JP7121515B2

JP7121515B2 - 排気浄化装置の制御装置

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Description

本発明は、排気浄化装置の制御装置に関する。

近年、エンジンから排出される排気を浄化する排気浄化装置において、排気中の有害成分を酸化又は還元することによって浄化するために、種々の触媒が用いられている。そのような触媒として、排気中の窒素酸化物（以下、ＮＯｘとも称する。）を吸蔵可能な窒素酸化物吸蔵触媒を備えた排気浄化装置に関する技術が提案されている。

窒素酸化物吸蔵触媒におけるＮＯｘを吸蔵する能力（以下、ＮＯｘ吸蔵能力とも称する。）は、窒素酸化物吸蔵触媒に吸蔵されたＮＯｘの量（以下、ＮＯｘ吸蔵量とも称する。）が増大するにつれて低下する特性を有する。ゆえに、例えばＮＯｘ吸蔵量が所定の閾値を上回ったことをトリガとして、窒素酸化物吸蔵触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元するために、窒素酸化物吸蔵触媒に流入する流入ガスの空燃比を一時的にリッチにするリッチ化処理が行われる（例えば、特許文献１等参照）。それにより、窒素酸化物吸蔵触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元して浄化するとともに、窒素酸化物吸蔵触媒のＮＯｘ吸蔵能力を回復させることができる。

特開２０１２－２５５３４８号公報

ところで、リッチ化処理の実行時には、リッチ化処理の非実行時と比較して、燃料消費量が多い状態となるので、リッチ化処理における流入ガスの空燃比の変化量が過剰に大きい場合、燃料消費量が窒素酸化物吸蔵触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元するために必要な量に対して過剰になり、燃費が悪化するという問題が生じる。一方、リッチ化処理における流入ガスの空燃比の変化量が過度に小さい場合、燃料消費量の増大は抑制されるものの、窒素酸化物吸蔵触媒に吸蔵されたＮＯｘを適切に還元することが困難となり、リッチ化処理において窒素酸化物吸蔵触媒から脱離したＮＯｘが還元されずに車外へ排出されやすくなるという問題が生じる。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、ＮＯｘの車外への排出を抑制しつつ、燃費を向上させることが可能な、新規かつ改良された排気浄化装置の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、エンジンから排出される排気が通過する排気通路に設けられ、前記排気中の窒素酸化物を吸蔵可能な窒素酸化物吸蔵触媒を備える排気浄化装置の制御装置であって、前記窒素酸化物吸蔵触媒に吸蔵された前記窒素酸化物を還元するために、前記窒素酸化物吸蔵触媒に流入する流入ガスの空燃比を一時的にリッチにするリッチ化処理を実行する制御部を備え、前記制御部は、前記流入ガスの流量及び前記流入ガス中の前記窒素酸化物の濃度に基づいて、前記窒素酸化物吸蔵触媒に単位時間あたりに流入する前記窒素酸化物の量に相当する窒素酸化物流入量を算出し、前記窒素酸化物流入量に基づいて、前記リッチ化処理における前記流入ガスの空燃比の変化量を制御する、排気浄化装置の制御装置が提供される。

前記制御部は、前記窒素酸化物流入量が流入量閾値を超える場合に、前記窒素酸化物流入量が前記流入量閾値以下である場合と比較して、前記リッチ化処理における前記流入ガスの空燃比の変化量を大きくしてもよい。

前記制御部は、前記窒素酸化物吸蔵触媒に吸蔵され得る前記窒素酸化物の最大量に応じた値を前記流入量閾値として用いてもよい。

前記制御部は、前記窒素酸化物吸蔵触媒に吸蔵されている前記窒素酸化物の量が吸蔵量閾値を超える場合に前記リッチ化処理を実行し、前記窒素酸化物流入量が前記流入量閾値を超える場合に、前記窒素酸化物流入量が前記流入量閾値以下である場合と比較して、小さな値を前記吸蔵量閾値として用いてもよい。

前記制御部は、前記リッチ化処理の開始後、前記窒素酸化物吸蔵触媒から流出する流出ガスの空燃比が空燃比閾値を下回った場合に前記リッチ化処理を終了し、前記窒素酸化物流入量が前記流入量閾値を超える場合に、前記窒素酸化物流入量が前記流入量閾値以下である場合と比較して、小さな値を前記空燃比閾値として用いてもよい。

前記制御部は、前記エンジンに吸入される吸気の流量、前記窒素酸化物吸蔵触媒に吸蔵されている前記窒素酸化物の量、及び前記窒素酸化物吸蔵触媒の温度のうちの少なくとも１つに基づいて、前記リッチ化処理における前記流入ガスの空燃比の変化量を制御してもよい。

以上説明したように本発明によれば、ＮＯｘの車外への排出を抑制しつつ、燃費を向上させることが可能となる。

本発明の実施形態に係る排気浄化システムの概略構成を示す模式図である。同実施形態に係る制御装置の機能構成の一例を示すブロック図である。通常時において窒素酸化物吸蔵触媒によってＮＯｘが還元される様子を示す模式図である。通常時及び高ＮＯｘ時の各々についての窒素酸化物吸蔵触媒におけるＮＯｘ吸蔵量の分布を示す模式図である。高ＮＯｘ時において窒素酸化物吸蔵触媒によってＮＯｘが還元される様子を示す模式図である。同実施形態に係る制御装置が行う処理の流れの一例を示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．排気浄化システムの構成＞
まず、図１及び図２を参照して、本発明の実施形態に係る排気浄化システム１の構成について説明する。

図１は、本実施形態に係る排気浄化システム１の概略構成を示す模式図である。図２は、本実施形態に係る制御装置１００の機能構成の一例を示すブロック図である。

排気浄化システム１は、車両に搭載され、図１に示されるように、エンジン３０と、エンジン３０より吸気側に設けられた吸気通路１０と、エンジン３０より排気側に設けられた排気通路２０と、排気浄化装置６０と、制御装置１００とを備える。排気浄化装置６０は、排気通路２０に設けられる三元触媒２２及び窒素酸化物吸蔵触媒２４を備える。

エンジン３０は、例えば、火花点火式の内燃機関であるガソリンエンジンである。エンジン３０には、１又は複数の気筒３１が備えられる。図１では、理解を容易にするために、エンジン３０に設けられる複数の気筒３１のうちの１つの気筒３１が一例として示されている。各気筒３１には、内部に燃焼室３２が形成され、燃焼室３２に向けて点火プラグ３５が設けられている。また、各気筒３１には、燃焼室３２に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁３８が設けられている。燃料噴射弁３８は、具体的には、燃料タンク４０からフィードポンプ５０により吸い上げられて送出された燃料を燃焼室３２内に噴射する。なお、燃料噴射弁３８は、燃焼室３２内に燃料を直接噴射する形式のものに限られない。燃料噴射弁３８が吸気通路１０に備えられ、あらかじめ燃料を含む吸気が燃焼室３２へ吸入されてもよい。

燃焼室３２には、空気及び燃料からなる混合気が形成され、当該混合気が点火プラグ３５の点火により燃焼する。それにより、各気筒３１内に設けられたピストン３３が直線往復運動を行い、各気筒３１のピストン３３と接続されたクランクシャフトへ動力が伝達される。各燃焼室３２は、吸気側及び排気側においてそれぞれ吸気通路１０及び排気通路２０と連通している。また、各気筒３１には、吸気ポート及び排気ポートをそれぞれ開閉可能な吸気バルブ３６及び排気バルブ３７が設けられている。吸気バルブ３６及び排気バルブ３７が開閉することにより、燃焼室３２への吸気の吸入及び燃焼室３２からの排気の排出が行われる。

吸気通路１０は、上流側の端部において、車両の外部から外気が取り込まれる吸気口と連通する。吸気通路１０には、エアクリーナ１２が設けられ、エアクリーナ１２の下流側には、吸気通路１０へ吸入される吸気の量である吸気量を調整可能なスロットルバルブ１４が設けられる。スロットルバルブ１４のさらに下流側には、インテークマニホールド１５が設けられる。インテークマニホールド１５は、各気筒３１の吸気側に向けて分岐し、各燃焼室３２と連通する。具体的には、インテークマニホールド１５から各気筒３１へ向けて分岐する通路は、各気筒３１の吸気ポートに接続される。また、インテークマニホールド１５には、気筒３１側へ流れる吸気を一時的に溜めるためのサージタンク１６が設けられる。

吸気口から取り込まれた外気は、エアクリーナ１２を通過した後、スロットルバルブ１４により絞られ、インテークマニホールド１５を介してエンジン３０の各気筒３１に吸入される。スロットルバルブ１４は、例えば、電動モータを備え、制御装置１００からの動作指令に基づいて当該電動モータが駆動されることによって、スロットルバルブ１４の開度が制御されるように構成される。スロットルバルブ１４の開度が調整されることにより、吸気通路１０の流路面積が調整されて、吸気量が調整される。

吸気通路１０には、エアフローメータ２０２が設けられる。エアフローメータ２０２は、エアクリーナ１２とスロットルバルブ１４との間に設けられ、吸気通路１０へ吸入される吸気の量である吸気量を検出し、検出結果を出力する。

排気通路２０は、下流側の端部において、車両の外部へ排気が放出される排気口と連通する。排気通路２０の上流側には、エキゾーストマニホールド２１が設けられる。エキゾーストマニホールド２１は、各気筒３１の排気側に向けて分岐し、各燃焼室３２と連通する。具体的には、エキゾーストマニホールド２１から各気筒３１へ向けて分岐する通路は、各気筒３１の排気ポートに接続される。エキゾーストマニホールド２１の下流側には、三元触媒２２が設けられる。三元触媒２２は、排気中の炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）の酸化、並びにＮＯｘの還元を行い、排気中のこのような有害成分を無害な水蒸気（Ｈ_２Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、及び窒素（Ｎ_２）に浄化する。三元触媒２２のさらに下流側には、窒素酸化物吸蔵触媒２４が配設される。窒素酸化物吸蔵触媒２４は、排気中のＮＯｘを吸蔵可能な触媒である。

エンジン３０における燃焼後の排気は、各燃焼室３２からエキゾーストマニホールド２１を介して排出され、三元触媒２２及び窒素酸化物吸蔵触媒２４を順に通過した後、排気口から車両の外部へ放出される。このように、エンジン３０から排出される排気は、排気通路２０を通過する。排気浄化システム１では、窒素酸化物吸蔵触媒２４に流入する流入ガスの空燃比がリーン空燃比（つまり、理論空燃比より大きい空燃比）となる場合において、浄化されずに三元触媒２２を通過したＮＯｘを窒素酸化物吸蔵触媒２４によって吸蔵することができる。

排気通路２０には、上流側ＮＯｘ濃度センサ２０４と、下流側ＮＯｘ濃度センサ２０６と、空燃比センサ２０８とが設けられる。

上流側ＮＯｘ濃度センサ２０４は、三元触媒２２と窒素酸化物吸蔵触媒２４との間に設けられ、窒素酸化物吸蔵触媒２４へ流入する流入ガス中のＮＯｘの濃度を検出し、検出結果を出力する。

下流側ＮＯｘ濃度センサ２０６は、窒素酸化物吸蔵触媒２４の下流側に設けられ、窒素酸化物吸蔵触媒２４から流出する流出ガス中のＮＯｘの濃度を検出し、検出結果を出力する。さらに、下流側ＮＯｘ濃度センサ２０６は、窒素酸化物吸蔵触媒２４から流出する流出ガスの空燃比を検出し、検出結果を出力する。

空燃比センサ２０８は、三元触媒２２の上流側に設けられ、エンジン３０から排出される排気の空燃比を検出し、検出結果を出力する。

制御装置１００は、本発明に係る排気浄化装置の制御装置に相当する。制御装置１００は、具体的には、演算処理装置であるＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＣＰＵが使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する記憶素子であるＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）及びＣＰＵの実行において適宜変化するパラメータ等を一時記憶する記憶素子であるＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）等で構成される。

制御装置１００は、排気浄化システム１における各装置と通信を行う。制御装置１００と各装置との通信は、例えば、ＣＡＮ（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）通信を用いて実現される。なお、本実施形態に係る制御装置１００が有する機能は複数の制御装置により分割されてもよく、その場合、当該複数の制御装置は、ＣＡＮ等の通信バスを介して、互いに接続されてもよい。

図２に示されるように、制御装置１００は、例えば、取得部１１０と、制御部１３０とを備える。

取得部１１０は、制御部１３０が行う処理において用いられる各種情報を取得し、取得した情報を制御部１３０へ出力する。具体的には、取得部１１０は、エアフローメータ２０２、上流側ＮＯｘ濃度センサ２０４、下流側ＮＯｘ濃度センサ２０６及び空燃比センサ２０８とそれぞれ通信することによって、各センサから出力される検出結果を取得する。

制御部１３０は、取得部１１０により取得された情報を用いて各処理を実行する。図２に示されるように、制御部１３０は、例えば、ＮＯｘ流入量算出部１３１と、ＮＯｘ吸蔵量算出部１３２と、エンジン制御部１３３とを有する。

ＮＯｘ流入量算出部１３１は、窒素酸化物吸蔵触媒２４に流入する流入ガスの流量及び流入ガス中のＮＯｘの濃度に基づいて、窒素酸化物吸蔵触媒２４に単位時間あたりに流入するＮＯｘの量に相当する窒素酸化物流入量（以下、ＮＯｘ流入量とも称する。）を算出する。ＮＯｘ流入量は、具体的には、流入ガスの流量に流入ガス中のＮＯｘの濃度を乗じて得られる値である。

ＮＯｘ吸蔵量算出部１３２は、窒素酸化物吸蔵触媒２４に吸蔵されているＮＯｘの量であるＮＯｘ吸蔵量を算出する。

エンジン制御部１３３は、エンジン３０の動作を制御する。具体的には、エンジン制御部１３３は、スロットルバルブ１４の駆動、点火プラグ３５の駆動及び燃料噴射弁３８の駆動を制御する。それにより、エンジン３０における燃焼が制御される。

ここで、エンジン制御部１３３は、燃料噴射弁３８によって噴射される燃料の量を制御することによって、エンジン３０の気筒３１内の空燃比を制御する。それにより、エンジン制御部１３３は、窒素酸化物吸蔵触媒２４に吸蔵されたＮＯｘを還元するために、窒素酸化物吸蔵触媒２４に流入する流入ガスの空燃比を一時的にリッチにするリッチ化処理を実行することができる。

本実施形態に係るエンジン制御部１３３は、後述にて詳細に説明するように、窒素酸化物吸蔵触媒２４に流入する流入ガスの流量及び流入ガス中のＮＯｘの濃度に基づいて、リッチ化処理における流入ガスの空燃比の変化量を制御する。具体的には、エンジン制御部１３３は、ＮＯｘ流入量に基づいて、リッチ化処理における流入ガスの空燃比の変化量を制御する。なお、リッチ化処理における流入ガスの空燃比の変化量は、具体的には、リッチ化処理の実行時の流入ガスの空燃比がリッチ化処理の非実行時の流入ガスの空燃比に対してどの程度低下したかを示す値に相当する。

＜２．窒素酸化物吸蔵触媒によるＮＯｘの還元作用＞
続いて、図３～図５を参照して、窒素酸化物吸蔵触媒２４によるＮＯｘの還元作用の詳細について説明する。

図３は、通常時において窒素酸化物吸蔵触媒２４によってＮＯｘが還元される様子を示す模式図である。なお、本明細書では、ＮＯｘ流入量が比較的大きい場合（具体的には、ＮＯｘ流入量が後述する流入量閾値を超える場合）を高ＮＯｘ時と呼び、それ以外の場合を通常時と呼ぶ。

窒素酸化物吸蔵触媒２４によりＮＯｘが吸蔵される過程では、ＮＯｘは窒素酸化物吸蔵触媒２４において上流側から優先的に吸蔵されていく。その結果、図３に示されるように、窒素酸化物吸蔵触媒２４における上流側にＮＯｘ吸蔵量が比較的大きな領域である吸蔵領域が形成され、窒素酸化物吸蔵触媒２４における下流側にＮＯｘ吸蔵量が比較的小さくＮＯｘの還元が行われる領域である還元領域が形成される。

まず、窒素酸化物吸蔵触媒２４の上流端から流入した流入ガス中のＮＯｘは、吸蔵領域において、例えば、図３に示されるように、窒素酸化物吸蔵触媒２４に吸蔵材として含まれるバリウム（Ｂａ）と反応してＢａ（ＮＯ_３）_２となって吸蔵される。このようなＢａとＮＯｘとの反応は、具体的には、窒素酸化物吸蔵触媒２４に含まれる白金（Ｐｔ）により促進される。

そして、リッチ化処理が実行されると、図３に示されるように、窒素酸化物吸蔵触媒２４に吸蔵されていたＮＯｘは流入ガス中で増加したＣＯ及びＨＣと反応してＮＯとなり、窒素酸化物吸蔵触媒２４から脱離する。その後、窒素酸化物吸蔵触媒２４から脱離したＮＯは、下流側へ移動して還元領域を通過しながら流入ガス中で増加したＣＯ及びＨＣと反応して還元され、図３に示されるように、Ｎ_２になって窒素酸化物吸蔵触媒２４の下流端から排出される。

図４は、通常時及び高ＮＯｘ時の各々についての窒素酸化物吸蔵触媒２４におけるＮＯｘ吸蔵量の分布を示す模式図である。

上述したように、窒素酸化物吸蔵触媒２４によりＮＯｘが吸蔵される過程では、ＮＯｘは窒素酸化物吸蔵触媒２４において上流側から優先的に吸蔵されていく。それにより、窒素酸化物吸蔵触媒２４において、ＮＯｘ吸蔵量は、図４に示されるように、下流側と比較して上流側で大きくなるように分布する。上述した窒素酸化物吸蔵触媒２４における吸蔵領域は、ＮＯｘ吸蔵量が基準値を超える領域に相当する。一方、上述した窒素酸化物吸蔵触媒２４における還元領域は、ＮＯｘ吸蔵量が基準値以下となる領域に相当する。

ここで、高ＮＯｘ時には、通常時と比較して、窒素酸化物吸蔵触媒２４に流入する流入ガスの流速が大きく、かつ、流入ガス中のＮＯｘの濃度が高い状態となっている。ゆえに、図４に示されるように、高ＮＯｘ時には、通常時と比較して、窒素酸化物吸蔵触媒２４の上流端から流入した流入ガス中のＮＯｘは窒素酸化物吸蔵触媒２４の上流側において広範囲に亘って吸蔵される。よって、図４に示されるように、高ＮＯｘ時には、通常時と比較して、窒素酸化物吸蔵触媒２４における吸蔵領域が下流側へ拡大し、それに伴い還元領域が下流側へ縮小する。

図５は、高ＮＯｘ時において窒素酸化物吸蔵触媒２４によってＮＯｘが還元される様子を示す模式図である。なお、図５では、本実施形態と異なり、高ＮＯｘ時において、リッチ化処理における流入ガスの空燃比の変化量を通常時と同程度にした場合の例が模式的に示されている。

図５に示されるように、高ＮＯｘ時には、上述したように、図４に示される通常時と比較して、窒素酸化物吸蔵触媒２４における吸蔵領域が下流側へ拡大しており、還元領域が下流側へ縮小している。ゆえに、リッチ化処理の実行時において、流入ガス中で増加したＣＯ及びＨＣによって窒素酸化物吸蔵触媒２４から脱離したＮＯが還元領域に進入してから還元領域を通り抜け終わるまでの時間は、通常時と比較して短くなる。また、高ＮＯｘ時には、通常時と比較して、窒素酸化物吸蔵触媒２４に流入する流入ガスの流速が大きいことも、窒素酸化物吸蔵触媒２４から脱離したＮＯが還元領域に進入してから還元領域を通り抜け終わるまでの時間が短くなる要因となる。それにより、窒素酸化物吸蔵触媒２４から脱離したＮＯｘは、通常時と比較して、還元されにくくなる。

ここで、通常時であるか高ＮＯｘ時であるかにかかわらずリッチ化処理における流入ガスの空燃比の変化量を一定量とした場合、図５に示されるように、窒素酸化物吸蔵触媒２４から脱離した一部のＮＯが還元されずに窒素酸化物吸蔵触媒２４の下流端から排出されることが生じ得る。一方、リッチ化処理における流入ガスの空燃比の変化量を高ＮＯｘ時に窒素酸化物吸蔵触媒２４から脱離したＮＯｘを還元するために必要な量となる程度に大きな値に設定した場合には、通常時において、リッチ化処理による燃料消費量が窒素酸化物吸蔵触媒２４に吸蔵されたＮＯｘを還元するために必要な量に対して過剰になり、燃費が悪化する。

そこで、本実施形態に係る制御装置１００は、通常時と高ＮＯｘ時との間で、リッチ化処理における流入ガスの空燃比の変化量を異ならせるように制御することによって、ＮＯｘの車外への排出を抑制しつつ、燃費を向上させることを可能とする。以下では、このような制御装置１００による制御の詳細について説明する。

＜３．制御装置の動作＞
続いて、図６を参照して、本発明の実施形態に係る制御装置１００の動作について説明する。

図６は、本実施形態に係る制御装置１００が行う処理の流れの一例を示すフローチャートである。図６に示される制御フローは、例えば、あらかじめ設定された時間間隔で繰り返される。

図６に示される制御フローが開始されると、まず、ステップＳ５０１において、制御部１３０は、判定フラグが１であるか否かを判定する。判定フラグが１であると判定された場合（ステップＳ５０１／ＹＥＳ）、ステップＳ５１７へ進む。一方、判定フラグが１でない（つまり、判定フラグが０である）と判定された場合（ステップＳ５０１／ＮＯ）、ステップＳ５０３へ進む。

判定フラグは、現在が通常時であるか高ＮＯｘ時であるかを判定するためのフラグであり、０又は１のいずれか一方の値をとる。判定フラグが０の場合に現在が通常時であると判定され、判定フラグが１の場合に現在が高ＮＯｘ時であると判定される。判定フラグは、制御装置１００の記憶素子に記憶されており、例えば、判定フラグの初期値（例えば、車両の電源システムの始動時における値）は０に設定されている。

ステップＳ５０３において、ＮＯｘ流入量算出部１３１は、窒素酸化物吸蔵触媒２４に流入する流入ガスの流量及び流入ガス中のＮＯｘの濃度に基づいて、窒素酸化物吸蔵触媒２４に単位時間あたりに流入するＮＯｘの量に相当するＮＯｘ流入量を算出する。

ＮＯｘ流入量算出部１３１は、例えば、エアフローメータ２０２により検出される吸気量及び燃料噴射弁３８により噴射される燃料の量に基づいて、流入ガスの流量を算出する。また、ＮＯｘ流入量算出部１３１は、例えば、上流側ＮＯｘ濃度センサ２０４により検出される値を流入ガス中のＮＯｘの濃度として用いる。そして、ＮＯｘ流入量算出部１３１は、例えば、流入ガスの流量に流入ガス中のＮＯｘの濃度を乗じて得られる値をＮＯｘ流入量として算出する。

次に、ステップＳ５０５において、制御部１３０は、ＮＯｘ流入量が流入量閾値を超えているか否かを判定する。ＮＯｘ流入量が流入量閾値を超えていると判定された場合（ステップＳ５０５／ＹＥＳ）、ステップＳ５１５へ進む。一方、ＮＯｘ流入量が流入量閾値を超えていないと判定された場合（ステップＳ５０５／ＮＯ）、ステップＳ５０７へ進む。

流入量閾値は、リッチ化処理を実行した際に窒素酸化物吸蔵触媒２４から脱離したＮＯｘが顕著に還元されにくくなる程度に窒素酸化物吸蔵触媒２４における還元領域が縮小しているか否かを判定し得る値に設定される。制御部１３０は、ＮＯｘ流入量が流入量閾値を超えていると判定された場合（ステップＳ５０５でＹＥＳと判定された場合）、現在が高ＮＯｘ時であると判定する。一方、制御部１３０は、ＮＯｘ流入量が流入量閾値を超えていないと判定された場合（ステップＳ５０５でＮＯと判定された場合）、現在が通常時であると判定する。

制御部１３０は、例えば、窒素酸化物吸蔵触媒２４に吸蔵され得るＮＯｘの最大量に応じた値を流入量閾値として用いる。窒素酸化物吸蔵触媒２４に吸蔵され得るＮＯｘの最大量は、窒素酸化物吸蔵触媒２４の仕様又は温度等に応じて変化し得る。ゆえに、例えば、流入量閾値として、窒素酸化物吸蔵触媒２４の仕様に応じた値が制御装置１００の記憶素子に予め記憶されていてもよい。また、例えば、制御部１３０は、流入量閾値として用いる値を窒素酸化物吸蔵触媒２４の温度に応じて適宜変化させてもよい。

以下では、ステップＳ５０５でＮＯと判定された場合における処理の流れについて説明した後に、ステップＳ５０５でＹＥＳと判定された場合における処理の流れについて説明する。

ステップＳ５０５でＮＯと判定された場合（つまり、現在が通常時であると判定された場合）、ステップＳ５０７において、制御部１３０は、ＮＯｘ吸蔵量が第１吸蔵量閾値を超えているか否かを判定する。ＮＯｘ吸蔵量が第１吸蔵量閾値を超えていると判定された場合（ステップＳ５０７／ＹＥＳ）、ステップＳ５０９へ進む。一方、ＮＯｘ吸蔵量が第１吸蔵量閾値を超えていないと判定された場合（ステップＳ５０７／ＮＯ）、ステップＳ５０３へ戻る。

ＮＯｘ吸蔵量は、具体的には、ＮＯｘ吸蔵量算出部１３２によって算出される。例えば、ＮＯｘ吸蔵量算出部１３２は、エアフローメータ２０２により検出される吸気量、上流側ＮＯｘ濃度センサ２０４により検出される流入ガス中のＮＯｘの濃度、及び、下流側ＮＯｘ濃度センサ２０６により検出される流出ガス中のＮＯｘの濃度に基づいて、ＮＯｘ吸蔵量の単位時間あたりの増量を算出する。ＮＯｘ吸蔵量算出部１３２は、このように算出されたＮＯｘ吸蔵量の増量を累積することによって、各時刻におけるＮＯｘ吸蔵量を算出する。

第１吸蔵量閾値は、通常時において、窒素酸化物吸蔵触媒２４のＮＯｘ吸蔵能力を回復する必要が生じる程度までＮＯｘ吸蔵能力が低下したか否かを判定し得る値に設定される。第１吸蔵量閾値は、例えば、制御装置１００の記憶素子に予め記憶されている。

ステップＳ５０９において、エンジン制御部１３３は、通常時リッチ化処理を開始する。通常時リッチ化処理は、判定フラグが０となっている通常時におけるリッチ化処理を意味し、後述する高ＮＯｘ時リッチ化処理と比較して、流入ガスの空燃比の変化量について異なる。

具体的には、エンジン制御部１３３は、通常時リッチ化処理において、リッチ化処理の非実行時と比較して、燃料噴射弁３８によって噴射される燃料の量を増加させることによって、窒素酸化物吸蔵触媒２４に流入する流入ガスの空燃比を一時的にリッチにする。それにより、流入ガス中で還元剤として作用するＣＯ及びＨＣを増加させることができるので、窒素酸化物吸蔵触媒２４に吸蔵されているＮＯｘの脱離及び還元を促進させることができる。

ここで、通常時リッチ化処理における流入ガスの空燃比の変化量（具体的には、リッチ化処理の非実行時の流入ガスの空燃比に対する低下量）は、後述する高ＮＯｘ時リッチ化処理と比較して小さい。

また、エンジン制御部１３３は、例えば、エンジン３０に吸入される吸気の流量、窒素酸化物吸蔵触媒２４におけるＮＯｘ吸蔵量、及び窒素酸化物吸蔵触媒２４の温度のうちの少なくとも１つのパラメータに基づいて、通常時リッチ化処理における流入ガスの空燃比の変化量を制御する。具体的には、エンジン制御部１３３は、通常時リッチ化処理によって窒素酸化物吸蔵触媒２４のＮＯｘ吸蔵能力を適切に回復させ得るように、通常時リッチ化処理における流入ガスの空燃比の変化量を上記のパラメータのうちの少なくとも１つに基づいて制御する。

次に、ステップＳ５１１において、制御部１３０は、窒素酸化物吸蔵触媒２４から流出する流出ガスの空燃比が第１空燃比閾値を下回ったか否かを判定する。流出ガスの空燃比が第１空燃比閾値を下回ったと判定された場合（ステップＳ５１１／ＹＥＳ）、ステップＳ５１３へ進む。一方、流出ガスの空燃比が第１空燃比閾値を下回っていないと判定された場合（ステップＳ５１１／ＮＯ）、ステップＳ５１１の判定処理が繰り返される。

制御部１３０は、例えば、下流側ＮＯｘ濃度センサ２０６により検出される値を流出ガスの空燃比として用いる。第１空燃比閾値は、通常時リッチ化処理によって、窒素酸化物吸蔵触媒２４に吸蔵されたＮＯｘの還元及び窒素酸化物吸蔵触媒２４のＮＯｘ吸蔵能力の回復が完了したか否かを判定し得る値に設定され、例えば、理論空燃比より低い値に設定される。

ステップＳ５１３において、エンジン制御部１３３は、通常時リッチ化処理を終了する。

具体的には、エンジン制御部１３３は、通常時リッチ化処理の終了時において、燃料噴射弁３８によって噴射される燃料の量をリッチ化処理の非実行時における量に戻すことにより、窒素酸化物吸蔵触媒２４に流入する流入ガスの空燃比をリッチ化処理の非実行時における空燃比に戻す。それにより、通常時リッチ化処理が終了する。

次に、図６に示される制御フローは終了する。

続いて、ステップＳ５０５でＹＥＳと判定された場合における処理の流れについて説明する。

ステップＳ５０５でＹＥＳと判定された場合（つまり、現在が高ＮＯｘ時であると判定された場合）、ステップＳ５１５において、制御部１３０は、判定フラグを１に書き換える。

次に、ステップＳ５１７において、制御部１３０は、ＮＯｘ吸蔵量が第２吸蔵量閾値を超えているか否かを判定する。ＮＯｘ吸蔵量が第２吸蔵量閾値を超えていると判定された場合（ステップＳ５１７／ＹＥＳ）、ステップＳ５１９へ進む。一方、ＮＯｘ吸蔵量が第２吸蔵量閾値を超えていないと判定された場合（ステップＳ５１７／ＮＯ）、ステップＳ５１７の判定処理が繰り返される。

第２吸蔵量閾値は、高ＮＯｘ時において、窒素酸化物吸蔵触媒２４のＮＯｘ吸蔵能力を回復する必要が生じる程度までＮＯｘ吸蔵能力が低下したか否かを判定し得る値に設定される。第２吸蔵量閾値は、例えば、制御装置１００の記憶素子に予め記憶されている。

制御部１３０は、例えば、第２吸蔵量閾値として、ステップＳ５０７における第１吸蔵量閾値よりも小さな値を用いる。このように、制御部１３０は、ＮＯｘ流入量が流入量閾値を超える場合に、ＮＯｘ流入量が流入量閾値以下である場合と比較して、小さな値を吸蔵量閾値として用いることが好ましい。

ステップＳ５１９において、エンジン制御部１３３は、高ＮＯｘ時リッチ化処理を開始する。高ＮＯｘ時リッチ化処理は、判定フラグが１となっている高ＮＯｘ時におけるリッチ化処理を意味し、上述した通常時リッチ化処理と比較して、流入ガスの空燃比の変化量について異なる。

具体的には、エンジン制御部１３３は、高ＮＯｘ時リッチ化処理において、上述した通常時リッチ化処理と同様に、リッチ化処理の非実行時と比較して、燃料噴射弁３８によって噴射される燃料の量を増加させることによって、窒素酸化物吸蔵触媒２４に流入する流入ガスの空燃比を一時的にリッチにする。それにより、流入ガス中で還元剤として作用するＣＯ及びＨＣを増加させることができるので、窒素酸化物吸蔵触媒２４に吸蔵されているＮＯｘの脱離及び還元を促進させることができる。

ここで、高ＮＯｘ時リッチ化処理における流入ガスの空燃比の変化量（具体的には、リッチ化処理の非実行時の流入ガスの空燃比に対する低下量）は、上述した通常時リッチ化処理と比較して大きい。このように、エンジン制御部１３３は、ＮＯｘ流入量が流入量閾値を超える場合に、ＮＯｘ流入量が流入量閾値以下である場合と比較して、リッチ化処理における流入ガスの空燃比の変化量を大きくする。

また、エンジン制御部１３３は、例えば、上述した通常時リッチ化処理と同様に、エンジン３０に吸入される吸気の流量、窒素酸化物吸蔵触媒２４におけるＮＯｘ吸蔵量、及び窒素酸化物吸蔵触媒２４の温度のうちの少なくとも１つのパラメータに基づいて、高ＮＯｘ時リッチ化処理における流入ガスの空燃比の変化量を制御する。具体的には、エンジン制御部１３３は、高ＮＯｘ時リッチ化処理によって窒素酸化物吸蔵触媒２４のＮＯｘ吸蔵能力を適切に回復させ得るように、高ＮＯｘ時リッチ化処理における流入ガスの空燃比の変化量を上記のパラメータのうちの少なくとも１つに基づいて制御する。

次に、ステップＳ５２１において、制御部１３０は、窒素酸化物吸蔵触媒２４から流出する流出ガスの空燃比が第２空燃比閾値を下回ったか否かを判定する。流出ガスの空燃比が第２空燃比閾値を下回ったと判定された場合（ステップＳ５２１／ＹＥＳ）、ステップＳ５２３へ進む。一方、流出ガスの空燃比が第２空燃比閾値を下回っていないと判定された場合（ステップＳ５２１／ＮＯ）、ステップＳ５２１の判定処理が繰り返される。

第２空燃比閾値は、高ＮＯｘ時リッチ化処理によって、窒素酸化物吸蔵触媒２４に吸蔵されたＮＯｘの還元及び窒素酸化物吸蔵触媒２４のＮＯｘ吸蔵能力の回復が完了したか否かを判定し得る値に設定され、例えば、理論空燃比より低い値に設定される。

制御部１３０は、例えば、第２空燃比閾値として、ステップＳ５１１における第１空燃比閾値よりも小さな値を用いる。このように、制御部１３０は、ＮＯｘ流入量が流入量閾値を超える場合に、ＮＯｘ流入量が流入量閾値以下である場合と比較して、小さな値を空燃比閾値として用いることが好ましい。

ステップＳ５２３において、エンジン制御部１３３は、高ＮＯｘ時リッチ化処理を終了する。

具体的には、エンジン制御部１３３は、高ＮＯｘ時リッチ化処理の終了時において、上述した通常時リッチ化処理の終了時と同様に、燃料噴射弁３８によって噴射される燃料の量をリッチ化処理の非実行時における量に戻すことにより、窒素酸化物吸蔵触媒２４に流入する流入ガスの空燃比をリッチ化処理の非実行時における空燃比に戻す。それにより、高ＮＯｘ時リッチ化処理が終了する。

次に、図６に示される制御フローは終了する。

＜４．制御装置の効果＞
続いて、本発明の実施形態に係る制御装置１００の効果について説明する。

本実施形態に係る制御装置１００では、制御部１３０は、窒素酸化物吸蔵触媒２４に流入する流入ガスの流量及び流入ガス中のＮＯｘの濃度に基づいて、リッチ化処理における流入ガスの空燃比の変化量を制御する。上述したように、窒素酸化物吸蔵触媒２４において下流側に形成されＮＯｘの還元が行われる還元領域は、流入ガスの流量及び流入ガス中のＮＯｘの濃度の増大に伴って下流側へ縮小する。それにより、リッチ化処理を実行した際に窒素酸化物吸蔵触媒２４から脱離したＮＯｘが還元されにくくなる。

ここで、リッチ化処理における流入ガスの空燃比の変化量を大きくすることによって、リッチ化処理による流入ガス中のＣＯ及びＨＣの増加量を増大させることができるので、還元領域が縮小した場合であっても、ＮＯｘを適切に還元することができる。ゆえに、流入ガスの流量及び流入ガス中のＮＯｘの濃度に基づいてリッチ化処理における流入ガスの空燃比の変化量を制御することによって、窒素酸化物吸蔵触媒２４における還元領域の大きさの変化に応じて、リッチ化処理による流入ガス中のＣＯ及びＨＣの増加量を変化させることができる。よって、窒素酸化物吸蔵触媒２４に吸蔵されているＮＯｘをリッチ化処理により適切に還元しつつ、リッチ化処理が行われることに伴い燃料消費量が過剰になることを抑制することができる。したがって、ＮＯｘの車外への排出を抑制しつつ、燃費を向上させることができる。

また、本実施形態に係る制御装置１００では、制御部１３０は、窒素酸化物吸蔵触媒２４に流入する流入ガスの流量及び流入ガス中のＮＯｘの濃度に基づいて、窒素酸化物吸蔵触媒２４に単位時間あたりに流入するＮＯｘの量に相当するＮＯｘ流入量を算出し、ＮＯｘ流入量が流入量閾値を超える場合に、ＮＯｘ流入量が流入量閾値以下である場合と比較して、リッチ化処理における流入ガスの空燃比の変化量を大きくすることが好ましい。それにより、窒素酸化物吸蔵触媒２４における還元領域が縮小し、リッチ化処理において窒素酸化物吸蔵触媒２４から脱離したＮＯｘが顕著に還元されにくくなっている高ＮＯｘ時に、リッチ化処理による流入ガス中のＣＯ及びＨＣの増加量を適切に増大させることによって、ＮＯｘを適切に還元することができる。一方、高ＮＯｘ時と比較してリッチ化処理において窒素酸化物吸蔵触媒２４から脱離したＮＯｘが還元されやすくなっている通常時に、リッチ化処理における燃料消費量が窒素酸化物吸蔵触媒２４に吸蔵されたＮＯｘを還元させるために必要な量を超える程度を適切に抑制することができる。よって、ＮＯｘの車外への排出をより適切に抑制しつつ、燃費をより適切に向上させることができる。

また、本実施形態に係る制御装置１００では、制御部１３０は、窒素酸化物吸蔵触媒２４に吸蔵され得るＮＯｘの最大量に応じた値を流入量閾値として用いることが好ましい。それにより、リッチ化処理を実行した際に窒素酸化物吸蔵触媒２４から脱離したＮＯｘが還元されにくくなる程度を、窒素酸化物吸蔵触媒２４に吸蔵され得るＮＯｘの最大量に応じて適切に判定することができる。ゆえに、現在が通常時であるか高ＮＯｘ時であるかの判定を窒素酸化物吸蔵触媒２４に吸蔵され得るＮＯｘの最大量に応じてより適切に行うことができ、実行されるリッチ化処理を通常時リッチ化処理と高ＮＯｘ時リッチ化処理との間でより適切に切り替えることができる。

また、本実施形態に係る制御装置１００では、制御部１３０は、窒素酸化物吸蔵触媒２４に吸蔵されているＮＯｘの量（つまり、ＮＯｘ吸蔵量）が吸蔵量閾値を超える場合にリッチ化処理を実行し、ＮＯｘ流入量が流入量閾値を超える場合に、ＮＯｘ流入量が流入量閾値以下である場合と比較して、小さな値を吸蔵量閾値として用いることが好ましい。高ＮＯｘ時には、通常時と比較して、窒素酸化物吸蔵触媒２４に単位時間あたりに流入するＮＯｘの量に相当するＮＯｘ流入量が大きな状態となっているので、ＮＯｘ吸蔵量が増加しやすい。よって、高ＮＯｘ時に用いられる吸蔵量閾値である第２吸蔵量閾値を通常時に用いられる吸蔵量閾値である第１吸蔵量閾値よりも小さくすることによって、高ＮＯｘ時においてリッチ化処理が実行される頻度を通常時と比較して増大させることができるので、高ＮＯｘ時に窒素酸化物吸蔵触媒２４のＮＯｘ吸蔵能力が不足することを抑制することができ、ＮＯｘの車外への排出を効果的に抑制することができる。

また、本実施形態に係る制御装置１００では、制御部１３０は、リッチ化処理の開始後、窒素酸化物吸蔵触媒２４から流出する流出ガスの空燃比が空燃比閾値を下回った場合にリッチ化処理を終了し、ＮＯｘ流入量が流入量閾値を超える場合に、ＮＯｘ流入量が流入量閾値以下である場合と比較して、小さな値を空燃比閾値として用いることが好ましい。上述したように、高ＮＯｘ時には、通常時と比較して、ＮＯｘ吸蔵量が増加しやすい。よって、高ＮＯｘ時に用いられる空燃比閾値である第２空燃比閾値を通常時に用いられる空燃比閾値である第１空燃比閾値よりも小さくすることによって、高ＮＯｘ時リッチ化処理によって窒素酸化物吸蔵触媒２４のＮＯｘ吸蔵能力を回復させる効果をより向上させることができるので、高ＮＯｘ時に窒素酸化物吸蔵触媒２４のＮＯｘ吸蔵能力が不足することを抑制することができ、ＮＯｘの車外への排出を効果的に抑制することができる。

また、本実施形態に係る制御装置１００では、制御部１３０は、エンジン３０に吸入される吸気の流量、窒素酸化物吸蔵触媒２４に吸蔵されているＮＯｘの量（つまり、ＮＯｘ吸蔵量）、及び窒素酸化物吸蔵触媒２４の温度のうちの少なくとも１つに基づいて、リッチ化処理における流入ガスの空燃比の変化量を制御することが好ましい。それにより、リッチ化処理によって窒素酸化物吸蔵触媒２４のＮＯｘ吸蔵能力を上記のパラメータのうちの少なくとも１つに基づいて適切に回復させることができる。ゆえに、窒素酸化物吸蔵触媒２４のＮＯｘ吸蔵能力が不足することを抑制することができ、ＮＯｘの車外への排出を効果的に抑制することができる。

＜５．むすび＞
以上説明したように、本実施形態に係る制御装置１００では、制御部１３０は、窒素酸化物吸蔵触媒２４に流入する流入ガスの流量及び流入ガス中のＮＯｘの濃度に基づいて、リッチ化処理における流入ガスの空燃比の変化量を制御する。それにより、窒素酸化物吸蔵触媒２４における還元領域の大きさの変化に応じて、リッチ化処理による流入ガス中のＣＯ及びＨＣの増加量を変化させることができる。よって、窒素酸化物吸蔵触媒２４に吸蔵されているＮＯｘをリッチ化処理により適切に還元しつつ、リッチ化処理が行われることに伴い燃料消費量が過剰になることを抑制することができる。したがって、ＮＯｘの車外への排出を抑制しつつ、燃費を向上させることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は係る例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は応用例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、本明細書においてフローチャートを用いて説明した処理は、必ずしもフローチャートに示された順序で実行されなくてもよい。いくつかの処理ステップは、並列的に実行されてもよい。また、追加的な処理ステップが採用されてもよく、一部の処理ステップが省略されてもよい。

また、例えば、上記では、リッチ化処理において、リッチ化処理の非実行時と比較して、燃焼室３２に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁３８によって噴射される燃料の量を増加させる例を説明したが、リッチ化処理は他の方法によって行われてもよい。例えば、制御装置１００が適用される排気浄化システムにおいて排気通路２０の窒素酸化物吸蔵触媒２４より上流側の部分に向けて燃料を噴射する噴射装置が設けられる場合、制御装置１００は、リッチ化処理において、当該噴射装置に燃料を噴射させることによって、窒素酸化物吸蔵触媒２４に流入する流入ガスの空燃比を一時的にリッチにしてもよい。

１排気浄化システム
１０吸気通路
１２エアクリーナ
１４スロットルバルブ
１５インテークマニホールド
１６サージタンク
２０排気通路
２１エキゾーストマニホールド
２２三元触媒
２４窒素酸化物吸蔵触媒
３０エンジン
３１気筒
３２燃焼室
３３ピストン
３５点火プラグ
３６吸気バルブ
３７排気バルブ
３８燃料噴射弁
４０燃料タンク
５０フィードポンプ
６０排気浄化装置
１００制御装置
１１０取得部
１３０制御部
１３１ＮＯｘ流入量算出部
１３２ＮＯｘ吸蔵量算出部
１３３エンジン制御部
２０２エアフローメータ
２０４上流側ＮＯｘ濃度センサ
２０６下流側ＮＯｘ濃度センサ
２０８空燃比センサ

Claims

エンジンから排出される排気が通過する排気通路に設けられ、前記排気中の窒素酸化物を吸蔵可能な窒素酸化物吸蔵触媒を備える排気浄化装置の制御装置であって、
前記窒素酸化物吸蔵触媒に吸蔵された前記窒素酸化物を還元するために、前記窒素酸化物吸蔵触媒に流入する流入ガスの空燃比を一時的にリッチにするリッチ化処理を実行する制御部を備え、
前記制御部は、
前記流入ガスの流量及び前記流入ガス中の前記窒素酸化物の濃度に基づいて、前記窒素酸化物吸蔵触媒に単位時間あたりに流入する前記窒素酸化物の量に相当する窒素酸化物流入量を算出し、
前記窒素酸化物流入量に基づいて、前記リッチ化処理における前記流入ガスの空燃比の変化量を制御する、
排気浄化装置の制御装置。
前記制御部は、前記窒素酸化物流入量が流入量閾値を超える場合に、前記窒素酸化物流入量が前記流入量閾値以下である場合と比較して、前記リッチ化処理における前記流入ガスの空燃比の変化量を大きくする、
請求項１に記載の排気浄化装置の制御装置。
前記制御部は、前記窒素酸化物吸蔵触媒に吸蔵され得る前記窒素酸化物の最大量に応じた値を前記流入量閾値として用いる、
請求項２に記載の排気浄化装置の制御装置。
前記制御部は、
前記窒素酸化物吸蔵触媒に吸蔵されている前記窒素酸化物の量が吸蔵量閾値を超える場合に前記リッチ化処理を実行し、
前記窒素酸化物流入量が前記流入量閾値を超える場合に、前記窒素酸化物流入量が前記流入量閾値以下である場合と比較して、小さな値を前記吸蔵量閾値として用いる、
請求項２又は３に記載の排気浄化装置の制御装置。
前記制御部は、
前記リッチ化処理の開始後、前記窒素酸化物吸蔵触媒から流出する流出ガスの空燃比が空燃比閾値を下回った場合に前記リッチ化処理を終了し、
前記窒素酸化物流入量が前記流入量閾値を超える場合に、前記窒素酸化物流入量が前記流入量閾値以下である場合と比較して、小さな値を前記空燃比閾値として用いる、
請求項２～４のいずれか一項に記載の排気浄化装置の制御装置。
前記制御部は、前記エンジンに吸入される吸気の流量、前記窒素酸化物吸蔵触媒に吸蔵されている前記窒素酸化物の量、及び前記窒素酸化物吸蔵触媒の温度のうちの少なくとも１つに基づいて、前記リッチ化処理における前記流入ガスの空燃比の変化量を制御する、
請求項１～５のいずれか一項に記載の排気浄化装置の制御装置。