JP3661464B2

JP3661464B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP3661464B2
Application number: JP36953298A
Authority: JP
Inventors: 公二郎岡田; 隆堂ヶ原; 保樹田村
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1998-12-25
Filing date: 1998-12-25
Publication date: 2005-06-15
Anticipated expiration: 2018-12-25
Also published as: JP2000192812A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気通路に吸蔵型ＮＯｘ触媒を有する内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内燃機関をリーン空燃比で運転して燃費の向上を図るようにした希薄燃焼内燃機関が実用化されている。この希薄燃焼内燃機関では、リーン空燃比で運転すると、三元触媒がその浄化特性から排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を充分に浄化できないという問題があり、最近では、リーン空燃比で運転中に排ガス中のＮＯｘを吸蔵し、ストイキオまたはリッチ空燃比で運転中に吸蔵されたＮＯｘを放出還元する吸蔵型ＮＯｘ触媒が採用されてきている。
【０００３】
この吸蔵型ＮＯｘ触媒は、内燃機関の酸素の過剰状態で排ガス中のＮＯｘを硝酸塩（Ｘ−ＮＯ₃）として吸蔵し、吸蔵したＮＯｘを一酸化炭素（ＣＯ）の過剰状態で放出して窒素（Ｎ₂）に還元させる特性（同時に炭酸塩Ｘ−ＣＯ₃が生成される）を有した触媒である。ところが、燃料中にはイオウ（Ｓ）成分が含まれており、このＳ成分は酸素と反応して硫黄酸化物（ＳＯｘ）となり、このＳＯｘがＮＯｘの代わりに硫酸塩として硝酸塩の代わりに吸蔵型ＮＯｘ触媒に吸蔵されてしまい、触媒の浄化効率が低下してしまうという問題がある。しかしながら、触媒に吸蔵されたＳＯｘは、空燃比をリッチ状態にして触媒を高温状態にすることで除去（Ｓパージ）されることがわかっている。例えば、特開平７−２１７４７４号公報では、ＳＯｘの吸蔵量が許容量を越え、温度が所定温度よりも高いときには、空燃比を一時的にリッチにすると共に触媒を昇温させることでＳＯｘを放出し、吸蔵型ＮＯｘ触媒の浄化効率を復活させるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した公報では、ＳＯｘの吸蔵量と温度を条件として、内燃機関の運転状態に拘らず空燃比をリッチにしてＳＯｘを放出する吸蔵型ＮＯｘ触媒の再生制御を実行している。
【０００５】
そのため、例えば、車両が市街地のような場所で加減速を繰り返す運転状態のときは、吸蔵型ＮＯｘ触媒がＳＯｘを放出するのに必要な高温状態になりにくく、吸蔵型ＮＯｘ触媒の再生に長時間を要してしまう。即ち、吸蔵型ＮＯｘ触媒が昇温しにくい条件で昇温させるために、定常走行時での昇温に比べて多く燃料を噴射して触媒温度を昇温する必要があり、燃費を悪化させてしまうという問題がある。
【０００６】
本発明はこのような問題を解決するものであって、適正条件で吸蔵型ＮＯｘ触媒を再生させることで燃費の悪化を抑制可能とした内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための本発明の内燃機関の排気浄化装置では、内燃機関の排気通路に排気空燃比が酸化雰囲気のときに排気ガス中のＮＯｘを吸蔵すると共に還元雰囲気のときに吸蔵されたＮＯｘを放出または還元する吸蔵型ＮＯｘ触媒を設ける共に、排気ガス中に含まれるイオウ成分が吸蔵することによる吸蔵型ＮＯｘ触媒の浄化能力の低下を検出または推定する浄化能力低下検出手段と、浄化能力低下検出手段の出力により吸蔵型ＮＯｘ触媒を昇温してその周辺を還元雰囲気とすることで吸蔵型ＮＯｘ触媒の浄化能力を再生する再生手段とを設け、判定手段が再生した後の触媒再生効率を判定し、再生中断手段が、その触媒再生効率が所定の基準値に満たないことが判定されたときに再生手段の作動を中断させるようにしている。
【０００８】
従って、吸蔵型ＮＯｘ触媒の浄化能力が再生されたとき、その後の触媒再生効率が所定の基準値に満たないことが判定されたときは、内燃機関は吸蔵型ＮＯｘ触媒を昇温しにくい運転状態にあるためであり、このときには再生手段の作動を中断させることで、不要な燃料の噴射をやめて燃費の悪化を抑制できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１０】
図１に本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成、図２に本実施形態の排気浄化装置によるＳパージ制御のフローチャート、図３にＳ再生効率の判定制御のフローチャートを示す。
【００１１】
本実施形態の内燃機関（以下、エンジンと称する。）は、例えば、燃料噴射モード（運転モード）を切換えることで、吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射モード）または圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射モード）を実施可能な筒内噴射型火花点火式直列４気筒ガソリンエンジンである。そして、この筒内噴射型のエンジン１１は、容易にして理論空燃比（ストイキオ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）が実現可能となっており、特に圧縮行程噴射モードでは、超リーン空燃比での運転が可能となっている。
【００１２】
本実施形態において、図１に示すように、エンジン１１のシリンダヘッド１２には、各気筒毎に点火プラグ１３と共に電磁式の燃料噴射弁１４が取付けられており、この燃料噴射弁１４によって燃焼室１５内に燃料を直接噴射可能となっている。この燃料噴射弁１４には、図示しない燃料パイプを介して燃料タンク擁した燃料供給装置（燃料ポンプ）が接続されており、燃料タンク内の燃料が高燃圧で供給され、この燃料を燃料噴射弁１４から燃焼室１５内に向けて所望の燃圧で噴射する。この際、燃料噴射量は燃料ポンプの燃料吐出圧と燃料噴射弁１４の開弁時間（燃料噴射時間）とから決定される。
【００１３】
シリンダヘッド１２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド１６の一端がそれぞれ接続されている。そして、吸気マニホールド１６の他端にはドライブバイワイヤ（ＤＢＷ）方式の電動スロットル弁１７が接続されており、このスロットル弁１７にはスロットル開度θthを検出するスロットルセンサ１８が設けられている。また、シリンダヘッド１２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１９の一端がそれぞれ接続されている。
【００１４】
そして、エンジン１１には、クランク角を検出するクランク角センサ２０が設けられており、このクランク角センサ２０はエンジン回転速度Ｎｅを検出可能となっている。なお、上述した筒内噴射型エンジン１１は既に公知のものであり、その構成の詳細についてはここでは説明を省略する。
【００１５】
また、エンジン１１の排気マニホールド１９には排気管（排気通路）２１が接続されており、この排気管２１にはエンジン１１に近接した小型の三元触媒２２及び排気浄化触媒装置２３を介して図示しないマフラーが接続されている。そして、この排気管２１における三元触媒２２と排気浄化触媒装置２３との間の部分には、排気浄化触媒装置２３の直上流、即ち、後述する吸蔵型ＮＯｘ触媒２５のに直上流に位置して排気温度を検出する高温センサ２４が設けられている。
【００１６】
この排気浄化触媒装置２３は、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５と三元触媒２６との２つの触媒を有して構成されており、三元触媒２６の方が吸蔵型ＮＯｘ触媒２５よりも下流側に配設されている。なお、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が三元触媒の機能を有している場合には、この吸蔵型ＮＯｘ触媒２５だけであってもよい。この吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、酸化雰囲気においてＮＯｘを一旦吸蔵させ、主としてＣＯの存在する還元雰囲気中においてＮＯｘを放出してＮ₂（窒素）等に還元させる機能を持つものである。詳しくは、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、貴金属として白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）等を有した触媒として構成されており、吸蔵材としてはバリウム（Ｂａ）等のアルカリ金属、アルカリ土類金属が採用されている。そして、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の下流にはＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ２７が設けられている。
【００１７】
更に、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を有するＥＣＵ（電子コントロールユニット）２８が設けられており、このＥＣＵ２８によりエンジン１１を含めた本実施形態の排気浄化装置の総合的な制御が行われる。即ち、ＥＣＵ２８の入力側には、上述した高温センサ２４やＮＯｘセンサ２７等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力する。一方、ＥＣＵ２８の出力側には、点火コイルを介して上述した点火プラグ１３や燃料噴射弁１４等が接続されており、これら点火コイル、燃料噴射弁１４等には、各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量や点火時期等の最適値がそれぞれ出力される。これにより、燃料噴射弁１４から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ１３によって適正なタイミングで点火が実施される。
【００１８】
実際に、ＥＣＵ２８では、スロットルセンサ１８からのスロットル開度情報θthとクランク角センサ２０からのエンジン回転速度情報Ｎｅとに基づいてエンジン負荷に対応する目標筒内圧、即ち目標平均有効圧Ｐｅを求めるようにされており、更に、この目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じてマップ（図示せず）より燃料噴射モードを設定するようにされている。例えば、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとが共に小さいときには、燃料噴射モードは圧縮行程噴射モードとされて燃料が圧縮行程で噴射され、一方、目標平均有効圧Ｐｅが大きくなり、あるいはエンジン回転速度Ｎｅが大きくなると燃料噴射モードは吸気行程噴射モードとされ、燃料が吸気行程で噴射される。
【００１９】
そして、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとから制御目標となる目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）が設定され、適正量の燃料噴射量がこの目標Ａ／Ｆに基づいて決定される。また、高温センサ２４により検出された排気温度情報からは触媒温度Ｔcat が推定される。詳しくは、高温センサ２４と吸蔵型ＮＯｘ触媒２５とが多少なりとも離れて配置されていることに起因する誤差を補正するために、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じて温度差マップが予め実験等により設定されており、触媒温度Ｔcat は、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとが決まると一義に推定されるようにされている。
【００２０】
以下、このように構成された本実施形態の内燃機関の排気浄化装置の作用について説明する。
【００２１】
排気浄化触媒装置２３の吸蔵型ＮＯｘ触媒２５では、リーンモードにおける超リーン燃焼運転時のような酸素濃度過剰雰囲気で、排気中のＮＯｘから硝酸塩が生成され、これによりＮＯｘが吸蔵されて排気の浄化が行われる。一方、三元触媒２６では、酸素濃度が低下した雰囲気で、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵した硝酸塩と排気中のＣＯとが反応して炭酸塩が生成されると共にＮＯｘが放出される。従って、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５へのＮＯｘの吸蔵が進むと、空燃比のリッチ化あるいは追加の燃料噴射を行うなどして酸素濃度を低下させて吸蔵型ＮＯｘ触媒２５からＮＯｘを放出させて機能を維持する。
【００２２】
ところで、燃料や潤滑油内に含まれるイオウ成分（ＳＯｘ）も排気中に存在し、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、酸素濃度過剰雰囲気で、ＮＯｘの吸蔵とともにＳＯｘも吸蔵する。つまり、イオウ成分は酸化されてＳＯｘになり、このＳＯｘの一部は吸蔵型ＮＯｘ触媒２５上でさらに元来ＮＯｘ用の吸蔵剤と反応して硫酸塩となって吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵する。
【００２３】
また、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は、酸素濃度が低下すると吸蔵されたＳＯｘを放出する機能を有している。つまり、酸素濃度が低下した雰囲気では、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵した硫酸塩の一部と排気中のＣＯとが反応して炭酸塩が生成されると共にＳＯｘが離脱される。しかし、硫酸塩は硝酸塩よりも塩としての安定度が高く、酸素濃度が低下した雰囲気になってもその一部しか分解されないため、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に残留する硫酸塩の量は時間とともに増加する。これにより、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の吸蔵能力が時間と共に低下し、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５としての性能が悪化することになる（Ｓ被毒）。
【００２４】
このため、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に一定量以上のイオウ成分（ＳＯｘ）が吸蔵されてＮＯｘ触媒２５が劣化したと判定（浄化能力低下検出手段）されたときには、触媒を昇温させ、且つ、空燃比を還元雰囲気にして吸蔵したＳＯｘを放出（再生手段）するようにしている（Ｓパージ運転）。
【００２５】
即ち、Ｓパージ制御において、図２に示すように、まず、ステップＳ１１では、ＮＯｘ触媒２５がＳ（イオウ）劣化したか否か、即ち、この吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＳＯｘの量（被毒Ｓ量Ｑｓ）が所定のＳパージ開始基準値Ａに達したか否かを判別する。ここに、被毒Ｓ量Ｑｓは推定により求められる値であり、以下、被毒Ｓ量Ｑｓの推定手法を簡単に説明する。
【００２６】
被毒Ｓ量Ｑｓは、基本的には燃料噴射積算量Ｑｆに基づい設定されるものであり、燃料噴射制御ルーチン（図示せず）の実行周期毎に次式により演算される。
Ｑｓ＝Ｑｓ（ｎ−１）＋ΔＱｆ・Ｋ−Ｒｓ・・・（１）
ここに、Ｑｓ（ｎ−１）は被毒Ｓ量の前回値であり、ΔＱｆは実行周期当たりの燃料噴射積算量、Ｋは補正係数、Ｒｓは実行周期当たりの再生Ｓ量を示している。
【００２７】
つまり、現在の被毒Ｓ量Ｑｓは、実行周期当たりの燃料噴射積算量ΔＱｆを補正係数Ｋで補正して積算すると共に、この積算値から実行周期当たりの再生Ｓ量Ｒｓを減算することで求められる。この補正係数Ｋは、例えば、次式（２）に示すように、空燃比Ａ／Ｆに応じたＳ被毒係数Ｋ１、燃料中のＳ含有量に応じたＳ被毒係数Ｋ２及び触媒温度Ｔcat に応じたＳ被毒係数Ｋ３の３つの補正係数の積からなっている。
Ｋ＝Ｋ１・Ｋ２・Ｋ３・・・（２）
【００２８】
また、実行周期当たりの再生Ｓ量Ｒｓは次式（３）から演算される。
Ｒｓ＝α・Ｒ１・Ｒ２・ｄＴ・・・（３）
ここに、αは単位時間当たりの再生率（設定値）であり、ｄＴは燃料噴射制御ルーチンの実行周期を示しており、Ｒ１及びＲ２はそれぞれ触媒温度Ｔcat に応じた再生能力係数及び空燃比Ａ／Ｆに応じた再生能力係数を示している。
【００２９】
そして、ステップＳ１１にて、上記のようにして求めた被毒Ｓ量Ｑｓが未だ開始基準値Ａに達していないと判定される場合には、何もせずこのルーチンを抜ける。一方、ステップＳ１１にて、被毒Ｓ量Ｑｓが開始基準値Ａに達したと判定される場合には、ステップＳ１２に移行し、制御モードをＳパージモードに切り換える。これにより吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に吸蔵されたＳＯｘの除去、即ち、Ｓパージが開始される。
【００３０】
このＳパージが開始されたら、ステップＳ１３において、目標平均有効圧Ｐｅが所定値Ｐe1（Ｎｅに対するＰｅの主噴射モード選択マップ）よりも小さいか否かを判別する。そして、このステップＳ１３にて、目標平均有効圧Ｐｅが所定値Ｐe1よりも小さいような場合、即ち、アイドル時や低速走行時のようにエンジン負荷、エンジン回転速度が小さい場合にはステップＳ１４に移行する。
【００３１】
このステップＳ１４では、主噴射の燃料噴射モードを上述した通常の設定に拘わらず圧縮行程噴射モードとすると共に、膨張行程において副噴射を行うようにする。つまり、Ｓパージを行うときに圧縮行程噴射と膨張行程噴射とで２段噴射を行う。そして、目標Ａ／Ｆ、つまり、主噴射と副噴射とを合わせた全体としての目標Ａ／Ｆ、即ち、全体Ａ／Ｆが所定のリッチ空燃比（Ｓパージに適した値、例えば、値１２）に設定されると共に、前述した主噴射モード選択マップに基づき目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅに応じて主噴射の目標空燃比（メインＡ／Ｆ）が決定される。このとき、全体Ａ／Ｆは所定のリッチ空燃比（例えば、値１２）に保持されたまま、メインＡ／Ｆが設定されることになる。つまり、全体のＡ／Ｆが一定に維持され、還元雰囲気が良好に形成された状態のままに、主噴射量と副噴射量のそれぞれの燃料噴射比率が適正に決定される。
【００３２】
通常、目標平均有効圧Ｐｅあるいはエンジン回転速度Ｎｅが小さければ、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５は低温状態にあり、触媒温度Ｔcat は低く吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の昇温は容易でないと判断できる。よって、この場合には、副噴射量を多くする一方、全体Ａ／Ｆを、上述のように、所定のリッチ空燃比に保持しながら主噴射量を極力少なくするようにするのがよい。
【００３３】
しかしながら、吸気行程噴射モードで実現可能な空燃比には上限値（例えば、値２２）があり、この吸気行程噴射モードでは上限値より大きい空燃比では燃焼が成立しない。従って、メインＡ／Ｆが給気行程噴射モード時の上限値より大きくなるような場合には、このように上限値よりも大きな空燃比で燃焼が成立する圧縮行程において主噴射を実施するようにするのである。
【００３４】
また、エンジン負荷あるいはエンジン回転速度が小さいほど吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の温度、即ち、触媒温度Ｔcat は低いとみなすことができる。従って、メインＡ／Ｆは、目標平均有効圧Ｐｅあるいはエンジン回転速度Ｎｅが小さいほどその値が大きく、よりリーン空燃比側の空燃比となるようにされている。つまり、触媒温度Ｔcat が低いほど主噴射量が少なく副噴射量が多くなるようにされている。
【００３５】
更に、Ｓパージを行うときに圧縮行程噴射と膨張行程噴射とで２段噴射を行い、全体の目標Ａ／Ｆを一定値に維持した状態で、メインＡ／Ｆ（主噴射量）とサブＡ／Ｆ（副噴射量）の比率を適正に決定しているが、このメインＡ／Ｆの変更に応じてスロットル弁１７を作動してスロットル開度θthを調整し、吸入空気量を操作しており、これによってトルクがほぼ一定となるように制御している。つまり、メインＡ／Ｆがリッチ空燃比側に補正されたときには、そのままであればトルクが大きくなるので、スロットル弁１７のスロットル開度θthを減少させる補正を行い、メインＡ／Ｆがリーン空燃比側に補正されたときには、トルクが小さくなるので、スロットル弁１７のスロットル開度θthを増大させる補正を行う。この場合、補正されたメインＡ／Ｆに対するスロットル開度θthの選択マップにより設定するとよい。
【００３６】
ところで、このように２段噴射が行われて副噴射により燃料が膨張行程で噴射されると、この燃料の多くは燃焼しないまま、つまり未燃燃料成分（未燃ＨＣ等）として排気管２１内に排出されて一部は排気管内で反応（燃焼）し、残りは三元触媒２２に流入することになる。しかしながら、三元触媒２２に流入した未燃燃料成分は、三元触媒２２が活性化している場合には、三元触媒２２内で触媒の作用により酸化反応（燃焼）を起こすことになる。つまり、副噴射によって供給された燃料は、大部分が吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に到達する前に燃焼し、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に流入する排気を十分に昇温させることになる。これにより、触媒温度Ｔcat が低温であっても排気昇温されて吸蔵型ＮＯｘ触媒２５はＳパージ可能な所定の高温触媒温度ＴcatH（例えば、６５０℃）まで迅速に加熱されることになり、Ｓパージが良好に実施可能とされる。
【００３７】
一方、前述したステップＳ１３にて、目標平均有効圧Ｐｅが所定値Ｐe1以上と判定された場合、即ち、中速走行時のようにエンジン負荷、エンジン回転速度が比較的大きい場合にはステップＳ１５に移行する。
【００３８】
このステップＳ１５では、主噴射の燃料噴射モードを上述した通常の設定に拘わらず吸気行程噴射モードとすると共に、膨張行程において副噴射を行うようにする。つまり、Ｓパージを行うときに吸気行程噴射と膨張行程噴射とで２段噴射を行う。そして、前述と同様に、全体Ａ／Ｆが所定のリッチ空燃比に設定されると共に、全体Ａ／Ｆを所定のリッチ空燃比に保持したままに主噴射の目標空燃比（メインＡ／Ｆ）が決定され、主噴射量と副噴射量のそれぞれの燃料噴射比率が適正に決定される。
【００３９】
通常、エンジン負荷、エンジン回転速度が比較的大きければ、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５はある程度高温になるまで加熱されており、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５を容易に昇温可能と判断できる。よって、この場合には、副噴射量を少なくする一方、全体Ａ／Ｆを所定のリッチ空燃比に保持すべく主噴射量を多くするようにするのがよい。
【００４０】
しかしながら、圧縮行程噴射モードで実現可能な空燃比には下限値（例えば、値２４）があり、この圧縮行程噴射モードでは、上記の場合とは逆に下限値以下の空燃比では燃焼が成立しない。従って、主噴射の空燃比が下限値以下となるような場合には、このように下限値以下の空燃比で燃焼が成立する吸気行程において主噴射を実施するようにするのである。
【００４１】
そして、この場合においても、上記同様、三元触媒２２に流入した未燃燃料成分は、三元触媒２２内で触媒の作用により酸化反応（燃焼）を起こすことになる。つまり、副噴射によって供給された燃料は、大部分が吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に到達する前に燃焼し、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に流入する排気を十分に昇温させることになる。これにより、やはり全体のＡ／Ｆが一定に維持されて還元雰囲気が良好に形成された状態のまま、中速走行時において吸蔵型ＮＯｘ触媒２５がＳパージ可能な所定の高温触媒温度ＴcatH（例えば、６５０℃）まで迅速に加熱されることになり、Ｓパージが良好に実施可能とされる。
【００４２】
ところで、車両が高速走行してエンジン回転速度Ｎｅと目標平均有効圧Ｐｅとが大きい状態にあるような場合には、インジェクタドライバ等の制約もあって２段噴射が困難である一方、元来排気温度が比較的高く点火時期のリタードだけでも吸蔵型ＮＯｘ触媒２５をＳパージ可能な所定の高温触媒温度ＴcatHまで加熱させることが可能と判断できる。よって、この場合にはステップＳ１５の２段噴射に代えて主噴射のみを吸気行程で行い、点火時期のリタードによって昇温制御を行うようにする。なお、この場合においても、全体Ａ／Ｆは所定のリッチ空燃比（例えば、値１２）とされる。また、エンジン回転速度Ｎｅと目標平均有効圧Ｐｅとが極めて大きく、メインＡ／Ｆがリッチ空燃比であるような場合には、燃焼熱が極めて大きく昇温制御を実施しなくても排気温度がＳパージ可能なほど高いと判断でき、この場合にはステップＳ１５をスキップする。
【００４３】
このようにステップＳ１４，Ｓ１５にて、２段噴射が実行され、三元触媒２２での酸化反応によって吸蔵型ＮＯｘ触媒２５に流入する排気が十分に昇温させられると、ステップＳ１６では、ステップＳ１２の実行によりＳパージを開始してから所定時間ｔ１（例えば、数十秒）が経過したか否かを判別する。そして、所定時間ｔ１が経過していればステップＳ１７に進むが、所定時間ｔ１が経過していなければステップＳ１２に戻る。また、ステップＳ１７では、触媒温度Ｔcat が所定の触媒温度ＴcatMよりも高いか否かを判別し、所定の触媒温度ＴcatMよりも高ければステップＳ１８に進むが、所定の触媒温度ＴcatM以下であれば、ステップＳ１２に戻る。
【００４４】
そして、Ｓパージを開始してから所定時間ｔ１が経過し、且つ、触媒温度Ｔcat が所定の触媒温度ＴcatMよりも高くなると、触媒上流側より下流側の方が温度が極端に高いという状態はなくなり、触媒直上流に取付けた高温センサ２４と触媒温度の差が小さく、触媒温度フィードバック制御を行っても触媒を過昇温することはないと判断できるので、ステップＳ１８に移行して触媒温度のフィードバック制御を開始する。この触媒温度のフィードバック制御においては、触媒温度Ｔcat と所定の触媒温度ＴcatHとわ比較し、主噴射モード選択マップに基づいて設定したメインＡ／Ｆを触媒温度Ｔcat の温度偏差積算ΣΔＴcat に応じて補正する。更に、メインＡ／Ｆが上限値あるいは下限値に達した場合には、主噴射モード選択マップに基づいて設定した点火時期を触媒温度Ｔcat の温度偏差積算ΣΔＴcat に応じて補正する。
【００４５】
詳しくは、温度偏差積算ΣΔＴcat は次式（４）から算出される。
ΣΔＴcat ＝ΣΔＴcat （ｎ−１）＋ΔＴcat ・・・（４）
ここに、ΔＴcat は温度偏差であり、所定の高温ＴcatH（例えば、６５０℃）と高温センサ２４に基づいて推定された現在の触媒温度Ｔcat とに基づいて次式（５）から算出される。
ΔＴcat ＝ＴcatH−Ｔcat ・・・（５）
【００４６】
実際には、温度偏差積算ΣΔＴcat とメインＡ／Ｆの補正値とが予め実験等により表１に示すようにマップ化されており、メインＡ／ＦはこのメインＡ／Ｆの補正値マップに基づいて補正される（積分補正）。
【００４７】
【表１】

【００４８】
ここに、メインＡ／Ｆの補正値のうち正符号（＋）はリーン側への補正を示し、負符号（−）はリッチ側への補正を示している。つまり、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が所定の高温ＴcatHを超えオーバシュートして加熱させられた場合には、温度偏差積算ΣΔＴcat は負の値となり、この場合にはメインＡ／Ｆは負側、即ち、リッチ側に補正され、副噴射の燃料量が減量されて所定の高温ＴcatHに戻される。その後、アンダシュートして温度偏差積算ΣΔＴcat が正の値となるような場合には、メインＡ／Ｆは正側、即ち、リーン側に補正され、副噴射の燃料量が増量されて触媒温度Ｔcat が再び所定の高温ＴcatHまで上昇させられる。
【００４９】
ところで、このようにメインＡ／Ｆを補正していくと、触媒温度Ｔcat が所定の高温ＴcatHで安定し、つまり吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が所定の高温ＴcatHに保持されることになるが、このように触媒温度Ｔcat が安定すると、その後は所定の高温ＴcatHを維持するだけの昇温制御を行えばよいことになる。つまり、メインＡ／Ｆを小さな値として主噴射量を増加させる一方、副噴射量を少なく絞るようにする。
【００５０】
また、圧縮行程噴射モードで燃料噴射を行う場合には、構造上、燃焼が成立する空燃比には制約があり、メインＡ／Ｆが下限値（例えば、値２４）あるいは上限値（例えば、値５０）になったときには、全体Ａ／Ｆを所定のリッチ空燃比（例えば、値１２）に保持すると共にメインＡ／Ｆ補正値を保持しながら、２段噴射に加えて点火時期補正も行って昇温制御を継続するようにする。一方、吸気行程噴射モードで燃料噴射を行う場合には、上述したように空燃比には上限値（例えば、値２２）による制限があると同時に、所定の全体Ａ／Ｆ（例えば、値１２）が下限値となり、メインＡ／Ｆが上限値（例えば、値２２）になったときには、全体Ａ／Ｆを所定のリッチ空燃比（例えば、値１２）に保持すると共にメインＡ／Ｆ補正値を保持しながら、２段噴射に加えて点火時期補正も行って昇温制御を継続するようにする。
【００５１】
この点火時期補正量は、温度偏差積算ΣΔＴcat に応じて設定される。実際には、温度偏差積算ΣΔＴcat と点火時期補正量とが予め実験等により表２に示すようにマップ化されており、点火時期は当該点火時期補正量マップに基づいて補正される（積分補正）。なお、通常の燃焼制御時には基準点火時期はトルクが大となるようできるだけアドバンス側に設定されているのであるが、点火時期補正を行う場合には点火時期をアドバンス側に補正する際の余裕を持たせるため、補正を行う際の基準点火時期はアドバンスとリタードとの中立位置に設定される。
【００５２】
【表２】

【００５３】
ここに、点火時期補正量において正符号（＋）はアドバンス側への補正を示し、負符号（−）はリタード側への補正を示している。つまり、上記同様に、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が所定の高温ＴcatHを超えオーバシュートして加熱させられた場合には、温度偏差積算ΣΔＴcat は負の値となり、この場合には点火時期補正量は正側、即ち、アドバンス側に補正されて昇温効果が低減される。その後、アンダシュートして温度偏差積算ΣΔＴcat が正の値となるような場合には、点火時期補正量は負側、即ち、リタード側に補正されて昇温効果が高められて触媒温度Ｔcat が再び所定の高温ＴcatHまで上昇させられる。
【００５４】
これにより、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が所定の高温ＴcatHに安定的に保持され、Ｓパージが良好に継続されることになる。
【００５５】
そして、図２に戻り、ステップＳ１９では、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５のＳパージが終了したかどうかを判定する。即ち、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が再生されて被毒Ｓ量ＱｓがＳパージ終了基準値Ｃ（０または０近傍の値）以下になったかどうかを判定する。このステップＳ１９にて、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の被毒Ｓ量Ｑｓが終了基準値Ｃ以下となってＳパージが終了したと判定されたら、ＳＯｘが十分に除去されたとみなしてＳパージ制御を終了すべくこのルーチンを抜ける。
【００５６】
なお、ステップＳ１９にて、Ｓパージが終了したかどうかの判定を、Ｓパージモードが開始されてからの経過時間に基づいて行ってもよい。この場合、経過時間を吸蔵型ＮＯｘ触媒２５が還元雰囲気中で所定の高温ＴcatHに保持されたときにＳＯｘを十分に除去可能な時間として実験等により予め設定すればよい。
【００５７】
一方、このステップＳ１９にて、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の被毒Ｓ量Ｑｓが終了基準値Ｃよりも大きくてＳパージが終了していないと判定された場合には、ステップＳ１２に戻り、Ｓパージモードでの昇温制御を継続する。このとき、本実施形態では、ステップＳ２０にてＳ再生効率の判定を行う。即ち、このステップＳ２０では、上記のようにＳパージを行ってきたエンジン１１の運転状態がＳパージを効率よく行うのに適正な運転状態であったかどうかの判定を行う。そして、Ｓ再生効率が所定の基準値よりも高ければ現在のエンジン１１の運転状態がＳパージに適したものと判定され、ステップＳ１２に戻ってＳパージ制御を継続する。ところが、Ｓ再生効率が所定の基準値よりも低ければ現在のエンジン１１の運転状態がＳパージに適していないものと判定されるため、Ｓパージ制御を中断する。
【００５８】
ここで、Ｓ再生効率の判定制御について説明する。図３に示すように、ステップＳ３１にて所定時間ａの経過を待った後、ステップＳ３２では、この所定時間ａでのＳ再生効率Ｅの演算を行う。Ｓ再生効率Ｅは、Ｓパージによる燃料消費量増加度合に対すると再生度合、即ち、Ｓパージに要した燃料量に対する再生Ｓ量Ｒｓの割合であって、次式（６）から演算される。
Ｅ＝Ｒｓ／Ｄ・・・（６）
ここで、Ｄは燃料消費量増加度合であって、次式（７）から演算される。
Ｄ＝ΔＱｆ₁−ΔＱｆ₀ ・・・（７）
ここで、ΔＱｆ₁は所定時間ａの期間についての燃料噴射量の積算値、ΔＱｆ₀はＳパージを実行しなかったと仮定したときの所定時間ａの期間についての燃料噴射量の積算値であり、ΔＱｆ₁は燃料噴射のパルス幅から、ΔＱｆ₀は負荷・回転数マップからそれぞれ求める。
【００５９】
そして、ステップＳ３３では、Ｓ再生効率の判定、つまり、演算で求めたＳ再生効率Ｅが予め設定されたＳ再生基準効率Ｅ₀以下かどうかを判定する。ここで、Ｓ再生効率ＥがＳ再生基準効率Ｅ₀よりも高ければ、現在のエンジン１１の運転状態がＳパージに適していると判定され、ステップＳ１２に戻ってＳパージ制御を継続する。
【００６０】
一方、ステップＳ３３にて、Ｓ再生効率ＥがＳ再生基準効率Ｅ₀以下であれば、現在のエンジン１１の運転状態がＳパージに適していないと判定され、ステップＳ３４にてＳパージ制御を中断する。つまり、ステップＳ３６で、所定時間ｂ（例えば、１０分程度）の経過を待ってステップＳ１２に戻ってＳパージ制御を再び実行する。これは、現在、エンジン１１の運転状態がＳパージに適していなくとも、所定時間ｂ経過すれば、エンジン１１の運転状態が変わるだろうと推定するものであり、所定時間ｂ経過してＳパージを行った後、再びＳ再生効率を判定すればよいものである。
【００６１】
なお、上述の実施形態で、Ｓ再生効率ＥをＳパージに要した燃料量に対する再生Ｓ量Ｒｓの割合（式（６））で求めたが、これを簡略化してＳパージ実行時間に対する触媒温度Ｔcat が所定温度ＴcatH以上であった時間としてもよい。また、Ｓ再生効率ＥがＳ再生基準効率Ｅ₀以下であって、現在のエンジン１１の運転状態がＳパージに適していないと判定されたときには、上述の実施形態では、所定時間ｂの経過を待ってＳパージ制御を再び実行するようにしたが、ここで、エンジン１１の運転状態がＳパージに適しているかどうかを判定してＳパージ制御を再び実行するようにしてもよい。この場合、所定時間の平均車速が所定平均車速以上であること、つまり、車両が高速安定走行状態であること、例えば、郊外道路や高速道路などを走行していることを判定すればよい。また、車両が高速安定走行状態であることを判定するためにナビゲーションシステムにより郊外道路や高速道路を走行中であることや、クルーズコントロールシステムが作動していることを判定条件としてもよい。
【００６２】
更に、上述の実施形態において、被毒Ｓ量Ｑｓあるいは再生Ｓ量Ｒｓを吸蔵型ＮＯｘ触媒２５の下流に設置したＮＯｘセンサ２７により検出したリーン運転中あるいはＮＯｘパージリッチスパイク中のＮＯｘ値から求め、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５のＳ劣化判定あるいはＳ再生効率判定を行ってもよい。
【００６３】
また、図３に示すＳ再生効率の判定制御において、所定時間ａで演算されたＳ再生効率Ｅは、エンジン１１の運転状態に拘らず、一定の範囲内にあるものであり、このＳ再生効率の上限値及び下限値を設定しておき、Ｓ再生効率Ｅがこの上限値あるいは下限値を越えているときには、例えば、触媒温度Ｔcat を求めるための高温センサ２４あるいはＮＯｘセンサ２７等の故障が考えられるため、この場合は、アラームランプを点灯して運転者に知らせ、Ｓ再生効率の判定制御を中断する。
【００６４】
また、平均車速をＳ再生効率の判定制御に用いている場合、車両の安定した高速運転状態が継続しているにも拘らず、Ｓ再生効率Ｅが良くないと判定されたときには、車速センサの故障を判定することができる。更に、ナビゲーションシステムやクルーズコントロールシステムなどをＳ再生効率の判定制御に用いている場合、各システムに使用している各種のセンサの故障を判定することができる。どの場合であっても、アラームランプを点灯して運転者に知らせ、各種の制御に故障したセンサやシステムを用いることをやめる。
【００６５】
以上説明したように、本実施形態の内燃機関の排気浄化装置では、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５のＳパージを行った後に、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５がまだ完全に再生されていないと判定された場合には、Ｓパージに要した燃料量に対する再生Ｓ量Ｒｓの割合からＳ再生効率Ｅをもとめ、この演算で求めたＳ再生効率Ｅが予め設定されたＳ再生基準効率Ｅ₀以下かどうかを判定し、Ｓ再生効率ＥがＳ再生基準効率Ｅ₀よりも高ければ、現在のエンジン１１の運転状態がＳパージに適していると判定してＳパージ制御を継続する一方、Ｓ再生効率ＥがＳ再生基準効率Ｅ₀以下であれば、現在のエンジン１１の運転状態がＳパージに適していないと判定してＳパージ制御を中断するようにしている。
【００６６】
即ち、例えば、車両が市街地のような場所で加減速を繰り返す運転状態のときは、吸蔵型ＮＯｘ触媒２５がＳＯｘを放出するのに必要な高温状態になりにくいため、Ｓ再生効率の判定制御でＳ再生効率Ｅが低いと判定されることとなり、この場合には、Ｓパージモードに入らずにＳパージを所定時間ｂだけ中断させており、これによって不要な燃料の噴射をやめて燃費の悪化を抑制できる。
【００６７】
なお、上述の実施形態では、エンジン１１を筒内噴射型火花点火式直列４気筒ガソリンエンジンとしたが、エンジン１１は吸蔵型ＮＯｘ触媒を有するものであれば、吸気管噴射型のリーンバーンエンジンであってもよい。
【００６８】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように、本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、再生した後に判定した触媒再生効率が所定の基準値に満たないことが判定されたときには再生手段の作動を中断させるようにしたので、触媒再生効率が低く内燃機関が吸蔵型ＮＯｘ触媒を昇温しにくい運転状態にあるときには、再生手段による吸蔵型ＮＯｘ触媒の昇温や還元雰囲気とするための不要な燃料の噴射をやめることとなり、燃費の悪化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】本実施形態の排気浄化装置によるＳパージ制御のフローチャートである。
【図３】Ｓ再生効率の判定制御のフローチャートである。
【符号の説明】
１１エンジン（内燃機関）
１３点火プラグ
１４燃料噴射弁
１５燃焼室
１７スロットル弁
１８スロットルセンサ
２０クランク角センサ
２１排気管（排気通路）
２２三元触媒
２３排気浄化触媒装置
２４高温センサ
２５吸蔵型ＮＯｘ触媒
２６三元触媒
２８電子コントロールユニット，ＥＣＵ（浄化能力低下検出手段、再生手段、判定手段、再生中断手段）

Claims

内燃機関の排気通路に設けられて排気空燃比が酸化雰囲気のときに排気ガス中のＮＯｘを吸蔵すると共に還元雰囲気のときに吸蔵されたＮＯｘを放出または還元する吸蔵型ＮＯｘ触媒と、排気ガス中に含まれるイオウ成分が吸蔵することによる該吸蔵型ＮＯｘ触媒の浄化能力の低下を検出または推定する浄化能力低下検出手段と、該浄化能力低下検出手段の出力により前記吸蔵型ＮＯｘ触媒を昇温してその周辺を還元雰囲気とすることで該吸蔵型ＮＯｘ触媒の浄化能力を再生する再生手段と、該再生手段を作動した後の触媒再生効率を判定する判定手段と、該判定手段により該触媒再生効率が所定の基準値に満たないことが判定されたときに前記再生手段の作動を中断する再生中断手段とを具えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。