JP6995154B2 - 内燃機関の排ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、酸素貯蔵能を有し、酸化雰囲気の排ガス中のＮＯｘを捕捉するとともに、還元雰囲気の排ガスの供給により、捕捉したＮＯｘを還元し、浄化するＮＯｘ触媒を備えた内燃機関の排ガス浄化装置に関する。

従来、この種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。内燃機関は例えばディーゼルエンジンであり、排気通路にはＮＯｘ触媒が設けられている。このＮＯｘ触媒は、上述した酸素貯蔵能を有するＮＯｘ吸蔵還元型のものである。ＮＯｘ触媒の下流側には、排ガス中の空燃比をリニアに検出する空燃比センサが設けられている。

この排ガス浄化装置では、ディーゼルエンジンの通常運転時、酸化雰囲気の排ガスがＮＯｘ触媒に流入すると、ＮＯｘ触媒は、排ガス中の酸素を貯蔵（吸収）するとともに、排ガス中のＮＯｘを捕捉する。また、このＮＯｘ捕捉量が所定量に達するなどの所定の実行条件が成立したときに、ＮＯｘ触媒に供給する排ガスを、還元剤（ＣＯ／ＨＣ成分）を含む還元雰囲気に制御する還元制御が実行される。これにより、ＮＯｘ触媒では、貯蔵した酸素による還元剤の酸化反応と、還元剤によるＮＯｘの還元反応が行われることで、ＮＯｘが還元され、浄化される。

また、空燃比センサで検出された排ガス中の空燃比が、所定値よりもリッチ側に移行したときに、ＮＯｘ触媒に貯蔵されていた酸素が十分に消費され、捕捉されていたＮＯｘが十分に還元されたと判定して、還元制御を終了し、エンジンの通常運転に切り替えられる。

特開２００９－８５１２９号公報

上述したように、酸素貯蔵能を有するＮＯｘ触媒では、還元制御中、貯蔵した酸素による還元剤の酸化反応と、還元剤によるＮＯｘの還元反応によって、還元動作が行われる。このため、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの堆積状況が同じであっても、還元制御の環境、例えば排ガス流量などが異なると、酸化反応及び還元反応の効率や進行度合が異なるため、ＮＯｘの還元度合が変化する。特に、還元動作の終盤においては、酸素の貯蔵量が少なくなることで、還元剤のスリップなどが発生しやすく、下流側の空燃比センサの検出値に影響を及ぼしやすい。

これに対し、従来の排ガス浄化装置では、ＮＯｘ触媒の下流側における排ガス中の空燃比が、所定値よりもリッチ側に移行したときに、還元動作が完了したとして、還元制御を終了するにすぎない。このため、実際にはＮＯｘ還元が不十分で、還元動作が完了していないにもかかわらず、還元制御を終了することがある。その場合には、還元制御の終了時に相当量のＮＯｘがＮＯｘ触媒に残留する結果、その後のリーン運転時に、ＮＯｘ触媒に十分な量のＮＯｘを捕捉できず、浄化性能を十分に発揮することができない。

一方、このようなＮＯｘの還元不足を考慮し、例えば還元制御の実行時間を単純に延長した場合には、還元動作が完了したにもかかわらず、還元制御が継続されることがある。その場合には、還元制御の終了時にＮＯｘ触媒に溜まり込んだ還元剤が、その後のリーン運転時に排ガス中の酸素と酸化反応することによって、ＮＯｘ触媒の過昇温や、それに起因するＮＯｘ触媒からのＮＯｘスリップを招き、浄化性能に悪影響を及ぼす。また、その場合には、還元剤（燃料）が無駄に消費され、燃費が悪化するという不具合もある。

本発明は、以上の課題を解決するためになされたものであり、ＮＯｘの還元動作の完了に応じた適切なタイミングで還元制御を終了させ、それにより、排ガスの浄化性能を十分に発揮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。

この目的を達成するために、請求項１に係る内燃機関の排ガス浄化装置は、内燃機関３の排気通路５に設けられ、酸素貯蔵能を有し、酸化雰囲気の排ガス中のＮＯｘを捕捉するとともに、還元剤を含む還元雰囲気の排ガスが供給されることにより、捕捉したＮＯｘを還元し、浄化するＮＯｘ触媒７と、所定の実行条件が成立したときに、ＮＯｘ触媒７にＮＯｘの還元動作を行わせるために、ＮＯｘ触媒７に流入する排ガスを還元雰囲気に制御する還元制御を実行する還元制御手段（実施形態における（以下、本項において同じ）ＥＣＵ２、ステップ９）と、ＮＯｘ触媒７の下流側における排ガス中の空燃比を表す空燃比パラメータ（第２空気過剰率λ２）を検出する空燃比パラメータ検出手段（第２ＬＡＦセンサ１３）と、還元制御の実行中、検出された空燃比パラメータが基準値（第１空気過剰率λ１）に対してリッチ側に反転したか否かを判定する空燃比反転判定手段（ＥＣＵ２、ステップ２６）と、還元制御の実行中、ＮＯｘ触媒７の下流側における排ガス中の空燃比の変化状態に影響を及ぼすパラメータを、空燃比影響パラメータ（排ガス流量ＱＥＸ、触媒温度ＴＮＳＣ）として検出する空燃比影響パラメータ検出手段（エアフローセンサ１１、ＥＣＵ２、触媒温度センサ１４）と、検出された空燃比影響パラメータに応じて、還元制御の延長時間ＴＲＥＦＥを設定する延長時間設定手段（ＥＣＵ２、ステップ２７）と、空燃比パラメータが基準値に対してリッチ側に反転したタイミングから延長時間ＴＲＥＦＥが経過したときに、還元制御を終了すべきと判定する終了判定手段（ＥＣＵ２、ステップ３０、３４）と、を備え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、ＮＯｘ触媒は、酸素貯蔵能を有しており、内燃機関からの酸化雰囲気の排ガス中の酸素を貯蔵（吸収）するとともに、排ガス中のＮＯｘを捕捉する。また、所定の実行条件が成立したときに、ＮＯｘ触媒に流入する排ガスを還元雰囲気に制御する還元制御が実行される。それに応じ、ＮＯｘ触媒では、排ガス中の還元剤が貯蔵した酸素で酸化されるとともに、捕捉したＮＯｘが還元剤で脱離還元されることによって、ＮＯｘが浄化される。

また、ＮＯｘ触媒の下流側における排ガス中の空燃比（以下「下流側排ガス空燃比」という）を表す空燃比パラメータが検出され、還元制御の実行中、検出された空燃比パラメータが基準値に対してリッチ側に反転したか否かが判定される。さらに、還元制御の実行中、下流側排ガス空燃比の変化状態に影響を及ぼすパラメータが、空燃比影響パラメータとして検出されるとともに、検出された空燃比影響パラメータに応じて、還元制御の延長時間が設定される。そして、空燃比パラメータが基準値に対してリッチ側に反転したタイミング（以下「リッチ側反転タイミング」という）から延長時間が経過したときに、還元制御を終了すべきと判定する。

以上のように、空燃比影響パラメータは、下流側排ガス空燃比の変化状態に影響を及ぼすパラメータである。このため、還元制御の実行中に検出された空燃比影響パラメータに応じて、還元制御の延長時間を、ＮＯｘの還元動作が完了したタイミングで還元制御が終了するように設定することができる。また、還元制御の終了タイミングは、その開始から終了までの全体時間ではなく、リッチ側反転タイミングからの延長時間として、下流側排ガス空燃比の実際の変化状態を反映するように設定される。以上により、ＮＯｘの還元動作の実際の完了に応じた適切なタイミングで、還元制御を終了させることができ、それにより、排ガスの浄化性能を十分に発揮させることができる。

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、延長時間設定手段は、空燃比パラメータが基準値に対してリッチ側に反転したタイミングで検出された空燃比影響パラメータに応じて、延長時間ＴＲＥＦＥを設定すること（ステップ２６、２７）を特徴とする。

還元制御の実行中、空燃比影響パラメータが変化すると、空燃比影響パラメータが下流側排ガス空燃比の変化状態に及ぼす影響の度合も変化する。この構成によれば、空燃比パラメータのリッチ側反転タイミングで検出された直近の空燃比影響パラメータを用いて、延長時間が設定される。したがって、空燃比影響パラメータによる下流側排ガス空燃比の変化状態への影響の度合を良好に反映させながら、延長時間をより適切に設定でき、より適切なタイミングで還元制御を終了させることができる。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の内燃機関の排ガス浄化装置において、空燃比影響パラメータ検出手段は、空燃比影響パラメータとして、排ガスの流量（排ガス流量ＱＥＸ）を検出し、延長時間設定手段は、検出された排ガスの流量が大きいほど、延長時間ＴＲＥＦＥをより長い時間に設定すること（ステップ２７、図６）を特徴とする。

還元制御中、ＮＯｘ触媒に流入する還元雰囲気の排ガスの流量は、下流側排ガス空燃比の変化状態に影響を及ぼす。例えば、排ガスの流量が大きくなると、排ガスがＮＯｘ触媒をより短い時間で通過するため、貯蔵された酸素による酸化反応にもＮＯｘの還元反応にも用いられずにＮＯｘ触媒を通過する還元剤のスリップ量が増加し、その結果、下流側排ガス空燃比がよりリッチ側に変化し、リッチ側反転タイミングがより早くなる。

この構成によれば、空燃比影響パラメータとして、排ガスの流量を用い、検出された排ガスの流量が大きいほど、延長時間をより長い時間に設定するので、排ガスの流量に応じた下流側排ガス空燃比の変化状態を良好に反映させながら、延長時間の設定を適切に行うことができる。

請求項４に係る発明は、請求項１から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、空燃比影響パラメータ検出手段は、空燃比影響パラメータとして、ＮＯｘ触媒７の温度（触媒温度ＴＮＳＣ）を検出し、延長時間設定手段は、検出されたＮＯｘ触媒７の温度が高いほど、延長時間ＴＲＥＦＥをより長い時間に設定すること（ステップ２７、図６）を特徴とする。

還元制御中、ＮＯｘ触媒の温度は、下流側排ガス空燃比の変化状態に影響を及ぼす。例えば、ＮＯｘ触媒の温度が高くなると、還元剤の酸化反応がより活発に行われ、酸素の消費速度が速くなるため、下流側排ガス空燃比のリッチ側反転タイミングが早まる傾向がある。また、この酸化反応と同時にＮＯｘの還元反応が行われるものの、ＮＯｘ触媒の温度が高いと、還元剤が還元反応に優先して酸化反応に用いられる傾向があり、その結果、ＮＯｘの還元動作が完了する前に、下流側排ガス空燃比がリッチ側に反転しやすくなる。

この構成によれば、空燃比影響パラメータとして、ＮＯｘ触媒の温度を用い、検出されたＮＯｘ触媒の温度が高いほど、延長時間をより長い時間に設定するので、ＮＯｘ触媒の温度に応じた下流側排ガス空燃比の変化状態を良好に反映させながら、延長時間の設定を適切に行うことができる。

請求項５に係る発明は、請求項１から４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、還元制御の開始時からの経過時間（還元制御タイマ値ＴＭ＿ＲＩＣＨ）を計時する計時手段（ＥＣＵ２、還元制御タイマ）と、計時された経過時間が所定時間（制限時間ＴＬＭＴ）に達したときに、還元制御を終了すべきと判定する第２終了判定手段（ＥＣＵ２、ステップ３１、３４）と、をさらに備えることを特徴とする。

還元動作が完了した後に還元制御が継続された場合には、還元制御の終了時にＮＯｘ触媒に溜まり込んだ還元剤が、その後に供給される酸化雰囲気の排ガス中の酸素と酸化反応することで、ＮＯｘ触媒の過昇温やそれに起因する浄化性能の低下などの不具合が生じるおそれがある。この構成によれば、還元制御の開始時から所定時間が経過したときに、還元制御を終了すべきと判定するので、還元動作の完了後に還元制御が長く継続される事態を回避し、ＮＯｘ触媒の過昇温と浄化性能の低下などの不具合を防止することができる。

本発明の実施形態による排ガス浄化装置を内燃機関とともに概略的に示す図である。 図１のＥＣＵによって実行される還元制御処理を示すフローチャートである。 還元制御処理のうちの終了判定処理を示すフローチャートである。 還元制御の制限時間の算出に用いられるマップである。 還元制御中の排ガス成分の濃度変化や第１及び第２ＬＡＦの挙動特性を示す図である。 還元制御の延長時間の算出に用いられるマップである。 還元制御処理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。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は、本実施形態による排ガス浄化装置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、例えば、車両（図示せず）に搭載された４気筒のディーゼルエンジンである（１気筒のみ図示）。

各気筒３ａには、吸気通路４及び排気通路５が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が取り付けられている。インジェクタ６は、燃料タンク（図示せず）から供給された燃料を燃焼室３ｂ内に直接、噴射する。また、インジェクタ６は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）２に電気的に接続されており、その燃料噴射量ＱＩＮＪ及び燃料噴射時期φＩＮＪは、ＥＣＵ２からの制御信号によって制御される。

エンジン３のクランクシャフト３ｃには、クランク角センサ１０が設けられている。クランク角センサ１０は、クランクシャフト３ｃの回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号及び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度）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。ＴＤＣ信号は、いずれかの気筒３ａにおいて、ピストン３ｄが吸気行程開始時の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気筒の場合には、クランク角１８０度ごとに出力される。

吸気通路４には、エアフローセンサ１１が設けられている。エアフローセンサ１１は、吸気通路４を介して気筒３ａに吸入される吸入空気量ＧＡＩＲを検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。また、吸入空気量ＧＡＩＲは、気筒３ａから排出される排ガス流量にほぼ等しいことから、ＥＣＵ２は、入力された吸入空気量ＧＡＩＲから排ガス流量ＱＥＸを算出する。

排気通路５には、上流側から順に、ＮＯｘ触媒７及びＤＰＦ (Diesel Particulate Filter)８が設けられている。

ＮＯｘ触媒７は、ＮＯｘ吸蔵還元型のものであり、酸素貯蔵能を有する。ＮＯｘ触媒７は、酸化雰囲気の排ガス（酸素濃度が理論空燃比（ストイキ）に相当する排ガスの酸素濃度よりも高い排ガス）が流入したときに、排ガス中の酸素を貯蔵するとともに、ＮＯｘを捕捉する一方、還元雰囲気の排ガス（酸素濃度が理論空燃比に相当する排ガスの酸素濃度よりも低い排ガス）が流入したときに、貯蔵した酸素を放出するとともに、捕捉したＮＯｘを還元することによって脱離浄化する。

ＤＰＦ８は、ＮＯｘ触媒７を通過した排ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕捉する。また、粒子状物質の捕捉量が所定量に達したときなどに、粒子状物質を燃焼させる再生運転を行うことによって、ＤＰＦ８が再生される。

また、排気通路５のＮＯｘ触媒７の上流側及びＤＰＦ８の下流側には、第１ＬＡＦセンサ１２及び第２ＬＡＦセンサ１３がそれぞれ設けられている。これらのＬＡＦセンサ１２、１３はいずれも、ジルコニア及び白金電極などで構成された周知のものであり、理論空燃比（ストイキ）に対するリッチ領域から極リーン領域までの広範囲な空燃比領域において、排ガス中の酸素濃度を検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。

ＥＣＵ２は、第１ＬＡＦセンサ１２の検出信号に基づき、ＮＯｘ触媒７に流入する排ガスの空気過剰率（以下「第１空気過剰率」という）λ１を算出し、第２ＬＡＦセンサ１３の検出信号に基づき、ＮＯｘ触媒７から流出する排ガスの空気過剰率（以下「第２空気過剰率」という）λ２を算出する。

ここで、「排ガスの空気過剰率」は、実際の排ガス空燃比をストイキ状態のときの排ガス空燃比で除した値であり、「排ガス空燃比」とは、排ガス中の空気と可燃性気体との重量比をいう。したがって、排ガスの空気過剰率λは、排ガスがストイキ状態のときにλ＝１、酸化雰囲気のときにλ＞１、還元雰囲気のときにλ＜１になる。なお、本実施形態では、第２ＬＡＦセンサ１３が空燃比パラメータ検出手段に相当する。

また、ＮＯｘ触媒７には、触媒温度センサ１４が設けられている。触媒温度センサ１４は、ＮＯｘ触媒７の温度（以下「触媒温度」という）ＴＮＳＣを検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。

さらに、ＥＣＵ２には、アクセル開度センサ１５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を表す検出信号が入力される。

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１０～１５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、各種の制御を実行する。

この制御には、インジェクタ６の燃料噴射量ＱＩＮＪなどを制御するエンジン制御の他、ＮＯｘ触媒７に捕捉されたＮＯｘを脱離浄化するために、排ガスを還元雰囲気に制御する還元制御などが含まれる。

なお、本実施形態では、ＥＣＵ２は、還元制御手段、空燃比影響パラメータ検出手段、延長時間設定手段、終了判定手段、計時手段、及び第２終了判定手段に相当する。

次に、図２及び図３を参照しながら、ＥＣＵ２で実行される還元制御処理について説明する。この処理は、ＮＯｘ触媒７に捕捉されたＮＯｘを還元するための還元制御を実行するとともに、その終了判定を行うものであり、所定の周期（例えば１０ｍｓｅｃ）で実行される。

図２の処理では、まずステップ１（「Ｓ１」と図示。以下同じ）において、還元制御フラグＦ＿ＲＩＣＨが「１」であるか否かを判別する。この答えがＮＯで、還元制御の実行中でないときには、ステップ２以降において、還元制御の実行条件が成立したか否かを判定する。

まずステップ２では、要求トルクＰＭＣＭＤ及びエンジン回転数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、エンジン３からのＮＯｘ排出量ＱＮＯｘを算出する。なお、要求トルクＰＭＣＭＤは、検出されたアクセル開度ＡＰ及びエンジン回転数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。

次に、算出したＮＯｘ排出量ＱＮＯｘを、ＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘの前回値Ｓ＿ＱＮＯｘＺに加算することによって、ＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘ（今回値）を算出する（ステップ３）。このＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘは、ＮＯｘ触媒７に捕捉されているＮＯｘ量の推定値に相当する。

次に、ＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘが所定のしきい値ＳＲＥＦ以上であるか否かを判別する（ステップ４）。この答えがＮＯで、ＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘがしきい値ＳＲＥＦに達していないときには、還元制御の実行条件が成立していないと判定し、ステップ５に進み、還元制御タイマの値ＴＭ＿ＲＩＣＨを０にリセットした後、本処理を終了する。この還元制御タイマ値ＴＭ＿ＲＩＣＨは、還元制御の開始時からの経過時間（実行時間）をアップカウント式に計時するものである。

一方、ステップ４の答えがＹＥＳで、ＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘがしきい値ＳＲＥＦに達したときには、ステップ６に進み、待機タイマの値ＴＭ＿ＷＡＩＴが、後述するように設定される待機時間ＴＲＥＦＷ以上であるか否かを判別する。この待機タイマ値ＴＭ＿ＷＡＩＴは、前回の還元制御の終了時からの経過時間をアップカウント式に計時するものである。このステップ６の答えがＮＯで、前回の還元制御の終了時から待機時間ＴＲＥＦＷが経過していないときには、還元制御の実行条件が成立していないと判定し、前記ステップ５に進む。

一方、ステップ６の答えがＹＥＳで、前回の還元制御の終了時から待機時間ＴＲＥＦＷが経過したときには、還元制御の実行条件が成立したと判定し、ＮＯｘ残量Ｒ＿ＱＮＯｘをＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘに設定する（ステップ７）とともに、ＮＯｘ捕捉量Ｓ＿ＱＮＯｘを値０にリセットする（ステップ８）。

また、還元制御の実行条件が成立したことを表すために、還元制御フラグＦ＿ＲＩＣＨを「１」にセットする（ステップ９）。これに伴い、還元制御が開始される。還元制御は、ＮＯｘ触媒７に流入する排ガスを還元雰囲気に制御するものであり、例えば、インジェクタ６からの燃料噴射を排気行程において行うポスト噴射により、還元剤（ＣＯ／ＨＣ成分）として未燃燃料を多く含む排ガスを排気通路５に排出することによって行われる。

次に、ステップ１０に進み、そのときの触媒温度ＴＮＳＣに応じ、図４のマップを検索することによって、還元制御の制限時間ＴＬＭＴを算出する。この制限時間ＴＬＭＴは、還元制御の実行時間を制限するものである。その理由は、還元制御の実行時間が長すぎると、還元制御の終了時に余分なＨＣがＮＯｘ触媒７に溜まり込み、その後、酸化雰囲気下で酸化反応することによって、ＮＯｘ触媒７の過昇温とそれに起因するＮＯｘスリップが発生するおそれがあるためである。このため、図４のマップでは、制限時間ＴＬＭＴは、還元制御の開始時における触媒温度ＴＮＳＣが高いほど、より短い時間に設定されている。

ステップ１０の後には、ステップ１１に進み、還元制御の終了判定処理を実行し、本処理を終了する。また、前記ステップ９によって還元制御フラグＦ＿ＲＩＣＨが「１」にセットされた後には、次回以降のループでステップ１の答えがＹＥＳになり、その場合にも、ステップ１１を実行する。

次に、図３を参照しながら、ステップ１１で実行される還元制御の終了判定処理について説明する。この処理では、まずステップ２１において、ＮＯｘの還元動作の完了以外の還元制御の所定の終了条件が成立しているか否かを判別する。この所定の終了条件には、例えば、エンジン３の要求トルクが急激に増加する加速状態又は急激に減少する減速状態や、エンジン回転数ＮＥの変更を伴うシフトチェンジ状態などが含まれる。

このステップ２１の答えがＹＥＳで、所定の終了条件が成立しているときには、還元制御を終了するものとし、ステップ２２において、図２のステップ６で待機タイマ値ＴＭ＿ＷＡＩＴと比較される待機時間ＴＲＥＦＷを、比較的短い第１所定値ＴＭＳに設定する。また、還元制御フラグＦ＿ＲＩＣＨを「０」にリセットする（ステップ２３）とともに、待機タイマ値ＴＭ＿ＷＡＩＴを０にリセットし（ステップ２４）、本処理を終了する。

一方、前記ステップ２１の答えがＮＯのときには、還元制御の延長フラグＦ＿ＥＸＴが「１」であるか否かを判別する（ステップ２５）。この延長フラグＦ＿ＥＸＴは、後述する還元制御の延長期間中であるときに「１」にセットされるものである。ステップ２５の答えがＮＯで、延長期間中でないときには、第２ＬＡＦセンサ１３の検出結果に基づく第２空気過剰率λ２が、第１ＬＡＦセンサ１２の検出結果に基づく第１空気過剰率λ１よりも小さいか否かを判別する（ステップ２６）。

この判別は、図５に示されるような還元制御中の排ガス成分の濃度変化や第１及び第２ＬＡＦ１２、１３の挙動特性に基づいている。すなわち、同図に示すように、還元制御が実行され、還元剤（ＣＯ／ＨＣ成分）を含む還元雰囲気の排ガスがＮＯｘ触媒７に供給されると、ＣＨ４が一旦、増大し、第１空気過剰率λ１が１よりも小さいリッチ側の値を示すのに対し、第２空気過剰率λ２は、ＮＯｘ触媒７中でＣＯ／ＨＣ成分が貯蔵されていたＯ２と酸化反応し、消費されるため、ストイキに相当する値１付近で推移する。

その後、ＮＯｘの還元動作の完了が近づくにつれて、ＮＯｘ触媒７の貯蔵Ｏ２量が０に近づき、ＣＯ／ＨＣ成分がスリップし始め、ＣＯ及びＣＨ４が増大することで、第２空気過剰率λ２が低下し、第１空気過剰率λ１に近づく。また、ＮＯｘが減少し、ＣＯが余ることで、ＣＯとＨ２Ｏとの反応によってＨ２が増大し、さらに、Ｈ２とＮＯの反応によってＮＨ３が増大する。

以上のように、ＮＯｘ還元動作の終盤において、Ｏ２よりも分子量の小さいＨ２やＣＯ、ＣＨ４が増大するとともに、Ｏ２よりも先に第２ＬＡＦセンサ１３のキャビティに到達するため、第２ＬＡＦセンサ１３がリッチ側と誤認識する。その結果、第２空気過剰率λ２は、第１空気過剰率λ１よりも小さくなり、リッチ側に反転する（もぐり込む）。したがって、このような第１空気過剰率λ１に対する第２空気過剰率λ２の反転から、ＮＯｘの還元動作が完了に近づいていると推定することが可能である。

一方、上述したように、第２空気過剰率λ２の反転は、第２ＬＡＦセンサ１３によるリッチ側の誤認識によって発生するため、実際にはＮＯｘ触媒７に相当量のＮＯｘが残留しているにもかかわらず、ＮＯｘの還元動作が完了したと判定する誤判定につながりやすい。本処理では、この点を考慮し、後述するように還元制御の終了判定を行っている。

以上のような還元制御中の第１及び第２ＬＡＦ１２、１３の挙動特性などに基づき、図３の前記ステップ２６の答えがＮＯで、第２空気過剰率λ２が第１空気過剰率λ１に対して反転していないときには、ＮＯｘの還元動作が完了していないため、還元制御を継続すべきとして、そのまま本処理を終了する。

一方、ステップ２６の答えがＹＥＳで、第２空気過剰率λ２が第１空気過剰率λ１に対して反転したときには、ＮＯｘの還元動作が完了に近づいていると判定するとともに、ＮＯｘ還元が完了した適切なタイミングで還元制御を終了させるために、還元制御をこの時点では終了せず、延長する。具体的には、ステップ２７において、延長時間ＴＲＥＦＥを算出する。次に、還元制御の延長期間中であることを表すために、延長フラグＦ＿ＥＸＴを「１」にセットする（ステップ２８）とともに、延長タイマの値ＴＭ＿ＥＸＴを０にリセットし（ステップ２９）、本処理を終了する。この延長タイマは、第２空気過剰率λ２の反転タイミングからの経過時間（延長時間）をアップカウント式に計時するものである。

上記ステップ２７における延長時間ＴＲＥＦＥの算出は、そのときに検出された排ガス流量ＱＥＸ及び触媒温度ＴＮＳＣに応じ、図６の延長時間マップを検索することによって行われる。同図に示すように、延長時間マップは、ｉ個の触媒温度の所定値ＴＮＳＣ１～ＴＮＳＣｉとｊ個の排ガス流量の所定値ＱＥＸ１～ＱＥＸｊとの組合わせに対し、還元制御の終了時に、ＮＯｘの還元動作が完了し、ＮＯｘがＮＯｘ触媒７に残留しないような最適な延長時間を、実験などによってあらかじめ求め、延長時間ＴＲＥＦＥとして設定したものである。

触媒温度ＴＮＳＣが所定値ＴＮＳＣ１～ＴＮＳＣｉのいずれにも一致しない場合、及び／又は排ガス流量ＱＥＸが所定値ＱＥＸ１～ＱＥＸｊのいずれにも一致しない場合には、延長時間ＴＲＥＦＥは補間計算によって求められる。

また、図６の延長時間マップでは、延長時間ＴＲＥＦＥは、排ガス流量ＱＥＸが大きいほど、より大きな値に設定されている。その理由は以下のとおりである。すなわち、還元制御中、排ガス流量ＱＥＸが小さいときには、排ガスの空間速度ＳＶが低く、排ガスがＮＯｘ触媒７を相対的に低速で通過する。このため、貯蔵Ｏ２によるＣＯ／ＨＣ成分の酸化反応とＣＯ／ＨＣ成分によるＮＯｘの還元反応が釣り合った状態でより確実に行われる結果、ＣＯ／ＨＣ成分のスリップ量は小さくなる。

これに対し、還元制御中、排ガス流量ＱＥＸが大きいときには、排ガスの空間速度ＳＶが高く、排ガスがＮＯｘ触媒７を相対的に高速で通過する。このため、貯蔵Ｏ２による酸化反応にもＮＯｘの還元反応にも用いられずにスリップするＣＯ／ＨＣ成分のスリップ量が増大することで、第２ＬＡＦセンサ１３のリッチ側に誤認識し、第２空気過剰率λ２の反転が早まる傾向がある。これを補償するために、延長時間ＴＲＥＦＥがより長く設定される。

さらに、図６の延長時間マップでは、延長時間ＴＲＥＦＥは、触媒温度ＴＮＳＣが高いほど、より大きな値に設定されている。その理由は以下のとおりである。すなわち、触媒温度ＴＮＳＣが高いほど、ＮＯｘ触媒７へのＯ２の捕捉量（吸着量）が多いのに対し、酸化反応に用いられる貯蔵Ｏ２の消費速度も大きいことから、第２空気過剰率λ２の反転が早まる傾向があるためである。また、触媒温度ＴＮＳＣが高いほど、ＣＯ／ＨＣ成分が貯蔵Ｏ２による酸化反応に優先的に用いられてしまい、ＮＯｘ還元に用いられるＣＯ／ＨＣ成分の量が減少する結果、ＮＯｘ還元動作の実際の完了よりも早く第２空気過剰率λ２の反転が生じるためである。

以上のように、還元制御の延長時間ＴＲＥＦＥを排ガス流量ＱＥＸ及び触媒温度ＴＮＳＣに応じて設定することにより、ＮＯｘ還元動作の実際の完了に対する第２空気過剰率λ２の早期の反転を補償し、ＮＯｘ触媒７からＮＯｘが十分に脱離還元された最適なタイミングで、還元制御が終了される。

図３に戻り、前記ステップ２８により延長フラグＦ＿ＥＸＴが「１」にセットされた後には、次回以降のループでステップ２５の答えがＹＥＳになり、その場合には、ステップ３０に進む。このステップ３０では、前記ステップ２９でリセットした延長タイマ値ＴＭ＿ＥＸＴが延長時間ＴＲＥＦＥ以上であるか否かを判別する。

この答えがＮＯで、第２空気過剰率λ２の反転タイミングから延長時間ＴＲＥＦＥが経過していないときには、後述するステップ３１に進む。一方、ステップ３０の答えがＹＥＳで、第２空気過剰率λ２の反転タイミングから延長時間ＴＲＥＦＥが経過したときには、還元制御を終了すべきと判定し、ステップ３２において、待機時間ＴＲＥＦＷを、前記第１所定値ＴＭＳよりも長い第２所定値ＴＭＬに設定する。

また、延長フラグＦ＿ＥＸＴを「０」にリセットする（ステップ３３）とともに、前記ステップ２３及び２４と同様、還元制御フラグＦ＿ＲＩＣＨを「０」にリセットする（ステップ３４）とともに、待機タイマ値ＴＭ＿ＷＡＩＴを０にリセットし（ステップ３５）、本処理を終了する。

一方、前記ステップ３０の答えがＮＯのときには、ステップ３１において、図２のステップ５でリセットした還元制御タイマ値ＴＭ＿ＲＩＣＨが所定の制限時間ＴＬＭＴ以上であるか否かを判別する。この答えがＮＯで、還元制御の開始時から制限時間ＴＬＭＴが経過していないときには、そのまま本処理を終了し、還元制御を継続する。

一方、ステップ３１の答えがＹＥＳで、還元制御の開始時から制限時間ＴＬＭＴが経過したときには、還元制御を終了すべきと判定し、前記ステップ３２～３５を実行した後、本処理を終了する。

図７は、これまでに説明した図３及び図４の還元制御処理によって得られる動作例を示す。この例では、時点ｔ１までは、エンジン３（ディーゼルエンジン）の通常運転が行われており、酸化雰囲気の排ガス中のＯ２がＮＯｘ触媒７に貯蔵されるとともに、ＮＯｘがＮＯｘ触媒７に捕捉される。

この状態から、時点ｔ１において、還元制御の実行条件が成立すると、還元制御フラグＦ＿ＲＩＣＨが「１」にセットされる（図２のステップ９）のに応じて、還元制御が開始され、ポスト噴射などによって還元雰囲気の排ガスがＮＯｘ触媒７に供給される。また、還元制御の開始と同時に、還元制御タイマがスタートし、そのタイマ値ＴＭ＿ＲＩＣＨが増加する。

還元制御中、還元雰囲気の排ガスが供給されるのに伴い、ＮＯｘ触媒７の上流側における第１空気過剰率λ１は、値１よりも小さいリッチ状態で推移する。また、ＮＯｘ触媒７において、貯蔵Ｏ２による還元剤（ＣＯ／ＨＣ成分）の酸化反応と、還元剤によるＮＯｘの還元反応が行われることによって、ＮＯｘが脱離浄化され、ＮＯｘ触媒７の下流側における第２空気過剰率λ２は、値１にほぼ等しいストイキ状態で推移する。

その後、上述した酸化・還元反応が進行し、ＮＯｘの還元動作の完了が近づくにつれて、前述したように、ＮＯｘ触媒７の貯蔵Ｏ２量が０に近づき、ＣＯ／ＨＣ成分がスリップするとともに、Ｏ２よりも分子量の小さいＨ２やＣＯ、ＣＨ４が増大し、第２ＬＡＦセンサ１３がリッチ側と誤認識するなどの理由から、第２空気過剰率λ２は、第１空気過剰率λ１よりも小さくなり、リッチ側に反転する（ステップ２６：ＹＥＳ、時点ｔ２）。

この第２空気過剰率λ２の反転に伴い、延長フラグＦ＿ＥＸＴが「１」にセットされ（ステップ２８）、還元制御の延長期間に移行するとともに、延長タイマがスタートし、そのタイマ値ＴＭ＿ＥＸＴが増加する。また、第２空気過剰率λ２が反転した時点ｔ２で、そのときに検出された排ガス流量ＱＥＸ及び触媒温度ＴＮＳＣに応じて、延長時間ＴＲＥＦＥが設定される（ステップ２７、図６）。

そして、延長タイマ値ＴＭ＿ＥＸＴが延長時間ＴＲＥＦＥに達したとき、すなわち第２空気過剰率λ２の反転タイミングから延長時間ＴＲＥＦＥが経過したときに（時点ｔ３）、還元制御を終了すべきと判定し、延長フラグＦ＿ＥＸＴ及び還元制御フラグＦ＿ＲＩＣＨがいずれも「０」にリセットされ（ステップ３３、３４）、還元制御が終了する。

なお、本例では、還元制御タイマ値ＴＭ＿ＲＩＣＨが制限値ＴＬＭＴに達する前に、延長タイマ値ＴＭ＿ＥＸＴが延長時間ＴＲＥＦＥに達しているが、これとは逆に、先に還元制御タイマ値ＴＭ＿ＲＩＣＨが制限値ＴＬＭＴに達した場合には、そのタイミングで、還元制御を終了すべきと判定される。

以上のように、本実施形態によれば、還元制御の実行中、第２空気過剰率λ２が第１空気過剰率λ１に対してリッチ側に反転したときに、第２空気過剰率λ２の変化状態に影響を及ぼす空燃比影響パラメータ（排ガス流量ＱＥＸ、触媒温度ＴＮＳＣ）に応じて、延長時間ＴＲＥＦＥを設定し、第２空気過剰率λ２の反転タイミングから延長時間ＴＲＥＦＥが経過したときに、還元制御を終了する。

また、還元制御の終了タイミングを、その開始から終了までの全体時間ではなく、第２空気過剰率λ２の反転タイミングからの延長時間として、第２空気過剰率λ２の実際の変化状態を反映するように設定する。以上により、ＮＯｘ還元動作の実際の完了に応じた適切なタイミングで、還元制御を終了させることができ、それにより、排ガスの浄化性能を十分に発揮させることができる。

また、空燃比影響パラメータとして、第２空気過剰率λ２の反転タイミングで検出された排ガス流量ＱＥＸ及び触媒温度ＴＮＳＣを用いるとともに、排ガス流量ＱＥＸが大きいほど、また触媒温度ＴＮＳＣが高いほど、延長時間ＴＲＥＦＥをより長い時間に設定する。したがって、これらのパラメータに応じた第２空気過剰率λ２の変化状態を良好に反映させながら、延長時間ＴＲＥＦＥの設定をより適切に行い、より適切なタイミングで還元制御を終了させ、浄化性能を向上させることができる。

さらに、還元制御の開始時から制限時間ＴＬＭＴが経過したときに、第２空気過剰率λ２の反転タイミングからの延長時間ＴＲＥＦＥの経過の有無にかかわらず、還元制御を終了するので、還元動作の完了後に還元制御が長く継続される事態を回避し、ＮＯｘ触媒の過昇温と浄化性能の低下などの不具合を防止することができる。

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、実施形態では、還元制御の延長時間ＴＲＥＦＥを設定するための空燃比影響パラメータとして、排ガス流量ＱＥＸ及び触媒温度ＴＮＳＣを用いているが、両パラメータに代えて又は両パラメータとともに、ＮＯｘ触媒の下流側における排ガス中の空燃比の変化状態に影響を及ぼす他の適当なパラメータを採用することができる。

例えば、排ガス流量ＱＥＸに代えて、ＮＯｘ触媒に対する排ガスの空間速度を採用してもよい。この排ガスの空間速度は、ＮＯｘ触媒の容積に対する相対的な排ガス流量に相当するので、排ガス流量ＱＥＸを用いた場合と同様の効果を得ることができる。

あるいは、空燃比影響パラメータとして、例えばＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ占有率を採用してもよい。ここで、ＮＯｘ占有率は、ＮＯｘ触媒の最大ＮＯｘ捕捉（吸着）量に対する実際のＮＯｘ捕捉量の割合をいう。ＮＯｘ占有率が高いと、還元制御中、ＮＯｘの還元動作が完了する前にＮＨ３がスリップし始め、ＮＯｘ触媒からＮＯｘと同時に排出されるため、第２ＬＡＦセンサ１３の誤認識により、第２空気過剰率λ２の反転が早まる傾向がある。このため、空燃比影響パラメータとしてＮＯｘ占有率を用い、ＮＯｘ占有率が高いほど、延長時間ＴＲＥＦＥをより長い時間に設定することによって、還元制御を適切なタイミングで終了させることができる。

また、実施形態は、空燃比パラメータ検出手段として、ジルコニア及び白金電極などで構成されたＬＡＦセンサを用いた例であるが、これに限らず、排ガス中の空燃比を表す空燃比パラメータを検出できるものであればよく、例えば、チタニア型酸素濃度センサなどを用いてもよい。さらに、実施形態は、空燃比パラメータとして空気過剰率λを用いた例であるが、これに限らず、排ガス中の空燃比を表すものであればよく、例えば、排ガスの空燃比そのものや排ガス中の酸素濃度を用いてもよい。

また、実施形態では、第２空気過剰率λ２の基準値として第１空気過剰率λ１を用い、第１空気過剰率λ１よりもリッチ側に移行したタイミングを反転タイミングとしているが、この基準値として、ストイキに相当する又はストイキよりもリッチ側の所定値を用いてもよい。

さらに、実施形態では、還元制御を、燃料のポスト噴射によって行っているが、これに限らず、例えば排気通路５に還元剤供給用の燃料噴射弁を設け、この燃料噴射弁から燃料を排気通路５に直接、噴射することによって行ってもよい。

また、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、本発明の排ガス浄化装置は、これに限らず、各種の内燃機関、例えばリーンバーン運転が行われるガソリンエンジンに適用してもよい。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。

１ 排ガス浄化装置
２ ＥＣＵ（還元制御手段、空燃比影響パラメータ検出手段、延長時間設定手段、
終了判定手段、計時手段、第２終了判定手段）
３ 内燃機関
５ 排気通路
７ ＮＯｘ触媒
１１ エアフローセンサ（空燃比影響パラメータ検出手段）
１３ 第２ＬＡＦセンサ（空燃比パラメータ検出手段）
１４ 触媒温度センサ（空燃比影響パラメータ検出手段）
λ１ 第１空気過剰率（基準値）
λ２ 第２空気過剰率（空燃比パラメータ）
ＱＥＸ 排ガス流量（空燃比影響パラメータ）
ＴＮＳＣ 触媒温度（ＮＯｘ触媒の温度、空燃比影響パラメータ）
ＴＲＥＦＥ 延長時間
ＴＭ＿ＲＩＣＨ 還元制御タイマ値（還元制御の開始時からの経過時間）
ＴＬＭＴ 制限時間（所定時間）

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、酸素貯蔵能を有し、酸化雰囲気の排ガス中のＮＯｘを捕捉するとともに、還元剤を含む還元雰囲気の排ガスが供給されることにより、前記捕捉したＮＯｘを還元し、浄化するＮＯｘ触媒と、
   所定の実行条件が成立したときに、前記ＮＯｘ触媒にＮＯｘの還元動作を行わせるために、前記ＮＯｘ触媒に流入する排ガスを、還元雰囲気に制御する還元制御を実行する還元制御手段と、
   前記ＮＯｘ触媒の下流側における排ガス中の空燃比を表す空燃比パラメータを検出する空燃比パラメータ検出手段と、
   前記還元制御の実行中、前記検出された空燃比パラメータが基準値に対してリッチ側に反転したか否かを判定する空燃比反転判定手段と、
   前記還元制御の実行中、前記ＮＯｘ触媒の下流側における排ガス中の空燃比の変化状態に影響を及ぼすパラメータを、空燃比影響パラメータとして検出する空燃比影響パラメータ検出手段と、
   当該検出された空燃比影響パラメータに応じて、前記還元制御の延長時間を設定する延長時間設定手段と、
   前記空燃比パラメータが前記基準値に対してリッチ側に反転したタイミングから前記延長時間が経過したときに、前記還元制御を終了すべきと判定する終了判定手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
2. 前記延長時間設定手段は、前記空燃比パラメータが前記基準値に対してリッチ側に反転したタイミングで検出された空燃比影響パラメータに応じて、前記延長時間を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. 前記空燃比影響パラメータ検出手段は、前記空燃比影響パラメータとして、前記排ガスの流量を検出し、
   前記延長時間設定手段は、前記検出された排ガスの流量が大きいほど、前記延長時間をより長い時間に設定することを特徴とする、請求項１又は２に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
4. 前記空燃比影響パラメータ検出手段は、前記空燃比影響パラメータとして、前記ＮＯｘ触媒の温度を検出し、
   前記延長時間設定手段は、前記検出されたＮＯｘ触媒の温度が高いほど、前記延長時間をより長い時間に設定することを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
5. 前記還元制御の開始時からの経過時間を計時する計時手段と、
   当該計時された経過時間が所定時間に達したときに、前記還元制御を終了すべきと判定する第２終了判定手段と、をさらに備えることを特徴とする、請求項１から４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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