため、常時実施することができない。その燃費が悪化するという問題を解決するために、特許文献１には、ＮＯｘ吸蔵還元触媒からＮＯｘを放出すべきときに多段噴射を行うことが開示されている。また、特許文献２には、触媒温度検出手段の検出値に基づいて触媒が活性化しているか否かを判定し、その判定結果に基づいて多段噴射を行うことが開示されている。

しかしながら、それらの装置は触媒の温度を多段噴射の判断基準としており、常時多段噴射を実施するものに比べて燃費の悪化を抑制することはできるが、燃費の悪化を最小に抑えることはできない。また、ｄｅＮＯｘ触媒が活性化した後の還元を促進するタイミン
グにも適切なタイミングがあり、そのタイミングで還元を促進することで、より燃費の悪化を抑制することが可能となる。

特開２０１０−０３８１１６号公報 特開２０１０−１１２１９２号公報

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の低負荷時でも、燃費が悪化しない効果的なタイミングを算出して、ＮＯｘの浄化を行うことができる内燃機関とその制御方法を提供することである。

上記の目的を解決するための本発明の内燃機関は、燃料を多段噴射可能な燃料噴射弁と、排気通路に設けられたＮＯｘ浄化触媒と、を備える内燃機関において、触媒温度検出手段、ＮＯｘ濃度検出手段、及び排ガス流量検出手段を具備する制御装置を備えると共に、前記制御装置が、前記触媒温度検出手段で検知した温度パラメータ、前記ＮＯｘ濃度検出手段で検知したＮＯｘ濃度パラメータ、及び前記排ガス流量検出手段で検知した排ガス流量パラメータを含むタイミング推定パラメータを用いて算出した昇温タイミングで、前記燃料噴射弁を多段噴射制御して、前記ＮＯｘ浄化触媒の温度を昇温する触媒昇温手段と、前記触媒昇温手段による前記ＮＯｘ浄化触媒の昇温後に、再検知した前記タイミング推定パラメータを用いて算出した還元タイミングで、前記ＮＯｘ浄化触媒でのＮＯｘの還元を促進する還元促進手段と、を備えて構成される。

この構成によれば、タイミング推定パラメータを用いて算出した昇温タイミングでＮＯｘ浄化触媒を昇温し、その後、再検出したタイミング推定パラメータを用いて算出した還元タイミングでＮＯｘ浄化触媒でのＮＯｘの還元を促進するため、内燃機関が低負荷時でも、燃費の悪化を最小に抑えつつ、ＮＯｘを浄化することができる。

なお、ここでいうＮＯｘ浄化触媒とは、ＬＮＴ触媒（ｌｅａｎ−ＮＯｘ−ｔｒａｐ触媒；ＮＯｘ吸蔵還元触媒など）や尿素ＳＣＲ触媒（尿素選択的触媒還元触媒）のことをいう。また、多段噴射とは、通常の燃焼（予混合燃焼と拡散燃焼）に対して、主噴射時期を上死点より遅らせ、且つアフター噴射、又はポスト噴射を拡散燃焼機関に継続して行い、燃焼温度を高く保った状態で排気ポートを開く噴射のことをいう。

また、上記の内燃機関において、前記制御装置が、前記触媒温度検出手段で検知した前記ＮＯｘ浄化触媒の触媒温度が予め定めた活性温度よりも低くなる第１条件と、前記タイミング推定パラメータを用いて算出した前記ＮＯｘ浄化触媒の吸蔵量が予め定めた判定吸蔵量以上、又は、前記タイミング推定パラメータを用いて算出した前記ＮＯｘ浄化触媒のＮＯｘ浄化率が予め定めた判定浄化率以下になる第２条件と、前記タイミング推定パラメータを用いて算出され、前記触媒温度を前記活性温度に昇温するために必要な燃料の噴射量から推定した推定燃費悪化率が、予め定めた判定燃費悪化率以下で安定する第３条件と、を判断し、前記第１条件、前記第２条件、及び前記第３条件の全てを満たしたときを前記昇温タイミングとする昇温タイミング推定手段と、前記触媒昇温手段の後に、前記触媒温度検出手段で検知した前記触媒温度が前記活性温度に達する第４条件と、再検知した前記タイミング推定パラメータを用いて、前記ＮＯｘ浄化触媒で還元されるＮＯｘの時間当りの還元量を推定した推定還元量が、予め定めた判定還元量以上になる第５条件と、を判断し、前記第４条件と前記第５条件の両方を満たしたときを前記還元タイミングとする還元タイミング推定手段と、を備えると、触媒の吸蔵量、ＮＯｘ浄化率、推定燃費悪化率、及び推定還元量を常時算出することにより、効果的なタイミングでＮＯｘを還元して、低負荷条件でもＮＯｘを低減することができる。

加えて、上記の内燃機関において、前記ＮＯｘ浄化触媒をＬＮＴ触媒で形成し、前記制御装置が、前記還元促進手段として、空燃比をリッチに維持するリッチ還元手段を備えて構成する。

また、上記の内燃機関において、前記ＮＯｘ浄化触媒を、尿素ＳＣＲ触媒で形成し、前記制御装置が、前記還元促進手段として、尿素水を前記ＮＯｘ浄化触媒に噴射する尿素水噴射手段を備えて構成する。

上記の構成によれば、それぞれ装置の構成は従来の構成でよいため、別途追加はなく、追加コストを発生させずに、前述した作用効果を得ることができる。

さらに、上記の目的を解決するための本発明の内燃機関の制御方法は、燃料を多段噴射可能な燃料噴射弁と、排気通路に設けられたＮＯｘ浄化触媒と、を備える内燃機関の制御方法において、前記ＮＯｘ浄化触媒の温度パラメータ、ＮＯｘ濃度パラメータ、及び排ガス流量パラメータを含むタイミング推定パラメータを用いて算出した昇温タイミングで、前記燃料噴射弁を多段噴射制御して、前記ＮＯｘ浄化触媒の温度を昇温し、前記ＮＯｘ浄化触媒の昇温後に、再検知した前記タイミング推定パラメータを用いて算出した還元タイミングで、前記ＮＯｘ浄化触媒でのＮＯｘの還元を促進することを特徴とする方法である。

その上、上記の内燃機関の制御方法において、前記昇温タイミングを、前記ＮＯｘ浄化触媒の触媒温度が予め定めた活性温度よりも低くなる第１条件と、前記タイミング推定パラメータを用いて算出した前記ＮＯｘ浄化触媒の吸蔵量が予め定めた判定吸蔵量以上、又は、前記タイミング推定パラメータを用いて算出した前記ＮＯｘ浄化触媒のＮＯｘ浄化率が予め定めた判定浄化率以下になる第２条件と、前記タイミング推定パラメータを用いて、前記触媒温度を前記活性温度に昇温するために必要な燃料の噴射量を推定した推定燃費悪化率が、予め定めた判定燃費悪化率以下で安定する第３条件の全てを満たしたときとし、前記還元タイミングを、前記ＮＯｘ浄化触媒の昇温後に検知した前記触媒温度が前記活性温度に達する第４条件と、再検知した前記タイミング推定パラメータを用いて、前記ＮＯｘ浄化触媒で還元されるＮＯｘの時間当りの還元量を推定した推定還元量が、予め定めた判定還元量以上になる第５条件の両方を満たしたときとすることが好ましい。

本発明によれば、内燃機関の低負荷時でも、燃費が悪化しない効果的なタイミングを算出して、ＮＯｘの浄化を行うことができる。また、装置の構成は従来の構成でよいため、別途追加はなく、追加コストを発生させずに、その効果を得ることできる。

本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関の構成を示す図である。 図１の制御装置の構成を示す図である。 本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関の制御方法を示すフローチャートである。 図３の還元促進工程を示すフローチャートである。 本発明に係る第２の実施の形態の内燃機関の構成を示す図である。 図５の制御装置の構成を示す図である。 本発明に係る第２の実施の形態の内燃機関の制御方法を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関と、その制御方法について、図面を参照しながら説明する。以下の実施の形態では、直列四気筒のディーゼルエンジンを例に説明するが、本発明はディーゼルエンジンに限定せずに、ガソリンエンジンにも適用することができ、その気筒数や、気筒の配列は限定しない。なお、図面に関しては、構成が分かり易いように寸法を変化させており、各部材、各部品の板厚や幅や長さなどの比率も必ずしも実際に製造するものの比率とは一致させていない。

まず、本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関について、図１及び図２を参照しながら説明する。このエンジン１は、図１に示すように、エンジン本体２、エキゾーストマニホールド３、インレットマニホールド４、ＥＧＲ（排気再循環）システム５、ターボチャージャー６、エアクリーナー７、インタークーラー８、吸気スロットル９、及び、排ガスの後処理装置１０を備え、各装置を、排気配管、又は吸気配管とよばれる配管によって接続し、排気通路Ｅｘと吸気通路Ｉｎを形成する。

また、エンジン本体２には、燃料噴射システム１１として、燃料タンク１２、燃料ポンプ１３、コモンレール１４、及び多段噴射可能なインジェクタ１５を備え、後処理装置１０には、ｄｅＮＯｘ触媒（ＮＯｘ浄化触媒）としてＬＮＴ触媒（Ｌｅａｎ−ＮＯｘ−ｔｒａｐ触媒；ＮＯｘ吸蔵還元触媒）１６と、ＤＰＦ（ディーゼル微粒子捕集フィルタ）１７を備える。

加えて、ＬＮＴ触媒１６の前後に配置した第１温度センサＳ１と第２温度センサＳ２、ＬＮＴ触媒１６の前後に配置した第１ＮＯｘ濃度センサＳ３と第２ＮＯｘ濃度センサＳ４、及び、排ガス流量センサＳ５などの各センサと接続され、各装置を制御するＥＣＵ（制御装置）１８を備える。

インジェクタ１５は、周知の技術の多段噴射可能な燃料噴射弁である。なお、ここでいう多段噴射とは、通常の燃焼（予混合燃焼と拡散燃焼）に対して、主噴射時期を上死点より遅らせ、且つアフター噴射、又はポスト噴射を拡散燃焼機関に継続して行い、燃焼温度を高く保った状態で排気ポートを開く噴射のことをいう。

また、ＬＮＴ触媒１６は、周知の技術のＮＯｘを吸蔵し、還元するＬＮＴ触媒である。このＬＮＴ触媒１６は、排ガスがリーン状態（希薄燃焼）の高酸素濃度雰囲気下では、排ガス中のＮＯが触媒金属の触媒作用により酸化されてＮＯ_２となり、ＮＯ_３ ⁻の形で触媒内に拡散し、ＮＯｘ吸蔵材に選択的にＮＯ_２を吸蔵する。

そして、排ガスがリッチ状態になり酸素濃度が低下するとＮＯ_３ ⁻がＮＯ_２の形でＮＯｘ吸蔵材から放出される。この放出されたＮＯ_２は、排気ガス中に含まれている未燃ＨＣ（燃料など）やＣＯやＨ_２等の還元剤により触媒金属の触媒作用を受けて、Ｎ_２に還元される。この還元作用により、大気中にＮＯｘが放出されるのを阻止することができる。このリッチ状態での還元作用を、以下リッチ還元という。

本発明のエンジン１は、低負荷時に、燃費が悪化しない効果的な昇温タイミングと還元タイミングを算出して、ＮＯｘの浄化を行う。そのため、図２に示すように、ＥＣＵ１８に、触媒温度検出手段Ｃ１、ＮＯｘ濃度検出手段Ｃ２、排ガス流量検出手段Ｃ３、昇温タイミング推定手段Ｃ４、触媒昇温手段Ｃ５、還元タイミング推定手段Ｃ６、還元促進手段Ｃ７、及び還元終了タイミング算出手段Ｃ８を備えることを特徴とする。

触媒温度検出手段Ｃ１は、温度パラメータとして、ＬＮＴ触媒１６の前温度Ｔａ（［℃］）及び後温度Ｔｂ（［℃］）を第１温度センサＳ１及び第２温度センサＳ２が検出する手段であり、この実施の形態では、第１温度センサＳ１で検出した前温度Ｔａを触媒温度Ｔ_ＬＮＴ（［℃］）として用いる。

ＮＯｘ濃度検出手段Ｃ２は、ＮＯｘ濃度パラメータとして、ＬＮＴ触媒１６の前ＮＯｘ濃度Ｃａ（［ｐｐｍ］）及び後ＮＯｘ濃度Ｃｂ（［ｐｐｍ］）を第１ＮＯｘ濃度センサＳ３及び第２ＮＯｘ濃度センサＳ４で検出する手段であり、排ガス流量検出手段Ｃ３は、排ガス流量パラメータとして、排気通路Ｅｘを流れる排ガス流量Ｑｇ（［Ｋｇ／ｓ］）を排ガス流量センサＳ５で検知する手段である。

この実施の形態では、各センサＳ１〜Ｓ５を用いて、上記の温度パラメータ、ＮＯｘ濃度パラメータ、及び排ガス流量パラメータを含むタイミング推定パラメータを検出したが、本発明はこの構成に限定せず、例えば、各センサＳ１〜Ｓ５で検知した情報ではなく、エンジン１の運転状態（エンジン１の車速や回転数）などの情報を取得し、その情報からタイミング推定パラメータを推定してもよい。

昇温タイミング推定手段Ｃ４は、上記のタイミング推定パラメータを用いて算出した第１条件、第２条件、及び第３条件が全て満たされたときを、ＬＮＴ触媒１６を昇温するタイミングとする手段である。

その第１条件は、触媒温度Ｔ_ＬＮＴが予め定めた活性温度Ｔｘ（［℃］）よりも低くなることである。この活性温度Ｔｘは、任意の温度に設定することができ、ＬＮＴ触媒１６が活性化し、リッチ還元が促進される温度が好ましく、例えば、２００℃〜３００℃に設定される。

また、第２条件は、ＬＮＴ触媒１６のＮＯｘ吸蔵量Ｖ_ＮＯｘ（［ｇ］）が予め定めた判定吸蔵量Ｖｘ（［ｇ］）以上、又は、ＬＮＴ触媒１６のＮＯｘ浄化率Ｒ_ＮＯｘ（［％］）が予め定めた判定浄化率Ｒｘ（［％］）以下になることである。このＮＯｘ吸蔵量Ｖ_ＮＯｘは、前ＮＯｘ濃度Ｃａ及び後ＮＯｘ濃度Ｃｂと、排ガス流量Ｑｇから算出される値であり、例えば、以下の数式（１）より算出される。ここで、ＮＯｘ濃度差をΔＣ（Ｃａ−Ｃｂ）、ＮＯｘの分子重量をｍ（［ｇ］）、気体の標準状態の１ｍｏｌの体積を２２．４（［Ｌ］）とする。

ＮＯｘ浄化率Ｒ_ＮＯｘは、前ＮＯｘ濃度Ｃａ及び後ＮＯｘ濃度Ｃｂから算出される値であり、例えば、以下の数式（２）より算出される。

上記の判定吸蔵量Ｖｘと判定浄化率Ｒｘは、それぞれ任意の値に設定することができ、ＬＮＴ触媒１６がリーン状態のときに吸蔵したＮＯｘを放出する必要がある状態を示すこ
とができる値が好ましい。

さらに、第３条件は、推定燃費悪化率Ｒ_ＦＵＥＬ（［％］）が、予め定めた判定燃費悪化率Ｒｙ（［％］）以下で安定することである。その推定燃費悪化率Ｒ_ＦＵＥＬは、触媒温度Ｔ_ＬＮＴを活性温度Ｔｘに昇温するために必要な燃料の噴射量Ｌ１（［Ｌ］）から推定される値であり、その昇温するために必要な燃量の噴射量Ｌ１は、ＬＮＴ触媒１６でリッチ還元が機能する温度である活性温度Ｔｘと、ＬＮＴ触媒１６の後温度Ｔｂと、排ガス流量Ｑｇから、推定温度計算を行って算出される。

この推定燃費悪化率Ｒ_ＦＵＥＬは、例えば、以下の数式（３）〜（５）より算出される。ここで触媒発熱量をＪ（［Ｊ／ｓ］）、排ガス比熱をＰ（［Ｊ／Ｋｇ・Ｋ］）、燃料の定位発熱量を３８．２（［ＭＪ／Ｌ］）、昇温するために必要な燃料の噴射量以外の燃料の噴射量をＬ２（［Ｌ］）とする。

ここでいう推定燃費悪化率Ｒ_ＦＵＥＬが判定燃費悪化率Ｒｙ以下で安定するとは、推定燃費悪化率Ｒ_ＦＵＥＬが判定燃費悪化率Ｒｙ（例えば５％など）以下のできるだけ近い値で略一定の状態になることをいう。また、判定燃費悪化率Ｒｙは任意の値に設定することはできるが、できるだけ小さな値に設定することが好ましい。

例えば、ＬＮＴ触媒１６を１００℃から２００℃以上に昇温する場合と、１５０℃から２００℃以上に昇温する場合では、後者の方が燃費悪化率は少なくて済む。よって、燃費を悪化させずにＬＮＴ触媒１６を昇温するためには、後者の条件を推定することが必要となる。そこで、推定燃費悪化率Ｒ_ＦＵＥＬが判定燃費悪化率Ｒｙ以下の値で安定することを判断することで、燃費の悪化を抑制することができる。

この昇温タイミング推定手段Ｃ４によれば、第１条件と第２条件からＬＮＴ触媒１６の状態を判断し、その後、第３条件として、推定燃費悪化率Ｒ_ＦＵＥＬを用いて判断することで、燃費の悪化を最小とする昇温タイミングを算出することができる。

触媒昇温手段Ｃ５は、昇温タイミング推定手段Ｃ４で算出されたタイミングで、インジェクタ１５を多段噴射制御する手段であり、これにより、排ガス温度が上昇し、ＬＮＴ触媒１６を昇温することができる。また、この触媒昇温手段Ｃ５で燃料を多段噴射することにより、排ガスの昇温を行い、還元効率を上げてＮＯｘの還元を行うことができる。

加えて、この触媒昇温手段Ｃ５に、燃料を多段噴射することとは別に、排気通路Ｅｘに直接燃料を噴射する排気噴射手段を設けると、例えば、多段噴射で２００℃までエキゾーストマニホールド３の出口付近の排ガス温度を昇温し、さらに排気噴射を追加することで３００℃まで昇温することもできる。

還元タイミング推定手段Ｃ６は、触媒昇温手段Ｃ５の後に再度、各センサＳ１〜Ｓ５に検知されたタイミング推定パラメータを用いて算出した第４条件と第５条件の両方が満たされたときを、ＬＮＴ触媒１６でのＮＯｘの還元を促進するタイミングとする手段である。

その第４条件は、触媒温度Ｔ_ＬＮＴが予め定めた活性温度Ｔｘに達することである。また、第５条件は、再検知したタイミング推定パラメータを用いて推定した推定還元量Ｖ_ＲＥ（［ｐｐｍ］）が、予め定めた判定還元量Ｖｙ（［ｐｐｍ］）以上になることである。この推定還元量Ｖ_ＲＥは、ＬＮＴ触媒１６の後温度Ｔｂと排ガス流量Ｑｇから算出される、所定のリッチ（λ深さと時間）当りのＮＯｘの還元量である。

この推定還元量Ｖ_ＲＥは、例えば、試験的に求めたマップ（触媒温度Ｔ_ＬＮＴと排ガス流量Ｑｇに基づいた推定還元量Ｖ_ＲＥを記憶したマップ）を用いて、実走行時には時々刻々の触媒温度Ｔ_ＬＮＴと排ガス流量Ｑｇとから求められる。

また、判定還元量Ｖｙは、任意の値に設定することができるが、ＮＯｘの浄化に効果的なタイミングとなるように、リッチ当りのＮＯｘの還元量が多くなる値が好ましく、試験的に求めた値を用いる。

この還元タイミング推定手段Ｃ６によれば、第４条件と第５条件の両方からＬＮＴ触媒１６の状態を推定することで、ＮＯｘの浄化に効果的な還元タイミングを算出することができる。

還元促進手段Ｃ７は、空燃比をリッチに維持して、ＬＮＴ触媒１６でリッチ還元を行うリッチ還元手段Ｃ９と、そのリッチ還元手段Ｃ９が行われた時間を計測するリッチタイマＣ１０を備える。なお、このリッチ還元手段Ｃ９のリッチとは、必ずしもシリンダボア内でリッチ燃焼するのみの状態ではなく、ＬＮＴ触媒１６に流入する排ガス中に供給した空気量と燃料量（シリンダボア内で燃焼した分も含めて）との比が理論空燃比に近いか理論空燃比より燃料量が多いリッチの状態であることをいう。

還元終了タイミング算出手段Ｃ８は、還元促進手段Ｃ７がリッチ還元を行った後に、再々度、各センサＳ１〜Ｓ５に検知されたタイミング推定パラメータを用いて算出したＮＯｘ吸蔵量Ｖ_ＮＯｘが予め定めた判定吸蔵量Ｖｘ以下になったときを、還元終了タイミングとする手段である。これによれば、還元終了タイミングを算出し、還元促進手段Ｃ７を終了することで、余分な燃料の噴射を防止することができるので、燃費の悪化を抑制することができる。

この実施の形態のエンジン１は、インジェクタ１５が多段噴射可能であり、且つｄｅＮＯｘ触媒として、ＬＮＴ触媒１６を備えていればよく、周知の技術のエンジンの構成を用いることができる。

例えば、この実施の形態では、ＥＧＲシステム５のＥＧＲクーラー５ａとＥＧＲバルブ５ｂをターボチャージャー６の上流側に配置する、所謂高圧ＥＧＲシステムを備えるが、ＥＧＲクーラー５ａとＥＧＲバルブ５ｂをターボチャージャー６の下流側に配置する、所謂低圧ＥＧＲシステムに替えることもできる。また、後処理装置１０のＤＰＦ１７の上流
側にＤＯＣ（ディーゼル用酸化触媒）を配置してもよい。

次に、上記のエンジン１の動作について、図３及び図４のフローチャートを参照しながら説明する。まず、エンジン１が始動すると、各センサＳ１〜Ｓ５が、タイミング推定パラメータを検知するステップＳ１０を行う。このタイミング推定パラメータとは、ＬＮＴ触媒１６の前温度Ｔａ及び後温度Ｔｂと、ＬＮＴ触媒１６の前ＮＯｘ濃度Ｃａ及び後ＮＯｘ濃度Ｃｂと、排ガス流量Ｑｇを含むパラメータである。

次に、タイミング推定パラメータを用いてＬＮＴ触媒１６を昇温するタイミングを算出する昇温タイミング推定手段Ｃ４が昇温タイミングの推定を開始する。まず、第１条件として、触媒温度Ｔ_ＬＮＴが予め定めた活性温度Ｔｘ以下か否かを判断するステップＳ２０を行う。

次に、第２条件として、算出したＮＯｘ吸蔵量Ｖ_ＮＯｘが予め定めた判定吸蔵量Ｖｘ以上か否かを判断するステップＳ３０を行う。この実施の形態では、ステップＳ３０としてＮＯｘ吸蔵量Ｖ_ＮＯｘが判定吸蔵量Ｖｘ以上か否かを判断したが、代わりに、タイミング推定パラメータから算出したＮＯｘ浄化率Ｒ_ＮＯｘが判定浄化率Ｒｘ以下か否かを判断するステップを行ってもよい。

次に、第３条件として、推定した推定燃費悪化率Ｒ_ＦＵＥＬが予め定めた判定燃費悪化率Ｒｙ以下で安定するか否かを判断するステップＳ４０を行う。なお、実際の走行時には排気温度も走行条件により変動するため、安定してある程度の排ガス温度に到達したことを判定してから、次のステップへと進むとよい。また、昇温による推定燃費悪化率Ｒ_ＦＵＥＬには排気温度だけではなく、排ガス流量Ｑｇも寄与するので、この二つから昇温による推定燃費悪化率Ｒ_ＦＵＥＬを推定して、安定度を判断するとよい。

昇温タイミング推定手段Ｃ４は、上記の第１条件のステップＳ２０、第２条件のステップＳ３０、及び第３条件のステップＳ４０を満たしたときを昇温タイミングとする。第１条件、第２条件、及び第３条件のいずれかの条件が満たされない場合は、再度ステップＳ１０に戻り、昇温タイミングを推定する。

次に、触媒昇温手段Ｃ５が、昇温タイミングで、インジェクタ１５を多段噴射制御して、ＬＮＴ触媒１６を昇温させるステップＳ５０（触媒昇温工程）を行う。このときＥＧＲシステム５は継続してインレットマニホールド４にＥＧＲガスを供給するように制御される。また、より高い還元効率とするために、ＬＮＴ触媒１６の昇温の為のポスト噴射や排気噴射を行うよう構成してもよく、さらに、多段噴射のアフター噴射や噴射時期のフィードバック制御で早期昇温を図ってもよい。

次に、再度、各センサＳ１〜Ｓ５が、タイミング推定パラメータを検知するステップＳ６０を行う。次に、タイミング推定パラメータを用いてＬＮＴ触媒１６での還元を促進するタイミングを算出する還元タイミング推定手段Ｃ６が還元タイミングの推定を開始する。まず、第４条件として、触媒温度Ｔ_ＬＮＴが活性温度Ｔｘに到達したか否かを判断するステップＳ７０を行う。次に、第５条件として、算出した推定還元量Ｖ_ＲＥが予め定めた判定還元量Ｖｙ以上か否かを判断するステップＳ８０を行う。

還元タイミング推定手段Ｃ６は、上記の第４条件のステップＳ７０と、第５条件のステップＳ８０の両方を満たしたときを還元タイミングとする。第４条件と第５条件のいずれかの条件が満たされない場合は、再度ステップＳ５０に戻り、ＬＮＴ触媒１６を昇温してから、再度推定する。

ステップＳ７０とステップＳ８０で、ＬＮＴ触媒１６の触媒温度Ｔ_ＬＮＴが活性温度Ｔｘに到達し、且つ推定還元量Ｖ_ＲＥが判定還元量Ｖｙ以上となったら、次に、還元促進手段Ｃ７が、ＬＮＴ触媒１６でリッチ還元を行うステップＳ９０（還元促進工程）を行う。

このステップＳ９０の還元促進工程は、図４に示すように、まず、最大経過時間ｔ＿ｍａｘ（［ｓ］）を算出するステップＳ９１を行う。この最大経過時間ｔ＿ｍａｘは、無駄なリッチ状態の維持を抑制するように算出された時間であり、例えば、ＮＯｘ吸蔵量Ｖ_ＮＯｘと、推定還元量Ｖ_ＲＥに基づいて算出してもよい。

次に、リッチタイマＣ１０を起動するステップＳ９２を行う。また、リッチタイマＣ１０の起動と同時にリッチ還元手段Ｃ９を開始するステップＳ９３を行う。

次に、時間が経過するとリッチタイマＣ１０の経過時間ｔ＿ｒｉｃｈ（［ｓ］）が刻々と増えていく。次に、リッチタイマＣ１０の経過時間ｔ＿ｒｉｃｈが予め定めた最大経過時間ｔ＿ｍａｘよりも長いか否かを判断するステップＳ９４を行う。この最大経過時間ｔ＿ｍａｘは任意の時間に設定することができるが、比較的短く設定すると、リッチ状態を維持する制御が長い時間行われることで発生するリッチ還元に使用される燃料や還元剤の無駄な放出を抑制することができる。

ステップＳ９４で、リッチタイマＣ１０の経過時間ｔ＿ｒｉｃｈが最大経過時間ｔ＿ｍａｘよりも長い場合は、ステップＳ９６へ進み、リッチタイマＣ１０を終了するステップＳ９６を行う。また、リッチタイマＣ１０の終了と同時にリッチ還元手段Ｃ９を終了するステップＳ９７を行う。

ステップＳ９４で、リッチタイマＣ１０の経過時間ｔ＿ｒｉｃｈが最大経過時間ｔ＿ｍａｘ以下の場合は、リッチタイマＣ１０の経過時間ｔ＿ｒｉｃｈがゼロになるステップＳ９５を経てから、ステップＳ９６及びステップＳ９７へと進む。

上記のステップＳ９０が完了すると、図３に示すように、次に、再々度、タイミング推定パラメータを検知するステップＳ１００を行う。次に、還元終了タイミング算出手段Ｃ８が、そのタイミング推定パラメータを用いて算出したＮＯｘ吸蔵量Ｖ_ＮＯｘが判定吸蔵量Ｖｘ以下になるか否かを判断するステップＳ１１０を行う。このステップＳ１１０で、ＮＯｘ吸蔵量Ｖ_ＮＯｘが判定吸蔵量Ｖｘ以下になるまで、ステップＳ９０のリッチ還元手段Ｃ９を行って、この制御方法は終了する。

この制御方法によれば、タイミング推定パラメータを用いて算出した昇温タイミングでＬＮＴ触媒１６を昇温し、その後、再検出したタイミング推定パラメータを用いて算出した還元タイミングでＬＮＴ触媒１６でのＮＯｘの還元を促進することができる。そのため、低負荷条件でも、燃費の悪化を最小に抑えつつ、ＮＯｘを浄化することができる。

また、常時、タイミング推定パラメータを検知し、そのタイミング推定パラメータから算出した昇温タイミングと還元タイミングを算出することができる。さらに、エンジン１の構成は、従来の構成を用いることができるので、別途追加はなく、追加コストを発生させずに、その効果を得ることできる。

なお、ＮＯｘ吸蔵量Ｖ_ＮＯｘ、ＮＯｘ浄化率Ｒ_ＮＯｘ、推定燃費悪化率Ｒ_ＦＵＥＬ、及び推定還元量Ｖ_ＲＥの算出方法は、タイミング推定パラメータを用いて算出することができればよく、上記の記載の方法に限定しない。

次に、本発明に係る第２の実施の形態の内燃機関について、図５及び図６を参照しなが
ら説明する。このエンジン２０は、第１の実施の形態のエンジン１の後処理装置１０に代えて、図５に示すように、後処理装置２１を備え、その後処理装置２１に、ＤＯＣ（ディーゼル用酸化触媒）２２、ＤＰＦ２３、尿素ＳＣＲ触媒２４、及び尿素水噴射バルブ２５を備える。また、各センサＳ１〜Ｓ５と接続され、各装置を制御するＥＣＵ（制御装置）２６を備える。

このＥＣＵ２６は、図６に示すように、還元促進手段Ｃ２０として、尿素水噴射量算出手段Ｃ２１と、尿素水噴射手段Ｃ２２と、を備えると共に、第１の実施の形態の条件とは異なる条件の還元終了タイミング算出手段Ｃ２３を備える。

また、第１の実施の形態では、ＬＮＴ触媒１６の前後に配置した第１温度センサＳ１と第２温度センサＳ２を、この実施の形態では、尿素ＳＣＲ触媒２４の前後に配置し、ＬＮＴ触媒１６の前後に配置した第１ＮＯｘ濃度センサＳ３と第２ＮＯｘ濃度センサＳ４も、尿素ＳＣＲ触媒２４の前後に配置する。各センサＳ１〜Ｓ４の検知する値は第１の実施の形態と同様とする。

尿素水噴射量算出手段Ｃ２１は、尿素水噴射バルブ２５から噴射される尿素水の噴射量Ｑ_ＮＨ３（［ｍｍ^３］）を算出する手段であり、尿素水の噴射量Ｑ_ＮＨ３は、吸蔵したＮＨ_３（アンモニア）の放出量とＮＨ_３転換量とから求まる噴射量、すなわち目標とするＮＯｘ浄化率である判定浄化率Ｒｘを得られる噴射量に、新たに尿素ＳＣＲ触媒２４に吸蔵されるＮＨ_３により不足する補充量を加算して算出される。

この尿素水噴射量算出手段Ｃ２１で用いられる吸蔵したＮＨ_３の放出量、ＮＨ_３転換量、及び補充量は、試験結果より求めたマップ値であり、タイミング推定パラメータ（例えば、触媒温度Ｔ_ＬＮＴ）により変化する値である。また、これらの値を尿素水の噴射量Ｑ_ＮＨ３を算出するための尿素水噴射量算出パラメータとする。

尿素水噴射手段Ｃ２２は、尿素ＳＣＲ触媒２４に尿素水噴射バルブ２５から、尿素水噴射量算出手段Ｃ２１で算出された噴射量Ｑ_ＮＨ３で、尿素水を噴射する手段である。

還元終了タイミング算出手段Ｃ２３は、還元促進手段Ｃ２０が尿素水を噴射した後に、再々度、各センサＳ１〜Ｓ５に検知されたタイミング推定パラメータを用いて算出したＮＯｘ浄化率Ｒ_ＮＯｘが予め定めた判定浄化率Ｒｘになったときの、尿素水の噴射量Ｑ_ＮＨ３を継続する手段である。これによれば、還元終了タイミングを算出し、最適な尿素水の噴射量Ｑ_ＮＨ３を設定することで、余分な尿素水の噴射を抑制することができる。

次に、本発明に係る第２の実施の形態のエンジン２０の制御方法について、図７に示すフローチャートを参照しながら説明する。なお、図３に示すフローチャートと同様の工程については同じ符号を使用して、その説明を省略する。

この実施の形態の制御方法は、図７に示すように、ステップＳ１０〜ステップＳ８０までは、昇温タイミング推定手段Ｃ４の第２条件として、算出したＮＯｘ浄化率Ｒ_ＮＯｘが判定浄化率Ｒｘ以下か否かを判断するステップＳ２００を行う以外は、図３に示す第１の実施の形態のフローチャートと略同様である。

そして、還元タイミング推定手段Ｃ６がステップＳ７０とステップＳ８０で還元タイミングを推定すると、次に、図７に示すように、尿素水噴射量算出パラメータを検知するステップＳ２１０を行う。

次に、尿素水噴射量算出手段Ｃ２１が、尿素水噴射量算出パラメータに基づいて、尿素
水の噴射量Ｑ_ＮＨ３を算出するステップＳ２２０を行う。次に、尿素水噴射手段Ｃ２２が、ステップＳ２２０で算出された噴射量Ｑ_ＮＨ３の尿素水を、尿素ＳＣＲ触媒２４に噴射するステップＳ２３０（尿素水噴射工程）を行う。

次に、再々度、タイミング推定パラメータを検知するステップＳ１００を行う。次に、還元終了タイミング算出手段Ｃ２３が、算出したＮＯｘ浄化率Ｒ_ＮＯｘが判定浄化率Ｒｘになったか否かを判断するステップＳ２４０を行う。このステップＳ２４０でＮＯｘ浄化率Ｒ_ＮＯｘが判定浄化率Ｒｘにならない場合は、再度ステップＳ２１０に戻り、ＮＯｘ浄化率Ｒ_ＮＯｘが判定浄化率Ｒｘになった場合は、そのときの状態を継続して、この制御方法は完了する。

この制御方法によれば、ｄｅＮＯｘ触媒として尿素ＳＣＲ触媒２４を用いたシステムにおいて、低負荷条件でも、燃費の悪化を最小に抑えると共に、ＮＯｘを効果的に低減することができる。また、尿素水噴射量算出パラメータ（ＮＨ_３の吸蔵量、放出量、ＮＨ_３転換量など）やＮＯｘ浄化率、推定還元量を常時計算して、効果的な還元タイミングや還元量を算出することができる。加えて、ハードウェア構成は従来のもので追加は無く、追加コストは発生しない。

なお、尿素水の噴射量Ｑ_ＮＨ３の算出方法は、尿素水噴射量算出パラメータから算出することができればよく、上記の算出方法に限定しない。また、この実施の形態では、尿素水噴射量算出パラメータを試験結果より求めたマップ値としたが、各々の値を検知するセンサを別途設けてもよい。さらに、尿素水噴射量算出パラメータを、例えば、ＮＨ_３の吸蔵量を、ＮＨ_３転換量から、ＮＨ_３のスリップ量と吸蔵したＮＨ_３の放出量とＮＯｘ還元量とを引いた値で表せることを利用して算出してもよい。

本発明の内燃機関は、低負荷時でも、燃費が悪化しない効果的なタイミングを算出して、ＮＯｘを浄化することができるので、特にディーゼルエンジンを搭載するトラックなどの車両に利用することができる。

１、２０ エンジン（内燃機関）
２ エンジン本体
３ エキゾーストマニホールド
４ インレットマニホールド
５ ＥＧＲシステム
６ ターボチャージャー
７ エアクリーナー
８ インタークーラー
９ 吸気スロットル
１０、２１ 後処理装置
１１ 燃料噴射システム
１２ 燃料タンク
１３ 燃料ポンプ
１４ コモンレール
１５ インジェクタ（燃料噴射弁）
１６ ＬＮＴ触媒（ｌｅａｎ−ＮＯｘ−ｔｒａｐ触媒、ＮＯｘ吸蔵還元触媒）
１７、２３ ＤＰＦ（ディーゼル微粒子捕集フィルタ）
１８ ＥＣＵ（制御装置）
２２ ＤＯＣ（ディーゼル酸化触媒）
２４ 尿素ＳＣＲ触媒（尿素選択的触媒還元触媒）
２５ 尿素水噴射バルブ（尿素水噴射弁）
Ｃ１ 触媒温度検出手段
Ｃ２ ＮＯｘ濃度検出手段
Ｃ３ 排ガス流量検出手段
Ｃ４ 昇温タイミング推定手段
Ｃ５ 触媒昇温手段
Ｃ６ 還元タイミング推定手段
Ｃ７、Ｃ２０ 還元促進手段
Ｃ８、Ｃ２３ 還元終了タイミング算出手段

Claims (6)

1. 燃料を多段噴射可能な燃料噴射弁と、排気通路に設けられた尿素ＳＣＲ触媒と、を備える内燃機関において、
   触媒温度検出手段、ＮＯｘ濃度検出手段、及び排ガス流量検出手段を具備する制御装置を備えると共に、
   前記制御装置が、
   前記触媒温度検出手段で検知した温度パラメータ、前記ＮＯｘ濃度検出手段で検知したＮＯｘ濃度パラメータ、及び前記排ガス流量検出手段で検知した排ガス流量パラメータを用いて算出した昇温タイミングで、前記燃料噴射弁を多段噴射制御して、前記尿素ＳＣＲ触媒の温度を昇温する触媒昇温手段と、
   前記触媒昇温手段による前記尿素ＳＣＲ触媒の昇温後に、再検知した前記温度パラメータ及び前記排ガス流量パラメータを用いて算出した還元タイミングで、尿素水を前記尿素ＳＣＲ触媒に噴射して、ＮＯｘの還元を促進する還元促進手段と、を備えることを特徴とする内燃機関。
2. 燃料を多段噴射可能な燃料噴射弁と、排気通路に設けられたＮＯｘ浄化触媒と、を備える内燃機関において、
   触媒温度検出手段、ＮＯｘ濃度検出手段、及び排ガス流量検出手段を具備する制御装置を備えると共に、
   前記制御装置が、
   前記触媒温度検出手段で検知した前記ＮＯｘ浄化触媒の触媒温度が予め定めた活性温度よりも低くなる第１条件と、
   前記ＮＯｘ濃度検出手段で検知した前記ＮＯｘ浄化触媒の前後のＮＯｘ濃度及び、前記排ガス流量検出手段で検知した排ガス流量に基づいて算出した前記ＮＯｘ浄化触媒の吸蔵量が予め定めた判定吸蔵量以上、又は、前記ＮＯｘ濃度に基づいて算出した前記ＮＯｘ浄化触媒のＮＯｘ浄化率が予め定めた判定浄化率以下になる第２条件と、
   前記触媒温度及び前記排ガス流量に基づいて算出した、前記触媒温度を前記活性温度に昇温するために必要な燃料の噴射量から推定した推定燃費悪化率が、予め定めた判定燃費悪化率以下で安定する第３条件と、を判断し、
   前記第１条件、前記第２条件、及び前記第３条件の全てを満たしたときを、昇温タイミングとして、前記燃料噴射弁を多段噴射制御して、前記ＮＯｘ浄化触媒の温度を昇温する
   触媒昇温手段と、
   前記触媒昇温手段の後に、前記触媒温度検出手段で検知した前記触媒温度が前記活性温度に達する第４条件と、
   前記触媒昇温手段の後に、前記触媒温度検出手段で検知した前記触媒温度及び前記排ガス流量検出手段で検知した前記排ガス流量に基づいて算出した、前記ＮＯｘ浄化触媒で還元されるＮＯｘの時間当りの還元量を推定した推定還元量が、予め定めた判定還元量以上になる第５条件と、を判断し、
   前記第４条件と前記第５条件の両方を満たしたときを、還元タイミングとして、前記ＮＯｘ浄化触媒でのＮＯｘの還元を促進する還元促進手段と、を備えることを特徴とする内燃機関。
3. 前記ＮＯｘ浄化触媒をＬＮＴ触媒で形成し、
   前記制御装置が、前記還元促進手段として、空燃比をリッチに維持するリッチ還元手段を備えることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記ＮＯｘ浄化触媒を尿素ＳＣＲ触媒で形成し、
   前記制御装置が、前記還元促進手段として、尿素水を前記ＮＯｘ浄化触媒に噴射する尿素水噴射手段を備えることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
5. 燃料を多段噴射可能な燃料噴射弁と、排気通路に設けられた尿素ＳＣＲ触媒と、を備える内燃機関の制御方法において、
   前記尿素ＳＣＲ触媒の温度パラメータ、ＮＯｘ濃度パラメータ、及び排ガス流量パラメータを検知し、
   検知した前記温度パラメータ、前記ＮＯｘ濃度パラメータ、及び前記排ガス流量パラメータを用いて算出した昇温タイミングで、前記燃料噴射弁を多段噴射制御して、前記尿素ＳＣＲ触媒の温度を昇温し、
   前記尿素ＳＣＲ触媒の昇温後に、前記温度パラメータ、及び前記排ガス流量パラメータを再検知し、
   再検知した前記温度パラメータ、及び前記排ガス流量パラメータを用いて算出した還元タイミングで、尿素水を前記尿素ＳＣＲ触媒に噴射して、ＮＯｘの還元を促進することを特徴とする内燃機関の制御方法。
6. 燃料を多段噴射可能な燃料噴射弁と、排気通路に設けられたＮＯｘ浄化触媒と、を備える内燃機関の制御方法において、
   前記ＮＯｘ浄化触媒の触媒温度、前後のＮＯｘ濃度、及び排ガス流量を取得し、
   前記触媒温度が予め定めた活性温度よりも低くなる第１条件と、前記ＮＯｘ濃度及び前記排ガス流量を用いて算出した前記ＮＯｘ浄化触媒の吸蔵量が予め定めた判定吸蔵量以上、又は、前記ＮＯｘ濃度を用いて算出した前記ＮＯｘ浄化触媒のＮＯｘ浄化率が予め定めた判定浄化率以下になる第２条件と、前記触媒温度及び前記排ガス流量を用いて、前記触媒温度を前記活性温度に昇温するために必要な燃料の噴射量を推定した推定燃費悪化率が、予め定めた判定燃費悪化率以下で安定する第３条件と、を判定し、
   前記第１条件、前記第２条件、及び前記第３条件の全てを満たしたときを、昇温タイミングとして、前記燃料噴射弁を多段噴射制御して、前記ＮＯｘ浄化触媒の温度を昇温し、
   前記ＮＯｘ浄化触媒の昇温後に、前記触媒温度、及び前記排ガス流量を取得し、
   検知した前記触媒温度が前記活性温度に達する第４条件と、検知した前記触媒温度及び前記排ガス流量を用いて、前記ＮＯｘ浄化触媒で還元されるＮＯｘの時間当りの還元量を推定した推定還元量が、予め定めた判定還元量以上になる第５条件と、を判定し、
   前記第４条件及び前記第５条件の両方を満たしたときを、還元タイミングとして、前記ＮＯｘ浄化触媒でのＮＯｘの還元を促進することを特徴とする内燃機関の制御方法。