JP2004339967A - エンジンの排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯｘ再生に際してＮＯｘトラップ触媒の上流に設置された触媒にかかる熱負荷を抑制する。
【解決手段】ＮＯｘ再生時には、目標当量比ＴＦＢＹＡを１よりも大きな値ＲＳに設定し、排気ガスの空燃比をリッチに制御する。上流側触媒の下流に設置された排気ガスセンサにより排気ガスの還元剤濃度を検出し、これが所定値ＨＳｅｎに達したときは、上流側触媒のストレージ酸素が消費されたものとして、目標当量比ＴＦＢＹＡを消費前のもの（ＲＳ１，ＲＳ２）よりも大きな値ＲＳ３に切り換える。消費後の目標当量比ＴＦＢＹＡ（ＲＳ３）は、時間の経過に応じて減少させる。
【選択図】 図８

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＮＯｘトラップ触媒と、その上流に設置された別の触媒とを含んで構成されるエンジンの排気ガス浄化装置に関し、詳細には、ＮＯｘトラップ触媒から窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」という。）を放出させるＮＯｘ再生を行うときに上流側触媒にかかる熱負荷を抑制するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
直噴ガソリンエンジン等のリーンバーンエンジンに設けられる排気ガス浄化装置として、ＮＯｘトラップ触媒を含んで構成されるものが知られている。ＮＯｘトラップ触媒は、排気ガスの空燃比がリーンであるときに排気ガス中のＮＯｘをトラップする一方、これがリッチに転じられたときにトラップしているＮＯｘを放出する。
【０００３】
エンジンの排気ガス浄化装置として、このようなＮＯｘトラップ触媒と、その上流に設置された三元触媒とを含んで構成されるものも知られている。ＮＯｘトラップ触媒は、耐熱性が低く、排気通路のうち排気ガス温度が低下する下流の箇所に設置されるため、エンジンが始動されてからＮＯｘトラップ触媒が活性化するまでに相当の時間を要する。そこで、三元触媒を速やかに活性化させ、ＮＯｘトラップ触媒が活性化するまでに排出される有害成分を三元触媒により浄化するのである。
【０００４】
ところで、三元触媒は、理論空燃比のもとで排気ガス中の炭化水素（以下「ＨＣ」という。）及び一酸化炭素（以下「ＣＯ」という。）を酸化すると同時に、排気ガス中のＮＯｘを還元する。また、三元触媒は、空燃比が理論空燃比よりも多少リッチ側にずれたときでもＨＣ等を充分に酸化することができるように、酸素をストレージする性質を有する。このため、ＮＯｘトラップ触媒及びその上流の三元触媒を含んで構成される上記の装置において、ＮＯｘ再生を行うときは、空燃比をリッチに転じたとしてもＮＯｘトラップ触媒に還元剤がすぐには供給されず、三元触媒にストレージされている酸素（以下「ストレージ酸素」という。）が還元剤との反応で消費され、これがなくなった後に供給されることとなる。
【０００５】
従来、ストレージ酸素の存在又はその量の多少によらずＮＯｘトラップ触媒に適量の還元剤を供給するため、ＮＯｘ再生開始後、ストレージ酸素が消費されてＮＯｘトラップ触媒に還元剤が供給されるようになるまでの時間だけＮＯｘ再生を延長して行うことが知られている（特許文献１）。すなわち、三元触媒とＮＯｘトラップ触媒との間に空燃比センサを設置し、空燃比をリッチに転じた後、三元触媒を通過した排気ガスの空燃比がリッチとなった時点を特定し、その時点から所定時間が経過するまでＮＯｘ再生を継続するのである。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−０１８０６２号公報（段落番号００４７及び００４８）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、三元触媒の下流における空燃比がリッチとなった時点から所定時間に渡りＮＯｘ再生を継続する上記の技術は、ストレージ酸素との反応に消費されたことによる還元剤供給量の不足の問題を解消し得るものであるが、次のような別の問題がある。すなわち、三元触媒に多量の酸素がストレージされている状態でＮＯｘ再生が開始され、空燃比をリッチに転じることにより三元触媒に多量の還元剤が一時に供給されたときは、還元剤がストレージ酸素と激しく反応し、三元触媒に過大な熱負荷をかけることである。他方、この熱負荷を抑制するため、ＮＯｘ再生時における空燃比を高めに設定するときは、ストレージ酸素が消費された後、ＮＯｘトラップ触媒に単位時間当たりに供給される還元剤の量が減少する結果、ＮＯｘ再生が全体として長期化し、燃費を過度に悪化させることとなる。
【０００８】
本発明は、ＮＯｘ再生に際してＮＯｘトラップ触媒の上流に設置された触媒にかかる熱負荷を抑制することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＮＯｘトラップ触媒と、その上流に設置された上流側触媒とを含んで構成されるエンジンの排気ガス浄化装置を提供する。本発明に係る装置は、排気ガスの空燃比がリーンとなる通常時において、排気ガス中のＮＯｘをＮＯｘトラップ触媒によりトラップして除去する。一方、トラップしているＮＯｘを放出させてＮＯｘトラップ触媒を再生させる再生時において、排気ガスの空燃比をリッチに転じるとともに、上流側触媒に残るストレージ酸素の量の減少に応じてそのときのリッチ度合いを変化させる。
【００１０】
このように、ＮＯｘ再生に際して上流側触媒に残るストレージ酸素の量に応じて排気ガスのリッチ度合いを変化させることとすれば、還元剤がストレージ酸素と激しく反応し、上流側触媒に過大な熱負荷をかけることを防止することができる。また、ストレージ酸素が消費された後、ＮＯｘトラップ触媒にトラップされているＮＯｘの量に見合うだけの還元剤を供給することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る直噴ガソリンエンジン（以下「エンジン」という。）１の構成図である。
【００１２】
吸気通路１１の導入部には、エアクリーナ１２が取り付けられており、エアクリーナ１２により吸入空気中の粉塵が除去される。エアクリーナ１２の下流には、エアフローメータ１３が設置されており、エアフローメータ１３により吸入空気量が測定される。吸入空気は、エアクリーナ１２及びエアフローメータ１３を通過した後、サージタンク１４に流入し、マニホールド部で各気筒に分配される。サージタンク１４の上流には、後述する電子制御ユニット６１からの信号により作動するスロットル弁１５が設置されている。
【００１３】
エンジン本体において、シリンダブロック２１には、ピストン２２が往復自在に挿入されており、ピストン２２とシリンダヘッド２３との間に燃焼室２４が形成される。シリンダヘッド２３には、２つの吸気ポート２５が気筒配列方向に並べて形成されており、それぞれに吸気弁２６が設置されている。吸入空気は、吸気弁２６の開期間に燃焼室２４に流入する。シリンダヘッド２３には、吸気ポート２５の間にインジェクタ２７が設置されており、インジェクタ２７が電子制御ユニット６１からの信号に応じて作動し、燃焼室２４の吸入空気に所定量の燃料が添加される。また、燃焼室２４の上部に臨ませて点火プラグ２８が設置されており、点火プラグ２８が電子制御ユニット６１からの信号に応じて作動し、混合気が着火される。
【００１４】
シリンダヘッド２３には、気筒中心軸を挟んで吸気ポート２５の反対側に２つの排気ポート３１が気筒配列方向に並べて形成されており、それぞれに排気弁３２が設置されている。排気ポート３１は、その下流に接続する排気ダクトとともに排気通路３３を形成する。
【００１５】
排気通路３３において、マニホールド部には、酸素センサ４１が設置されており、酸素センサ４１により排気ガスの酸素濃度が測定される。空燃比をストイキに制御して運転するときは、燃料噴射量の演算に酸素センサ４１の出力がフィードバックされる。酸素センサ４１の下流には、三元触媒（「上流側触媒」に相当する。）３４が設置されており、空燃比をストイキに制御して運転するときは、三元触媒３４により排気ガス中のＨＣ，ＣＯ及びＮＯｘが浄化される。三元触媒３４には、温度センサ４２が設置されており、温度センサ４２によりベッド温度（以下「上流側触媒温度」という。）が測定される。三元触媒３４の下流には、ＮＯｘトラップ触媒３５が設置されており、空燃比をリーンに制御して運転するときは、ＮＯｘトラップ触媒３５により排気ガス中のＮＯｘが除去される。ＮＯｘトラップ触媒３４は、空燃比がストイキ又はリッチに転じられると、トラップしているＮＯｘを放出する。ＮＯｘは、放出に際してＨＣ等の排気ガス中の還元剤により浄化される。三元触媒３４とＮＯｘトラップ触媒３５との間には、排気ガスセンサ４３が設置されており、排気ガスセンサ４３により排気ガスの還元剤濃度が測定される。なお、排気ガスセンサ４３として、還元剤であるアンモニアに対する感度を持つＮＯｘセンサを採用してもよく、排気ガスセンサ４３に代えて、空燃比センサを採用してもよい。
【００１６】
排気通路３３は、排気還流（以下「ＥＧＲ」という。）のためのＥＧＲ管５１により吸気通路１１と接続されている。ＥＧＲ管５１には、ＥＧＲ弁５２が設置されており、ＥＧＲ弁５２が電子制御ユニット６１からの信号に応じて作動し、その開度に応じた量の排気ガスが吸気通路１１に還流される。
【００１７】
電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という。）６１は、エアフローメータ１３、酸素センサ４１、温度センサ４２及び排気ガスセンサ４２からの信号を入力し、それらに基づいてスロットル弁１５の開度、インジェクタ２７の噴射量及び噴射時期、点火プラグ２８の点火時期及びＥＧＲ弁５２の開度を制御する。ＥＣＵ６１は、以上の信号に加えて、クランク角センサ４４、アクセルセンサ４５及び水温センサ４６からの信号を入力する。ＥＣＵ６１は、クランク角センサ４４からの信号に基づいてエンジン回転数Ｎｅを演算し、アクセルセンサ４５からの信号に基づいてアクセル開度Ａｐｓを演算し、水温センサ４６からの信号に基づいてエンジン冷却水の温度Ｔｗを演算する。
【００１８】
次に、ＥＣＵ６１の動作についてフローチャートにより説明する。
図２，３は、目標当量比演算ルーチンのフローチャートを示している。
図２に示すフローチャートにおいて、Ｓ１０１では、吸入空気量Ｑａ、エンジン回転数Ｎｅ、水温Ｔｗ、アクセル開度Ａｐｓ、上流側触媒温度ＴＣｕ及び排気ガスセンサ出力ＡＳｅｎを読み込む。Ｓ１０２では、ＮＯｘ再生実行フラグｆＲＳが０であるか否かを判定する。フラグｆＲＳは、通常は０に設定されており、ＮＯｘ再生を行う時期に達したときに１に切り換えられる。フラグｆＲＳが０であるときは、図３に示すフローチャートのＳ２０１へ進み、１であるときは、Ｓ１０３へ進む。
【００１９】
図３に示すフローチャートにおいて、Ｓ２０１では、水温Ｔｗが所定温度ＬＴｗよりも低いか否かを判定する。ＬＴｗよりも低いときは、Ｓ２０２へ進み、ＬＴｗ以上であるときは、Ｓ２０３へ進む。Ｓ２０２では、目標当量比ＴＦＢＹＡをストイキに相当する１に設定する。ＴｗがＬＴｗよりも低い低水温時は、空燃比をリーンに制御して運転を行うと燃焼が不安定となり、運転性を損なうおそれがあるためである。なお、当量比は、空気過剰率の逆数であり、ストイキであるときに１．０を、リーンであるときに１．０未満の値をとる。
【００２０】
一方、Ｓ２０３では、アクセル開度Ａｐｓに応じて割り付けたテーブルを検索し、目標トルクＴＴＣを読み出す。Ｓ２０４では、エンジン回転Ｎｅ及び目標トルクＴＴＣに応じて割り付けたマップを検索し、目標当量比ＴＦＢＹＡ０を読み出す。
【００２１】
Ｓ２０５では、ＮＯｘトラップ触媒３４が単位時間当たりにトラップするＮＯｘの量（以下「瞬時トラップ量」という。）ｄＮＯｘを算出する。瞬時トラップ量ｄＮＯｘは、エンジン１から単位時間当たりに排出されるＮＯｘの量（以下「ＮＯｘ排出量」という。）と、ＮＯｘトラップ触媒３５のトラップ率とを乗算して算出する。ＮＯｘ排出量は、エンジン回転数Ｎｅ、目標トルクＴＴＣ、目標当量比ＴＦＢＹＡ及び水温Ｔｗにより図４に示すマップ及びテーブルを検索し、得たＮＯｘ濃度基本値Ｄｎｏｘ０に係数ＫＤｎｏｘ１，ＫＤｎｏｘ２を乗算してＮＯｘ濃度Ｄｎｏｘ（＝Ｄｎｏｘ０×ＫＤｎｏｘ１×ＫＤｎｏｘ２）を算出するとともに、これを排気ガス量に乗算して算出する。簡単のため、排気ガス量を吸入空気量Ｑａで代用する。なお、上流側触媒３４の上流又は下流に空燃比センサを設置し、ＮＯｘ濃度の算出に際して、目標当量比ＴＦＢＹＡに代えて検出された空燃比を採用することもできる。また、ＮＯｘ排出量は、ＮＯｘトラップ触媒３５の上流にＮＯｘセンサを設置し、検出されたＮＯｘ濃度を排気ガス量に乗算して算出することもできる。一方、ＮＯｘトラップ触媒３５のトラップ率は、目標当量比ＴＦＢＹＡ、ＮＯｘトラップ触媒温度ＴＣｎ、吸入空気量Ｑａ及び総トラップ量ＴＮＯｘ_ｎ−１により図５に示すテーブルを検索し、得たトラップ率基本値η０に係数Ｋη１，Ｋη２，Ｋη３を乗算して算出する。なお、ＮＯｘトラップ触媒温度ＴＣｎは、水温Ｔｗ、エンジン回転数Ｎｅ、目標トルクＴＴＣ及び目標当量比ＴＦＢＹＡに基づいて演算した推定値であり、ＴＮＯｘ_ｎ−１は、このルーチンを前回に実行した際に次のＳ２０６で算出した総トラップ量である。また、Ｑａは、排気ガス量の代用である。ＮＯｘトラップ触媒３５に温度センサを設置し、検出された温度をＮＯｘトラップ触媒温度ＴＣｎとして採用してもよい。Ｓ２０５の処理がＬＴｗ以上の高水温時に行われることを考慮し（Ｓ２０１）、ＴＣｎによる補正を省いてもよい。
【００２２】
瞬時トラップ量ｄＮＯｘは、以上のようにＮＯｘ排出量とトラップ率との積として算出するばかりでなく、ＮＯｘトラップ触媒３５へ流入する前及び通過した後の排気ガスのＮＯｘ濃度をセンサにより検出し、ＮＯｘトラップ触媒３５前後での濃度差を算出するとともに、これを排気ガス量（≒Ｑａ）に乗算して算出することもできる。
【００２３】
Ｓ２０６では、瞬時トラップ量ｄＮＯｘを積算し、現時点でＮＯｘトラップ触媒３５にトラップされているＮＯｘの量（以下「総トラップ量」という。）ＴＮＯｘ（＝ＴＮＯｘ_ｎ−１＋ｄＮＯｘ×Δｔ：演算周期をΔｔとする。）を算出する。
【００２４】
Ｓ２０７では、総トラップ量ＴＮＯｘが所定量ＦＮＯｘに達したか否かを判定する。ＦＮＯｘは、ＮＯｘトラップ触媒３５が良好なトラップ率を維持することのできる総トラップ量の上限に相当する。ＴＮＯｘがＦＮＯｘに達したときは、Ｓ２０８へ進み、ＦＮＯｘに達していないときは、Ｓ２１１へ進む。Ｓ２０８では、ＮＯｘ再生実行フラグｆＲＳを１に設定し、ＮＯｘ再生を開始する。Ｓ２０９では、消費後経過時間カウンタｔＲＳａを０に設定し、Ｓ２１０では、ストイキに相当する１にリッチ化分ＲＳを加算し、目標当量比ＴＦＢＹＡ（＝１＋ＲＳ）を設定する。一方、Ｓ２１１では、目標当量比ＴＦＢＹＡをＴＦＢＹＡ０に設定する。
【００２５】
図２に戻り、ＮＯｘ再生実行フラグｆＲＳが１に切り換えられた後、Ｓ１０３では、三元触媒３４のストレージ酸素が消費されたか否かを判定する。この判定は、排気ガスセンサ出力ＡＳｅｎと所定値ＨＳｅｎとの比較により行う。ＡＳｅｎがＨＳｅｎに達していないうちは、Ｓ１０４へ進み、ＨＳｅｎに達したときは、ストレージ酸素が消費されたものとしてＳ１０７へ進む。Ｓ１０４では、上流側触媒温度ＴＣｕが所定温度ＨＴＣｕ以上であるか否かを判定する。ＨＴＣｕ以上であるときは、Ｓ１０５へ進み、ＨＴＣｕ未満であるときは、Ｓ１０６へ進む。Ｓ１０５では、目標当量比ＴＦＢＹＡのリッチ化分ＲＳをＲＳ１に設定する。Ｓ１０６では、リッチ化分ＲＳをＲＳ２に設定する。ここで、ＲＳ２は、ＲＳ１よりも大きな値に設定されている。
【００２６】
一方、Ｓ１０７では、目標当量比ＴＦＢＹＡのリッチ化分ＲＳをＲＳ３に設定する。ＥＣＵ６１は、消費後経過時間カウンタ（以下「第１のカウンタ」という。）ｔＲＳａにより図６に示すテーブルを検索し、ＲＳ３を設定する。ＲＳ３は、ｔＲＳａの関数として、ｔＲＳａが所定値ｔＲＳａ１以下であるときに一定値ＲＳ３ｉに設定され、ｔＲＳａがｔＲＳａ１よりも大きいときにｔＲＳａの増加とともに減少し、最終的に０に設定される。なお、一定値ＲＳ３ｉは、ＲＳ２以上の値に設定されている。Ｓ１０８では、第１のカウンタｔＲＳａに１を加算する。
【００２７】
Ｓ１０９では、目標当量比ＴＦＢＹＡのリッチ化分ＲＳ（＝ＲＳ３）が０に減少したか否かを判定する。０に減少したときは、Ｓ１１０へ進み、０に減少していないときは、Ｓ１１３へ進む。Ｓ１１０では、ＮＯｘ再生実行フラグｆＲＳを０に設定し、ＮＯｘ再生を終了する。Ｓ１１１では、総トラップ量ＴＮＯｘを０に設定し、Ｓ１１２では、目標当量比ＴＦＢＹＡを１に設定する。一方、Ｓ１１３では、Ｓ１０５，１０６，１０７のいずれかで設定したリッチ化分ＲＳを１に加算し、目標当量比ＴＦＢＹＡ（＝１＋ＲＳ）を設定する。
【００２８】
次に、ＥＣＵ６１の動作についてタイムチャートにより説明する。
まず、本実施形態に係る再生制御手段を含まない一般的なエンジンに関して上流側触媒流入前Ａ、上流側触媒−ＮＯｘトラップ触媒間Ｂ及びＮＯｘトラップ触媒通過後Ｃの排気ガスの空燃比、酸素濃度、還元剤濃度、ＮＯｘ濃度の変化を述べると次のようである。
【００２９】
ＮＯｘ再生が開始されると（時刻ｔ１）、上流側触媒に流入する前の排気ガス（以下「流入前排気ガス」という。）の空燃比がリッチに転じられるが、上流側触媒とＮＯｘトラップ触媒との間を流れる排気ガス（以下「中間排気ガス」という。）の空燃比は、ストイキとなり（酸素濃度は、０に減少する。）、ＮＯｘトラップ触媒を通過した後の排気ガス（以下「通過後排気ガス」という。）の空燃比は、リーンとなる。これは、前者の中間排気ガスについて、上流側触媒に流入した排気ガス中の還元剤がストレージ酸素との反応に消費されるためであり、後者の通過後排気ガスについて、ＮＯｘトラップ触媒のストレージ酸素が脱離し、排気ガスに混入するためである。上流側触媒のストレージ酸素が消費されることにより還元剤が上流側触媒を通過するようになると、中間排気ガスの空燃比がリッチに変化し（時刻ｔ２）、還元剤濃度が最終的に流入前排気ガスのものとほぼ一致する。ここで、ＮＯｘトラップ触媒に供給された還元剤が脱離したストレージ酸素と反応するため、通過後排気ガスの酸素濃度が０に減少する。ＮＯｘトラップ触媒のストレージ酸素が消費されるのに伴い、トラップされているＮＯｘが脱離を開始するものの、還元剤の殆どがストレージ酸素との反応に消費されるため、脱離したＮＯｘの一部がＮＯｘトラップ触媒から流出する。ＮＯｘの脱離が活発となるのに伴い、通過後排気ガスのＮＯｘ濃度が増大する。ストレージ酸素が消費され、還元剤がＮＯｘの浄化に寄与するようになると、通過後排気ガスのＮＯｘ濃度が減少する（時刻ｔ３）。ＮＯｘの浄化が進み、還元剤に余剰分が発生すると、これがＮＯｘトラップ触媒３５から流出するため、通過後排気ガスの空燃比がリッチに変化し、還元剤濃度が最終的に流入前排気ガスのものとほぼ一致する。
【００３０】
図８は、ＥＣＵ６１の動作を示すタイムチャートであり、ＮＯｘ再生時における排気ガスセンサ出力ＡＳｅｎ、目標当量比ＴＦＢＹＡ、第１のカウンタｔＲＳ及びＮＯｘ再生実行フラグｆＲＳの動きを示している。
【００３１】
総トラップ量ＴＮＯｘが所定量ＦＮＯｘに達し、ＮＯｘ再生を行う時期に至ると（時刻ｔ１１）、ＥＣＵ６１は、ＮＯｘ再生実行フラグｆＲＳを１に設定し、目標当量比ＴＦＢＹＡを１にリッチ化分ＲＳを加算した値に設定する。ここで、ＥＣＵ６１は、上流側触媒温度ＴＣｕに応じてリッチ化分ＲＳを切り換え、高温時と比較して低温時のリッチ化分を大きな値ＲＳ２に設定する。目標当量比ＴＦＢＹＡが１よりも大きな値に設定されたことで、三元触媒３４に還元剤が供給される。三元触媒３４のストレージ酸素が消費され、排気ガスセンサ出力（還元剤濃度を示す。）ＡＳｅｎが所定値ＨＳｅｎに達すると（時刻ｔ２１：「第１の酸素消費時」に相当する。）、ＥＣＵ６１は、目標当量比ＴＦＢＹＡのリッチ化分ＲＳをＲＳ３に設定する。リッチ化分がＲＳ３に切り換えられることで、目標当量比ＴＦＢＹＡが増大する。ＥＣＵ６１は、ＲＳ３を第１のカウンタｔＲＳａが所定値ｔＲＳ１に達するまで一定値ＲＳ３ｉに維持し、その後ｔＲＳａの増大に応じて減少させる。ＲＳ３が０になると（時刻ｔ４１）、ＥＣＵ６１は、ＮＯｘ再生実行フラグｆＲＳを０に設定してＮＯｘ再生を終了し、目標当量比ＴＦＢＹＡを通常値に復帰させる。
【００３２】
本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
第１に、ＮＯｘ再生に際して三元触媒３４のストレージ酸素が消費される前後で目標当量比ＴＦＢＹＡのリッチ化分ＲＳを切り換え、消費前のリッチ化分を消費後のものよりも小さな値に設定したことで、還元剤が三元触媒３４のストレージ酸素と激しく反応し、三元触媒３４に過大な熱負荷をかけることを防止することができる。
【００３３】
第２に、三元触媒３４のストレージ酸素が消費される前のリッチ化分を上流側触媒温度ＴＣｕに応じて切り換え、低温時のリッチ化分を高温時のリッチ化分よりも大きな値ＲＳ２に設定したので、三元触媒３４にかかる熱負荷を抑制する一方、熱負荷が過大となる可能性の低いときは、三元触媒３４のストレージ酸素を速やかに消費することができる。
【００３４】
第３に、三元触媒３４のストレージ酸素が消費された後、目標当量比ＴＦＢＹＡのリッチ化分ＲＳ３を第１のカウンタｔＲＳａの増大とともに減少させることで、脱離するＮＯｘの量に見合うだけの還元剤をＮＯｘトラップ触媒３５に供給することができる。
【００３５】
第４に、目標当量比ＴＦＢＹＡのリッチ化分ＲＳ３を第１のカウンタｔＲＳａが所定値ｔＲＳａ１に達するまでは比較的に大きな値ＲＳ３ｉに維持し、その後に減少させることで、ＮＯｘトラップ触媒３５のストレージ酸素を速やかに消費することができる。
【００３６】
本実施形態に関して、図３のフローチャートに示すＳ２０５〜２０７が再生時期判定手段を、図２のフローチャートに示すＳ１０３が第１の酸素消費時特定手段を、同フローチャートのＳ１０４〜１０８及び１１３が再生制御手段を構成する。
【００３７】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。
図９は、第２の実施形態に係るエンジン１０１の構成を示している。
エンジン１０１は、ＮＯｘトラップ触媒３５にベッド温度（以下「ＮＯｘトラップ触媒温度」という。）を検出する温度センサ４７が設置されている点と、排気ガスセンサ４３に代えて、ＮＯｘトラップ触媒３５の下流に酸素センサ４８及びＮＯｘセンサ４９が設定されている点で第１の実施形態に係るエンジン１と相違する。
【００３８】
次に、本実施形態に係るＥＣＵ１６１の動作をフローチャートにより説明する。
図１０，１１は、目標当量比演算ルーチンのフローチャートを示している。
【００３９】
Ｓ３０１では、吸入空気量Ｑａ、エンジン回転数Ｎｅ、水温Ｔｗ、アクセル開度Ａｐｓ、上流側触媒温度ＴＣｕ、ＮＯｘトラップ触媒温度ＴＣｎ、酸素センサ出力ＡＯ２及びＮＯｘセンサ出力ＡＮＯｘを読み込む。Ｓ３０２では、ＮＯｘ再生実行フラグｆＲＳが０であるか否かを判定する。０であるときは、図１１に示すフローチャートのＳ４０１へ進み、０でないときは、Ｓ３０３へ進む。
【００４０】
図１１に示すフローチャートにおいて、Ｓ４０１では、ＮＯｘセンサ出力ＡＮＯｘが所定値ＨＮＯｘ１に達したか否かを判定する。ＨＮＯｘ１は、ＮＯｘトラップ触媒３５のトラップ率が良好に得られる範囲の上限に相当する。ＡＮＯｘがＨＮＯｘ１に達したときは、Ｓ４０６ヘ進み、ＨＮＯｘ１に達していないときは、Ｓ４０２へ進む。Ｓ４０６では、ＮＯｘ再生実行フラグｆＲＳを１に設定し、ＮＯｘ再生を開始する。Ｓ４０７では、消費後経過時間カウンタｔＲＳｂを０に設定し、Ｓ４０８では、ストイキに相当する１にリッチ化分ＲＳ１を加算し、目標当量比ＴＦＢＹＡ（＝１＋ＲＳ１）を設定する。一方、Ｓ４０２〜４０５では、図２に示すフローチャートのＳ２０１〜２０４と同様の処理を行う。
【００４１】
図１０に戻り、ＮＯｘ再生実行フラグｆＲＳが１に切り換えられた後、Ｓ３０３では、三元触媒３４のストレージ酸素が消費されたか否かを判定する。この判定は、酸素センサ出力ＡＯ２と所定値ＨＯ２との比較により行う。ＡＯ２がＨＯ２に減じていないうちは、Ｓ３０４へ進み、ＨＯ２に減じたときは、ストレージ酸素が消費されたものとしてＳ３０７へ進む。
【００４２】
Ｓ３０４〜３０６では、図２に示すフローチャートのＳ１０４〜１０６と同様の処理を行う。
一方、Ｓ３０７では、ＮＯｘトラップ触媒３５のストレージ酸素が消費されたか否かを判定する。この判定は、ＮＯｘセンサ出力ＡＮＯｘと所定値ＨＮＯｘ２との比較により行う。ＨＮＯｘ２は、ＮＯｘ再生を行う時期を判定するための所定値ＨＮＯｘ１よりも大きな値に設定されている。ＡＮＯｘがＨＮＯｘ２に達していないうちは、Ｓ３０８へ進み、ＨＮＯｘ２に達したときは、ストレージ酸素が消費されたものとしてＳ３１１へ進む。Ｓ３０８では、ＮＯｘトラップ触媒温度ＴＣｎが所定温度ＨＴＣｎ以上であるか否かを判定する。ＨＴＣｎ以上であるときは、Ｓ３０９へ進み、ＨＴＣｎ未満であるときは、Ｓ３１０へ進む。Ｓ３０９では、目標当量比ＴＦＢＹＡのリッチ化分ＲＳをＲＳ３に設定する。Ｓ３１０では、リッチ化分ＲＳをＲＳ４に設定する。ここで、ＲＳ３は、ＲＳ４よりも小さな値に設定されている。
【００４３】
一方、Ｓ３１１では、目標当量比ＴＦＢＹＡのリッチ化分ＲＳをＲＳ５に設定する。ＥＣＵ６１は、消費後経過時間カウンタ（以下「第２のカウンタ」という。）ｔＲＳｂにより図１２に示すテーブルを検索し、ＲＳ５を設定する。ＲＳ５は、ｔＲＳｂの関数として、ｔＲＳｂの増加とともに減少し、最終的に０に設定される。なお、ＲＳ５の初期値ＲＳ５ｉは、ＲＳ４以下の値に設定されている。Ｓ３１２では、第２のカウンタｔＲＳｂに１を加算する。
【００４４】
Ｓ３１３〜３１６では、図２に示すフローチャートのＳ１０９〜１１１及び１１３と同様の処理を行う。
次に、ＥＣＵ１６１の動作についてタイムチャートにより説明する。
【００４５】
図１３は、ＮＯｘ再生時における酸素センサ出力ＡＯ２、ＮＯｘセンサ出力ＡＮＯｘ、目標当量比ＴＦＢＹＡ、第２のカウンタｔＲＳｂ及びＮＯｘ再生実行フラグｆＲＳの動きを示している。
【００４６】
ＮＯｘセンサ出力ＡＮＯｘが所定値ＨＮＯｘ１に達し、ＮＯｘ再生を行う時期に至ると（時刻ｔ１２）、ＥＣＵ１６１は、ＮＯｘ再生実行フラグｆＲＳを１に設定し、目標当量比ＴＦＢＹＡを１にリッチ化分ＲＳを加算した値に設定する。ＥＣＵ１６１は、上流側触媒温度ＴＣｕに応じてリッチ化分ＲＳをＲＳ１とＲＳ２との間で切り換える。三元触媒３４のストレージ酸素が消費され、酸素センサ出力ＡＯ２が所定値ＨＯ２に達すると（時刻ｔ２２：「第１の酸素消費時」に相当する。）、ＥＣＵ１６１は、目標当量比ＴＦＢＹＡのリッチ化分ＲＳをＲＳ３又はＲＳ４に設定する。ＥＣＵ１６１は、ＮＯｘトラップ触媒温度ＴＣｎに応じてリッチ化分を切り換え、低温時と比較して高温時のリッチ化分を小さな値ＲＳ３に設定する。その後、ＮＯｘセンサ出力ＡＮＯｘが所定値ＨＮＯｘ２に達すると（時刻３２：「第２の酸素消費時」に相当する。）、ＥＣＵ１６１は、目標当量比ＴＦＢＹＡのリッチ化分ＲＳをＲＳ５に設定する。ＲＳ５は、第２のカウンタｔＲＳｂの増大に応じて減少する。ＲＳ５が０に達すると（時刻ｔ４２）、ＥＣＵ１６１は、ＮＯｘ再生実行フラグｆＲＳを０に設定してＮＯｘ再生を終了し、目標当量比ＴＦＢＹＡを通常値に復帰させる。
【００４７】
本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
第１に、三元触媒３４のストレージ酸素が消費される前の目標当量比ＴＦＢＹＡのリッチ化分を比較的に小さな値ＲＳ１，ＲＳ２に設定することで、三元触媒３４に過大な熱負荷をかけることを防止することができる。
【００４８】
第２に、上流側触媒温度ＴＣｕが低いときのリッチ化分ＲＳ２を高いときのものよりも大きな値に設定することで、三元触媒３４のストレージ酸素を速やかに消費することができる。
【００４９】
第３に、ＮＯｘトラップ触媒３５のストレージ酸素が消費される前の目標当量比ＴＦＢＹＡのリッチ化分を消費後のものよりも大きな値ＲＳ３，ＲＳ４に設定することで、ストレージ酸素を速やかに消費することができる。
【００５０】
第４に、ＮＯｘトラップ触媒温度ＴＣｎに応じてリッチ化分を切り換え、高温時のリッチ化分ＲＳ３を低温時のものよりも小さな値に設定することで、ストレージ酸素を速やかに消費する一方、高温時にＮＯｘトラップ触媒３５にかかる熱負荷を抑制することができる。
【００５１】
第５に、ＮＯｘトラップ触媒３５のストレージ酸素が消費された後、目標当量比ＴＦＢＹＡのリッチ化分ＲＳ５を第２のカウンタｔＲＳｂの増大とともに減少させることで、脱離するＮＯｘに見合う量の還元剤を供給することができる。
【００５２】
本実施形態に関して、図１１に示すフローチャートのＳ４０１が再生時期判定手段を、図１０に示すフローチャートのＳ３０３が第１の酸素消費時特定手段を、同フローチャートのＳ３０４〜３０６，３０８〜３１２及び３１６が再生制御手段を、同フローチャートのＳ３０７が第２の酸素消費時特定手段を構成する。
【００５３】
なお、図１０に示すフローチャートのＳ４０１〜４０８の処理に代えて図３に示すフローチャートのＳ２０１〜Ｓ２１１の処理を採用することもできる。この場合は、ＮＯｘセンサ４９に代えて空燃比センサ又は排気ガスセンサを設置し、ＮＯｘトラップ触媒３５のストレージ酸素が消費されたことをＮＯｘトラップ触媒通過後の排気ガスの空燃比又は還元剤濃度により検出することができる。ＮＯｘセンサ４９に代えて空燃比センサを採用する場合は、三元触媒３４のストレージ酸素が消費されたことをこの空燃比センサにより検出することができるので、部品点数を削減することができる。逆に、図３に示すフローチャートのＳ２０１〜２１１の処理に代えて図１１に示すフローチャートのＳ４０１〜４０８の処理を採用するとともに、ＮＯｘトラップ触媒３５の下流にＮＯｘセンサを設置してもよい。
【００５４】
以上では、三元触媒３４及びＮＯｘトラップ触媒３５の温度をセンサにより検出したが、エンジン１，１０１の運転状態に基づく推定値としてこれを検出することもできる。たとえばエンジン回転数Ｎｅ及び目標トルクＴＴＣに応じて割付けたマップから検索することで、センサが不要となり、コストを削減することができる。
【００５５】
また、上流側触媒として、低温始動時にエンジン１，１０１から排出されるＨＣを吸着させるためのＨＣ吸着触媒を採用してもよい。
また、上流側触媒とＮＯｘトラップ触媒とは、一体に構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るエンジンの構成
【図２】第１の実施形態に係る再生時目標当量比設定ルーチンのフローチャート
【図３】第１の実施形態に係る再生時期判断及び通常時目標当量比設定ルーチンのフローチャート
【図４】排気ガスのＮＯｘ濃度特性
【図５】ＮＯｘトラップ触媒のトラップ率特性
【図６】第１の実施形態に係るリッチ化分ＲＳ３の演算テーブル
【図７】排気ガスの空燃比、酸素濃度、還元剤濃度及びＮＯｘ濃度の変化の比較例
【図８】第１の実施形態に係る電子制御ユニットの動作
【図９】本発明の第２の実施形態に係るエンジンの構成
【図１０】第２の実施形態に係る再生時目標当量比設定ルーチンのフローチャート
【図１１】第１の実施形態に係る再生時期判断及び通常時目標当量比設定ルーチンのフローチャート
【図１２】第２の実施形態に係るリッチ化分ＲＳ５の演算テーブル
【図１３】第２の実施形態に係る電子制御ユニットの動作
【符号の説明】
１，１０１…エンジン、１１…吸気通路、１３…エアフローメータ、１５…スロットル弁、２４…燃焼室、２５…吸気ポート、２６…吸気弁、２７…インジェクタ、２８…点火プラグ、３１…排気ポート、３２…排気弁、３３…排気通路、３４…上流側触媒、３５…ＮＯｘトラップ触媒、４１…酸素センサ、４２…上流側触媒温度センサ、４３…排気ガスセンサ、４４…クランク角センサ、４５…アクセルセンサ、４６…水温センサ、４７…ＮＯｘトラップ触媒温度センサ、４８…酸素センサ、４９…ＮＯｘセンサ、５１…ＥＧＲ管、５２…ＥＧＲ弁、６１，１６１…電子制御ユニット。

Claims (12)

1. 流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときに排気ガス中のＮＯｘをトラップする一方、流入する排気ガスの空燃比がリッチであるときにトラップしているＮＯｘを放出するＮＯｘトラップ触媒と、
   ＮＯｘトラップ触媒の上流に設置された上流側触媒と、
   トラップしているＮＯｘを放出させてＮＯｘトラップ触媒を再生させるＮＯｘ再生を行う時期であるか否かを判定する再生時期判定手段と、
   ＮＯｘ再生を行うときに、排気ガスの空燃比をリッチに制御する再生制御手段と、
   ＮＯｘ再生を行うときに、上流側触媒に残るストレージ酸素の量である残存酸素量が規定量に減少した時点を第１の酸素消費時として特定する第１の酸素消費時特定手段と、を含んで構成され、
   再生制御手段は、第１の酸素消費時前の排気ガスの空燃比を第１の空燃比に、その後の排気ガスの空燃比を第１の空燃比とは異なる大きさの第２の空燃比に制御するエンジンの排気ガス浄化装置。
2. 第１の空燃比は、第２の空燃比よりも大きい請求項１に記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
3. 上流側触媒の温度を上流側触媒温度として検出する手段を更に含んで構成され、
   再生制御手段は、検出された上流側触媒温度に応じて第１の空燃比の大きさを切り換える請求項１又は２に記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
4. 検出された上流側触媒温度が低いときの第１の空燃比は、これが高いときの第１の空燃比よりも小さい請求項３に記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
5. ＮＯｘ再生を行うときに、ＮＯｘトラップ触媒に残るストレージ酸素の量が規定量に減少した時点を第２の酸素消費時として特定する第２の酸素消費時特定手段を更に含んで構成され、
   再生制御手段は、第２の酸素消費時前後で第２の空燃比の大きさを異ならせる請求項１〜４のいずれかに記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
6. 第２の酸素消費時前の第２の空燃比は、その後の第２の空燃比よりも小さい請求項５に記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
7. 第２の酸素消費時特定手段は、ＮＯｘトラップ触媒を通過した排気ガスの空燃比、還元剤濃度又はＮＯｘ濃度により第２の酸素消費時を特定する請求項５又は６に記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
8. ＮＯｘトラップ触媒の温度をＮＯｘトラップ触媒温度として検出する手段を更に含んで構成され、
   再生制御手段は、検出されたＮＯｘトラップ触媒温度に応じて第２の空燃比の大きさを切り換える請求項１〜７のいずれかに記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
9. 検出されたＮＯｘトラップ触媒温度が高いときの第２の空燃比は、これが低いときの第２の空燃比よりも大きい請求項８に記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
10. 第１の酸素消費時特定手段は、上流側触媒とＮＯｘトラップ触媒との間を流れる排気ガスの空燃比又は還元剤濃度により第１の酸素消費時を特定する請求項１〜９のいずれかに記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
11. 第１の酸素消費時特定手段は、ＮＯｘトラップ触媒を通過した排気ガスの空燃比又は酸素濃度により第１の酸素消費時を特定する請求項１〜９のいずれかに記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
12. 排気通路において、ＮＯｘトラップ触媒と、その上流に設置された上流側触媒とを備え、
    排気ガスの空燃比がリーンとなる通常時において、排気ガス中のＮＯｘをＮＯｘトラップ触媒によりトラップして除去し、
    トラップしているＮＯｘを放出させてＮＯｘトラップ触媒を再生させる再生時において、排気ガスの空燃比をリッチに転じるとともに、上流側触媒に残るストレージ酸素の量の減少に応じてそのときのリッチ度合いを変化させるエンジンの排気ガス浄化装置。

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