JP4266890B2 - 内燃機関の排ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気管に設けられ、排ガス中のＮＯｘを吸収するＮＯｘ吸収触媒を備えた内燃機関の排ガス浄化装置に関する。

一般に、この種のＮＯｘ吸収触媒のＮＯｘの吸収量が過大になると、ＮＯｘ吸収触媒のＮＯｘ吸収能力が低下し、大気中に排出されるＮＯｘの量が増加するおそれがある。このため、吸収されたＮＯｘを還元することによって、ＮＯｘ吸収触媒の吸収能力を回復させることが行われており、そのような排ガス浄化装置として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。以下、このようなＮＯｘの還元を、ＮＯｘ吸収触媒の再生という。

この排ガス浄化装置では、ＮＯｘ吸収触媒の再生を行う場合には、内燃機関（以下「エンジン」という）で燃焼されるガスの空燃比（以下、単に「空燃比」という）を、理論空燃比よりもリッチな目標空燃比に制御し、それにより、排ガス中に未燃成分を含ませるようにする。これにより、ＮＯｘ吸収触媒に供給された排ガス中の未燃成分により、吸収されたＮＯｘが還元されることによって、ＮＯｘ吸収触媒が再生される。

また、排気管のＮＯｘ吸収触媒よりも上流側には、排ガス中の例えばＨＣなどの未燃成分を酸化する酸化触媒が設けられている。さらに、上記の目標空燃比は、この酸化触媒の劣化度合を推定し、推定した劣化度合が大きいほど、理論空燃比よりもリッチ側の範囲で、よりリーン側の値に決定される。これは次の理由による。すなわち、排ガスは、ＮＯｘ吸収触媒に流入する前に酸化触媒を通過するので、排ガス中の未燃成分は、酸化触媒により酸化されてしまい、その分、ＮＯｘ吸収触媒に供給される未燃成分の量は減少する。この酸化触媒による未燃成分の減少量は、酸化触媒の劣化度合が高いほど、その酸化能力が低下するのに応じて、より小さくなり、その分、ＮＯｘ吸収触媒に供給される未燃成分の量が増加するので、これを補償し、ＮＯｘの放出と還元の反応を均衡させるためである。

しかし、上記従来の排ガス浄化装置では、目標空燃比をリーン側に補正するので、排ガス中の酸素濃度が低い状態から増加することになり、それにより、酸化触媒によって未燃成分が酸化され、ＮＯｘ吸収触媒に供給される未燃成分の量が不足するおそれがある。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、酸化触媒の劣化度合に応じて、再生の効率を維持しながら、再生用の燃料量を適切に低減でき、それにより、燃費を向上させることができるとともに、ＮＯｘ吸収触媒の再生を良好に行う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。

特開２００１−３４２８７９号公報

上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明は、排気系（実施形態における（以下、本項において同じ）排気管５）を備えた内燃機関３から排出される排ガスを浄化する内燃機関の排ガス浄化装置１であって、排気系に設けられ、排ガス中のＮＯｘを吸収するＮＯｘ吸収触媒１７と、排気系のＮＯｘ吸収触媒１７よりも上流側に設けられ、排ガスを酸化することにより浄化する酸化触媒１６と、ＮＯｘ吸収触媒１７に吸収されたＮＯｘを還元するために、内燃機関３で燃焼されるガスの空燃比を、所定時間（第１再生時間ＲＥＴＭ１，第２再生時間ＲＥＴＭ２）、理論空燃比よりもリッチな目標空燃比ＫＣＭＤになるように制御するリッチ化手段（インジェクタ６、ＥＣＵ２、図３のステップ１，３〜６）と、内燃機関３の運転状態を検出する運転状態検出手段（クランク角センサ３０、ＥＣＵ２）と、目標空燃比ＫＣＭＤを、検出された内燃機関３の運転状態に応じて、理論空燃比よりもリッチな所定の第１空燃比ＫＣＭＤ１、および第１空燃比よりもリッチな所定の第２空燃比ＫＣＭＤ２の一方に決定する目標空燃比決定手段（ＥＣＵ２、図４のステップ１６）と、酸化触媒１６の劣化度合を検出する劣化度合検出手段（第１ＬＡＦセンサ３３、第２ＬＡＦセンサ３４、ＥＣＵ２、図４のステップ１４，１５）と、決定された目標空燃比ＫＣＭＤが第１空燃比ＫＣＭＤ１のときに、検出された酸化触媒１６の劣化度合に応じて目標空燃比ＫＣＭＤをリーン側に補正するとともに、目標空燃比ＫＣＭＤが第２空燃比ＫＣＭＤ２のときに、酸化触媒１６の劣化度合に応じて所定時間を減少側に補正する補正手段（ＥＣＵ２、図４のステップ１７〜１９，２４，２５）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吸収触媒に吸収されたＮＯｘの還元を行う場合には、リッチ化手段によって、内燃機関で燃焼されるガスの空燃比（以下、単に「空燃比」という）を、所定時間、理論空燃比よりもリッチな目標空燃比になるように制御する。これにより、排ガス中に未燃成分を含ませ、未燃成分をＮＯｘ吸収触媒に供給することによって、ＮＯｘ吸収触媒に吸収されたＮＯｘが還元され、すなわち、ＮＯｘ吸収触媒の再生が行われる。このときの目標空燃比は、目標空燃比決定手段により、検出された内燃機関の運転状態に応じて、理論空燃比よりもリッチな所定の第１空燃比または第１空燃比よりもリッチな所定の第２空燃比に決定される。さらに、排気系のＮＯｘ吸収触媒よりも上流側の酸化触媒の劣化度合を検出し、決定された目標空燃比が第１空燃比のときには、検出された酸化触媒の劣化度合に応じて、目標空燃比をリーン側に補正するとともに、目標空燃比が第２空燃比のときには、酸化触媒の劣化度合に応じて、再生の実行時間である所定時間を減少側に補正する。

排ガス中の酸素濃度が高いときには、酸化触媒によって酸化される未燃成分の量が多くなり、その分、ＮＯｘ吸収触媒に供給されなくなる未燃成分の量が増加する。このため、ＮＯｘ吸収触媒の再生を効率良く行うためには、空燃比を理論空燃比よりもできるだけリッチ側に制御することによって、排ガス中の酸素濃度を低下させ、酸化触媒によって酸化される未燃成分の量を低減することが好ましい。一方、内燃機関、特にディーゼルエンジンでは、エンジンの燃焼によって生成されるパティキュレート（以下「ＰＭ」という）の量は、空燃比がリッチであるほど、より多く、さらに、一定の空燃比であっても、エンジンの負荷が高いほど、消費される燃料量が大きいため、より多くなる。

これに対して、本発明によれば、内燃機関の運転状態に応じて、目標空燃比を、理論空燃比により近い第１空燃比またはそれよりもリッチな第２空燃比に決定する。このため、例えば、内燃機関が高負荷運転状態にあるときに、目標空燃比を理論空燃比により近い第１空燃比に決定することによって、ＰＭの量を抑制しながら、再生を行うことができる。また、低負荷運転状態にあるときには、ＰＭの量がもともと少ないことから、例えば目標空燃比をよりリッチな第２空燃比に決定することによって、排ガス中の酸素濃度を低下させ、酸化触媒によって酸化される未燃成分の量を低減することにより、再生を効率良く良好に行い、燃費を向上させることができる。

また、本発明によれば、目標空燃比が第１空燃比のときに、酸化触媒の劣化度合に応じて、目標空燃比をリーン側に補正する。このように目標空燃比が理論空燃比により近い第１空燃比に設定されていて、酸素濃度が高い状態にあるときには、酸化触媒の劣化度合に応じて、目標空燃比をよりリーン側に補正することによって、再生の効率を維持しながら、再生用の燃料量を適切に低減することができる。また、目標空燃比をよりリーン側に補正するので、ＰＭの量をさらに抑制することができる。

一方、目標空燃比がよりリッチな第２空燃比に設定されているときには、酸素濃度がもともと低い状態にあるので、そのような状態で、空燃比を第１空燃比の場合と同様にリーン側に補正すると、酸素濃度が大きく増大し、酸化触媒で酸化される未燃成分の量が増大し、その結果、再生の効率が悪化してしまう。このため、本発明では、目標空燃比が第２空燃比のときには、酸化触媒の劣化度合に応じて、目標空燃比を変更することなく、再生の実行時間である所定時間を減少側に補正する。これにより、酸素濃度がもともとの低い状態に維持されるので、酸化触媒で酸化される未燃成分の量を増加させることなく、再生の効率を維持しながら、再生の実行時間を短縮する分、再生用の燃料量を適切に低減することができる。以上のように、第１および第２の空燃比のいずれの場合においても、酸化触媒の劣化度合に応じて、再生の効率を維持しながら、再生用の燃料量を適切に低減できるので、未燃成分をＮＯｘ吸収触媒に過不足なく供給できる。したがって、良好な排ガス特性を維持しながら、燃費を向上させることができるとともに、再生を良好に行うことができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態による排ガス浄化装置について説明する。図１は、本発明の排ガス浄化装置１、およびこれを適用した内燃機関（以下「エンジン」という）３を示しており、エンジン３は、車両（図示せず）に搭載された、例えば４気筒（１つのみ図示）のディーゼルエンジンである。

エンジン３のピストン３ａとシリンダヘッド３ｂの間には、燃焼室３ｃが形成されている。シリンダヘッド３ｂには、吸気管４および排気管５（排気系）がそれぞれ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（リッチ化手段）が、燃焼室３ｃに臨むように取り付けられている。

インジェクタ６は、燃焼室３ｃの天壁中央部に配置されており、コモンレールを介して高圧ポンプ（いずれも図示せず）に接続されている。燃料タンク（図示せず）の燃料は、後述するＥＣＵ２による制御により、高圧ポンプによって高圧に昇圧された後、コモンレールを介してインジェクタ６に送られ、インジェクタ６によって燃焼室３ｃに噴射される。インジェクタ６の開弁時間である燃料噴射量および噴射タイミングは、ＥＣＵ２からの駆動信号によって制御される（図２参照）。

また、エンジン３のクランクシャフト３ｄには、マグネットロータ３０ａが取り付けられている。このマグネットロータ３０ａとＭＲＥピックアップ３０ｂによって、クランク角センサ３０（運転状態検出手段）が構成されている。クランク角センサ３０は、クランクシャフト３ｄの回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号および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゜）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を求める。ＴＤＣ信号は、各気筒のピストン３ａが吸気行程開始時のＴＤＣ（上死点）付近の所定クランク角度位置にあることを表す信号であり、４気筒タイプの本例では、クランク角１８０゜ごとに出力される。

吸気管４には、過給装置７が設けられており、過給装置７は、ターボチャージャで構成された過給機８と、これに連結されたアクチュエータ９と、ベーン開度制御弁１０を備えている。

過給機８は、吸気管４の途中に設けられた回転自在のコンプレッサブレード８ａと、排気管５の途中に設けられた回転自在のタービンブレード８ｂおよび複数の回動自在の可変ベーン８ｃ（２つのみ図示）と、これらのブレード８ａ，８ｂを一体に連結するシャフト８ｄとを有している。過給機８は、排気管５内の排ガスによってタービンブレード８ｂが回転駆動されるのに伴い、これと一体のコンプレッサブレード８ａも回転駆動されることにより、吸気管４内の吸入空気を加圧する過給動作を行う。

各可変ベーン８ｃは、前記アクチュエータ９に機械的に連結されており、その開度（以下「ベーン開度」という）は、アクチュエータ９を介して制御される。アクチュエータ９は、負圧によって作動するダイアフラム式のものであり、負圧ポンプ（図示せず）に接続されており、その途中に、ベーン開度制御弁１０が設けられている。負圧ポンプは、エンジン３を動力源として作動し、発生した負圧をアクチュエータ９に供給する。ベーン開度制御弁１０は、電磁弁で構成されており、その開度がＥＣＵ２からの駆動信号で制御されることにより、アクチュエータ９に供給される負圧が変化し、それに伴い、可変ベーン８ｃのベーン開度が変化することにより、過給圧が制御される。より具体的には、このベーン開度を開き側に変化させると、タービンブレード８ｂに流入する排ガスの流速が大きくなることにより、コンプレッサブレード８ａから下流側に流れる吸入空気量が増大することによって、過給圧が上昇する。

吸気管４の過給機８よりも下流側には、上流側から順に、水冷式のインタークーラ１１およびスロットル弁１２が、設けられている。インタークーラ１１は、過給装置７の過給動作により吸入空気の温度が上昇したときなどに、吸入空気を冷却するものである。スロットル弁１２には、例えば直流モータで構成されたアクチュエータ１２ａが接続されている。スロットル弁１２の開度（以下「スロットル弁開度」という）ＴＨは、アクチュエータ１２ａに供給される電流のデューティ比をＥＣＵ２で制御することによって、制御される。

また、吸気管４には、過給機８よりも上流側にエアフローセンサ３１が、インタークーラ１１とスロットル弁１２の間に過給圧センサ３２が、それぞれ設けられている。エアフローセンサ３１は吸入空気量Ｑを検出し、過給圧センサ３２は吸気管４内の過給圧ＰＡＣＴを検出し、それらの検出信号はＥＣＵ２に出力される。

さらに、吸気管４の吸気マニホールド４ａは、その集合部から分岐部にわたって、スワール通路４ｂとバイパス通路４ｃに仕切られており、これらの通路４ｂ，４ｃはそれぞれ、吸気ポートを介して各燃焼室３ｃに連通している。

バイパス通路４ｃには、燃焼室３ｃ内にスワールを発生させるためのスワール装置１３が設けられている。スワール装置１３は、スワール弁１３ａと、これを開閉するアクチュエータ１３ｂと、スワール制御弁１３ｃを備えている。アクチュエータ１３ｂおよびスワール制御弁１３ｃはそれぞれ、過給装置７のアクチュエータ９およびベーン開度制御弁１０と同様に構成されており、スワール制御弁１３ｃは、前記負圧ポンプに接続されている。以上の構成により、スワール制御弁１３ｃの開度がＥＣＵ２からの駆動信号で制御されることにより、アクチュエータ１３ｂに供給される負圧が変化し、スワール弁１３ａの開度が変化することによって、スワールの強さが制御される。

また、エンジン３には、ＥＧＲ管１４ａとＥＧＲ制御弁１４ｂを有するＥＧＲ装置１４が設けられている。ＥＧＲ管１４ａは、吸気管４と排気管５の間に、具体的には、吸気マニホールド４ａの集合部のスワール通路４ｂと排気管５の過給機８よりも上流側とをつなぐように接続されている。このＥＧＲ管１４ａを介して、エンジン３の排ガスの一部が吸気管４にＥＧＲガスとして再循環され、それにより、燃焼室３ｃ内の燃焼温度が低下することで、排ガス中のＮＯｘが減少する。

ＥＧＲ制御弁１４ｂは、ＥＧＲ管１４ａに取り付けられており、リニア電磁弁で構成され、そのバルブリフト量がＥＣＵ２からの駆動信号に応じてリニアに変化する。ＥＣＵ２は、ＥＧＲ制御弁１４ｂのバルブリフト量を制御することにより、ＥＧＲガス量を制御する。

また、ＥＧＲ装置１４にはＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲ冷却装置１５が設けられており、ＥＧＲ冷却装置１５は、分岐通路１５ａ、ＥＧＲ通路切替弁１５ｂおよびＥＧＲクーラ１５ｃを有している。分岐通路１５ａの一端部は、ＥＧＲ管１４ａのＥＧＲ制御弁１４ｂよりも下流側から分岐するとともに、他端部は、ＥＧＲ管１４ａのさらに下流側に合流している。ＥＧＲ通路切替弁１５ｂは、分岐通路１５ａの分岐部に取り付けられ、ＥＧＲクーラ１５ｃは、分岐通路１５ａに設けられている。また、ＥＧＲ通路切替弁１５ｂは、ＥＣＵ２による制御によって、ＥＧＲ管１４ａのＥＧＲ通路切替弁１５ｂよりも上流側を、その下流側と分岐通路１５ａ側に選択的に切り替えて連通させる。

以上により、ＥＧＲ通路切替弁１５ｂが分岐通路１５ａ側に切り替えられた場合には、ＥＧＲガスは、分岐通路１５ａに通され、ＥＧＲクーラ１５ｃにより冷却された後、吸気管４に還流される。一方、逆側に切り替えられた場合には、ＥＧＲガスは、ＥＧＲ管１４ａのみを介して還流される。

また、排気管５の過給機８よりも下流側には、上流側から順に、酸化触媒１６およびＮＯｘ吸収触媒１７が設けられている。この酸化触媒１６は、排ガス中のＨＣおよびＣＯを酸化し、排ガスを浄化する。ＮＯｘ吸収触媒１７は、排ガス中の酸素濃度が高い場合（酸化雰囲気）には、排ガス中のＮＯｘを吸収し、排ガスを浄化し、また、排ガス中の還元剤により、吸収したＮＯｘを還元するという特性を有する。

さらに、排気管５の酸化触媒１６のすぐ上流側および下流側には、第１ＬＡＦセンサ３３および第２のＬＡＦセンサ３４（劣化度合検出手段）がそれぞれ設けられている。第１および第２のＬＡＦセンサ３３，３４はそれぞれ、リッチ領域からリーン領域までの広範囲な空燃比の領域において排ガス中の酸素濃度ＶＬＡＦ１，ＶＬＡＦ２をリニアに検出し、それらの検出信号をＥＣＵ２に出力する。ＥＣＵ２は、第１ＬＡＦセンサ３３で検出された酸素濃度ＶＬＡＦ１に基づいて、燃焼室３ｃで燃焼した実際のガスの空燃比を表す実空燃比ＫＡＣＴを算出する。

ＥＣＵ２にはさらに、アクセル開度センサ３５から、アクセルペダル（図示せず）の操作量（以下「アクセル開度」という）ＡＰを表す検出信号が出力される。

ＥＣＵ２は、Ｉ／Ｏインターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭなどからなるマイクロコンピュータで構成されている。前述した各種センサ３０〜３５からの検出信号はそれぞれ、Ｉ／ＯインターフェースでＡ／Ｄ変換や整形がなされた後、ＣＰＵに入力される。

ＣＰＵは、これらの入力信号に応じ、ＲＯＭに記憶された制御プログラムなどに従って、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、燃料噴射制御を含むエンジン３の制御を実行する。また、ＮＯｘ吸収触媒１７の再生を実行すべきか否かを判定し、この燃料噴射制御は、その判定結果に応じて以下のようにして行われる。なお、本実施形態では、ＥＣＵ２によって、リッチ化手段、運転状態検出手段、目標空燃比決定手段、劣化度合検出手段、および補正手段が構成されている。

図３は、インジェクタ６からの燃料噴射量を制御する処理を示している。本処理は、ＴＤＣ信号の入力に同期して割り込み実行される。まず、ステップ１（「Ｓ１」と図示。以下同じ）では、実行許可フラグＦ＿ＳＥＴＯＫが「１」であるか否かを判別する。この実行許可フラグＦ＿ＳＥＴＯＫは、後述するように、再生の実行条件が最終的に成立しているときに、「１」にセットされるものである。

このステップ１の答がＮＯで、再生の実行条件が成立していないときには、次のステップ２および３において、再生時用の制御を行わず、通常時用の制御を行う。まず、ステップ２では、エンジン回転数ＮＥおよびアクセル開度ＡＰに応じ、マップ（図示せず）を検索することによって、燃料噴射量ＴＯＵＴを求める。このマップでは、燃料噴射量ＴＯＵＴは、燃焼されるガスの空燃比（以下、単に「空燃比」という）が理論空燃比（以下「ストイキ」という）よりもリーンになるように設定されている。次いで、ステップ３では、求めた燃料噴射量ＴＯＵＴに基づく駆動信号をインジェクタ６に出力することによって、インジェクタ６の燃料噴射量を燃料噴射量ＴＯＵＴに制御し、本処理を終了する。

一方、前記ステップ１の答がＹＥＳで、再生の実行条件が成立しているときには、次のステップ４以降において、再生時用の制御を実行する。まず、ステップ４では、エンジン回転数ＮＥおよびアクセル開度ＡＰに応じ、マップ（図示せず）を検索することによって、燃料噴射量の基本値ＴＩＢＳを求める。次いで、ステップ５において、目標空燃比ＫＣＭＤおよび実空燃比ＫＡＣＴに応じ、所定のフィードバック（以下「Ｆ／Ｂ」という）制御アルゴリズムによって、Ｆ／Ｂ補正係数ＫＦＢを算出する。この目標空燃比ＫＣＭＤは、ストイキよりもリッチ側の値に設定されるものであり、その設定の詳細については後述する。

次に、ステップ６において、上記のようにして求めた基本値ＴＩＢＳにＦ／Ｂ補正係数ＫＦＢを乗算することによって、燃料噴射量ＴＯＵＴを算出した後、前記ステップ３を実行し、本処理を終了する。

以上のような燃料噴射量の制御によって、再生を実行しない通常時には、ストイキよりもリーンな空燃比で燃焼が行われる。一方、再生時には、ストイキよりもリッチな空燃比で燃焼が行われる。これにより、排ガス中に未燃成分が含まれるようになり、この未燃成分によって、通常時にＮＯｘ吸収触媒１７に吸収されたＮＯｘが還元され、ＮＯｘ吸収触媒１７が再生される。

次に、図４〜図８を参照しながら、再生時の燃料噴射量の制御に用いられる再生用パラメータを設定する処理について説明する。本処理は、ＴＤＣ信号の入力に同期して実行される。まず、ステップ１１では、実行条件成立フラグＦ＿ＣＡＴＲＥＯＫが「１」であるか否かを判別する。

この実行条件成立フラグＦ＿ＣＡＴＲＥＯＫは、推定したＮＯｘ吸収触媒１７のＮＯｘ吸収量が所定量よりも大きいときに、ＮＯｘ吸収触媒１７の再生を実行すべきとして、「１」にセットされ、それ以外のときには「０」にセットされるものである。また、実行条件成立フラグＦ＿ＣＡＴＲＥＯＫは、「１」にセットされた後、後述するダウンカウント式の再生タイマのタイマ値ＲＥＴＭ（所定時間）が値０になるまでは、「１」に保持され、このタイマ値ＲＥＴＭが値０になったときには、ＮＯｘの還元が十分に行われ、再生が完了したとして、「０」にリセットされる。なお、実行許可フラグＦ＿ＳＥＴＯＫは、後述するように、実行条件成立フラグＦ＿ＣＡＴＲＥＯＫが「１」にセットされるのに伴って「１」にセットされ、Ｆ＿ＣＡＴＲＥＯＫが「０」にリセットされるのに伴って「０」にリセットされる。その結果、ＮＯｘ吸収触媒１７の再生は、再生タイマのタイマ値ＲＥＴＭに対応する所定時間にわたって実行される。また、ＮＯｘ吸収触媒１７のＮＯｘ吸収量は、エンジン３の運転状態および運転時間に応じて推定される。

ステップ１１の答がＮＯ、すなわちＦ＿ＣＡＴＲＥＯＫ＝０で、ＮＯｘ吸収量が小さく、再生を実行すべきでないときには、実行許可フラグＦ＿ＳＥＴＯＫを「０」にリセットし（ステップ１２）、本処理を終了する。

一方、上記ステップ１１の答がＹＥＳで、再生を実行すべきときには、実行許可フラグＦ＿ＳＥＴＯＫが「１」であるか否かを判別する（ステップ１３）。この答がＮＯで、今回が、ステップ１１の答がＹＥＳになった後の最初のループであるときには、第１および第２のＬＡＦセンサ３３，３４で検出された酸素濃度ＶＬＡＦ１，ＶＬＡＦ２の差（ＶＬＡＦ１−ＶＬＡＦ２）を、排気管５内の酸化触媒１６の上流側と下流側の間の酸素濃度差（以下「上下流間Ｏ２濃度差」という）ＤＯ２として算出する（ステップ１４）。

次いで、算出した上下流間Ｏ２濃度差ＤＯ２に基づき、図５に示すＯＣＤＰテーブルを検索することによって、酸化触媒１６の劣化度合を表す劣化度合パラメータＯＣＤＰを求める（ステップ１５）。同テーブルでは、劣化度合パラメータＯＣＤＰは、上下流間Ｏ２濃度差ＤＯ２が大きいほど、より小さな値に設定されている。これは、酸化触媒１６の劣化度合が小さく、酸化能力が高いほど、酸化触媒１６による酸化反応によって消費される酸素の量がより大きいことによって、上下流間Ｏ２濃度差ＤＯ２がより大きくなるためである。

次に、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤに応じ、図６に示すＫＣＭＤマップを検索することによって、目標空燃比ＫＣＭＤを求める（ステップ１６）。このＫＣＭＤマップでは、目標空燃比ＫＣＭＤは、エンジン回転数ＮＥが低〜中で、かつ要求トルクＰＭＣＭＤが中〜高の領域と、エンジン回転数ＮＥが高く、かつ要求トルクＰＭＣＭＤが低〜高の領域とを合わせた領域では、ストイキよりも若干リッチな所定の第１空燃比ＫＣＭＤ１（例えば１４Ａ／Ｆ相当）に設定される。また、目標空燃比ＫＣＭＤは、エンジン回転数ＮＥが低〜中で、かつ要求トルクＰＭＣＭＤが低い領域では、第１空燃比ＫＣＭＤ１よりもリッチな所定の第２空燃比ＫＣＭＤ２（例えば１２Ａ／Ｆ相当）に設定される。このように、目標空燃比ＫＣＭＤは、エンジン３の負荷が比較的高いときには、第１空燃比ＫＣＭＤ１に設定され、比較的低いときには、第２空燃比ＫＣＭＤ２に設定される。なお、要求トルクＰＭＣＭＤは、エンジン回転数ＮＥおよびアクセル開度ＡＰに応じ、マップ（図示せず）を検索することによって求められる。

次いで、上記ステップ１６で求めた目標空燃比ＫＣＭＤが第１空燃比ＫＣＭＤ１に設定されているか否かを判別する（ステップ１７）。この答がＹＥＳのときには、前記ステップ１５で求めた劣化度合パラメータＯＣＤＰに基づき、図７に示すＫＡＦテーブルを検索することによって、空燃比補正係数ＫＡＦを求める（ステップ１８）。同テーブルでは、空燃比補正係数ＫＡＦは、劣化度合パラメータＯＣＤＰが大きいほど、より大きな値に設定されている。

次に、目標空燃比ＫＣＭＤに空燃比補正係数ＫＡＦを乗算することによって、最終的な目標空燃比ＫＣＭＤを算出する（ステップ１９）。

以上のように、劣化度合パラメータＯＣＤＰに基づいて求めた空燃比補正係数ＫＡＦで目標空燃比ＫＣＭＤを補正することによって、最終的な目標空燃比ＫＣＭＤが算出される。また、上記のように、空燃比補正係数ＫＡＦは、劣化度合パラメータＯＣＤＰが大きいほど、より大きな値に設定されているので、目標空燃比ＫＣＭＤは、酸化触媒１６の劣化度合が高いほど、より大きな値に、すなわち、よりリーン側の値に補正される。これは、酸化触媒１６の劣化度合が高いほど、その酸化能力が低いため、酸化触媒１６で酸化され、消費されることによってＮＯｘ吸収触媒１７に供給されなくなる未燃成分の量（以下「消費未燃成分量」という）がより少ないので、その分、空燃比をリーン側に制御することによって、燃費を向上させるためである。なお、前記ＫＡＦテーブルでは、空燃比補正係数ＫＡＦの最大値ＫＡＦＭＡＸは、これを適用することによって算出される目標空燃比ＫＣＭＤがストイキよりもリーン側の値にならないように設定されている。

次いで、エンジン回転数ＮＥおよびアクセル開度ＡＰに応じ、マップ（図示せず）を検索することによって、第１再生時間ＲＥＴＭ１（所定時間）を求める（ステップ２０）。同マップでは、第１再生時間ＲＥＴＭ１は、エンジン回転数ＮＥが高いほど、およびアクセル開度ＡＰが高いほど、より小さな値に設定されている。次に、求めた第１再生時間ＲＥＴＭ１を、前記ダウンカウント式の再生タイマのタイマ値ＲＥＴＭとしてセットし（ステップ２１）、後述するステップ２６に進む。これにより、再生の実行時間が第１再生時間ＲＥＴＭ１に設定される。なお、第１再生時間ＲＥＴＭ１は、再生の実行の判定に用いた前述した所定量のＮＯｘを還元するのに十分な値に、設定されている。また、第１再生時間ＲＥＴＭ１がエンジン回転数ＮＥおよびアクセル開度ＡＰに応じて上記のように設定されているのは、エンジン回転数ＮＥおよびアクセル開度ＡＰが高いほど、単位時間あたりにＮＯｘ吸収触媒１７に供給される未燃成分がより多く、再生が短時間で終了するためである。

一方、前記ステップ１７の答がＮＯで、ＫＣＭＤ≠ＫＣＭＤ１、すなわち、目標空燃比ＫＣＭＤが第２空燃比ＫＣＭＤ２に設定されているときには、目標空燃比ＫＣＭＤをそのまま最終的な目標空燃比ＫＣＭＤとして設定する（ステップ２２）。次いで、エンジン回転数ＮＥおよびアクセル開度ＡＰに応じ、マップ（図示せず）を検索することによって、第２再生時間ＲＥＴＭ２（所定時間）を求める（ステップ２３）。同マップでは、第２再生時間ＲＥＴＭ２は、第１再生時間ＲＥＴＭ１の場合と同じ理由から、エンジン回転数ＮＥが高いほど、およびアクセル開度ＡＰが高いほど、より小さな値に設定されている。また、第２再生時間ＲＥＴＭ２は、エンジン回転数ＮＥおよびアクセル開度ＡＰの全領域において、第１再生時間ＲＥＴＭ１よりも小さな値に設定されている。これは、第２空燃比ＫＣＭＤ２は、第１空燃比ＫＣＭＤ１よりもリッチ側の値に設定されているので、その分、ＮＯｘ吸収触媒１７に供給される未燃成分の量が多く、再生が短時間で終了するためである。

次に、劣化度合パラメータＯＣＤＰに基づき、図８に示すＫＴテーブルを検索することによって、補正係数ＫＴを求める（ステップ２４）。同テーブルでは、補正係数ＫＴは、劣化度合パラメータＯＣＤＰが大きいほど、より小さな値に設定されている。次いで、第２再生時間ＲＥＴＭ２に補正係数ＫＴを乗算した値を、再生タイマのタイマ値ＲＥＴＭとしてセットし（ステップ２５）、ステップ２６に進む。なお、第２再生時間ＲＥＴＭ２に補正係数ＫＴを乗算した値（時間）は、第１再生時間ＲＥＴＭ１と同様、再生の実行の判定に用いた前述した所定量のＮＯｘを還元するのに十分な値に、設定されている。

上記ステップ２６では、実行許可フラグＦ＿ＳＥＴＯＫを「１」にセットした後、本処理を終了する。このステップ２６により、前記ステップ１３の答がＹＥＳとなり、その場合には、前記ステップ１４〜２６をスキップし、そのまま本処理を終了する。このように再生用パラメータは、再生を実行すべきと判定された直後においてのみ設定され、その後、再生が終了するまで、設定された値に保持される。

以上のように、劣化度合パラメータＯＣＤＰに基づいて求めた補正係数ＫＴで第２再生時間ＲＥＴＭ２を補正した値が、再生の実行時間として用いられる。また、補正係数ＫＴは、劣化度合パラメータＯＣＤＰが大きいほど、より小さな値に設定されているので、再生の実行時間は、酸化触媒１６の劣化度合が高いほど、より短い時間に設定される。これは、酸化触媒１６の劣化度合が高いほど、消費未燃成分量がより少ないので、その分、再生の実行時間を短くすることによって、燃費を向上させるためである。

図９は、空燃比と、エンジン３から排出される排ガス中の酸素濃度（以下、単に「酸素濃度」という）Ｌ１、エンジン３から排出され、酸化触媒１６に供給される排ガス中の未燃成分の量（以下「排出未燃成分量」という）Ｌ２、およびＮＯｘ吸収触媒１７に供給される未燃成分の量（以下「供給未燃成分量」という）Ｌ３との一般的な関係を示している。

同図に示すように、空燃比がリッチになるほど、酸素濃度Ｌ１はより低くなる一方、排出未燃成分量Ｌ２はより大きくなる。また、排ガス中の未燃成分が酸化触媒１６で酸化され、消費されるため、供給未燃成分量Ｌ３は、排出未燃成分量Ｌ２よりもその分だけ小さくなる。すなわち、排出未燃成分量Ｌ２と、供給未燃成分量Ｌ３との差（＝Ｌ２−Ｌ３）は、前記消費未燃成分量に相当する。消費未燃成分量は、空燃比がストイキよりも若干リッチ側にあるときには、酸素濃度Ｌ１が高いために、比較的大きく、空燃比がリッチ側に向かうにつれて、酸素濃度Ｌ１の低下に伴って減少し、高リッチのときには非常に小さな値になる。

このような傾向に基づき、本実施形態では、エンジン３の負荷が比較的低いときには、目標空燃比ＫＣＭＤをよりリッチな第２空燃比ＫＣＭＤ２に設定し（ステップ１６）、また、再生タイマのタイマ値ＲＥＴＭを基本的に第２再生時間ＲＥＴＭ２に設定する（ステップ２３）ことによって、再生の実行時間を短縮する。このように、空燃比をできるだけリッチ側に制御し、酸素濃度Ｌ１を低下させることによって、消費未燃成分量を低減できるとともに、再生の実行時間を短縮することによって、再生を効率良く良好に行い、燃費を向上させることができる。また、エンジン３の負荷が低いときには、エンジン３の燃焼によって生成されるパティキュレート（以下「ＰＭ」という）の量がもともと少ないので、空燃比をリッチ側に制御しても、ＰＭの量が増加するおそれがない。

一方、エンジン３の負荷が比較的高いときには、目標空燃比ＫＣＭＤを基本的に、第２空燃比ＫＣＭＤ２よりもリーンでストイキよりも若干リッチな第１空燃比ＫＣＭＤ１に設定し（ステップ１６）、再生タイマのタイマ値ＲＥＴＭをより大きな第１再生時間ＲＥＴＭ１にセットする（ステップ２１）ことによって、再生の実行時間をより長く設定する。このように、エンジン３の負荷が高いときには、空燃比をストイキに近いよりリーンな第１空燃比ＫＣＭＤ１に制御することによって、ＰＭの量を抑制でき、また、再生の実行時間を長めに設定することによって、再生を十分に行うことができる。

また、図９に示すように、酸化触媒１６の劣化が生じると、消費未燃成分量が減少するため、劣化時にＮＯｘ吸収触媒１７に供給される未燃成分の量（以下「劣化時供給未燃成分量」という）Ｌ４は、排出未燃成分量Ｌ２と供給未燃成分量Ｌ３の間の値になり、劣化度合が大きいほど、排出未燃成分量Ｌ２に近づく。また、劣化時の消費未燃成分量は、前述した非劣化時の消費未燃成分量と同じ傾向を示し、空燃比がストイキよりも若干リッチ側にあるときには、酸素濃度Ｌ１が高いために、比較的大きい。さらに劣化時の消費未燃成分量は、空燃比がリッチ側に向かうにつれて、酸素濃度Ｌ１の低下に伴って減少し、高リッチ側では、空燃比の変化に対して大きく減少する。

このような傾向に基づき、本実施形態では、目標空燃比ＫＣＭＤがストイキよりも若干リッチな第１空燃比ＫＣＭＤ１に設定されていて、酸素濃度が高いときには、酸化触媒１６の劣化度合に応じて、目標空燃比ＫＣＭＤをリーン側のＫＣＭＤ１・ＫＡＦに補正する（ステップ１９）。したがって、酸化触媒１６の劣化度合に応じて、再生の効率を維持しながら、再生用の燃料量を適切に低減できるとともに、ＰＭの量をさらに抑制することができる。

一方、目標空燃比ＫＣＭＤがよりリッチな第２空燃比ＫＣＭＤ２に設定されているときには、酸素濃度Ｌ１がもともと低い状態にあるので、そのような状態で第１空燃比ＫＣＭＤ１の場合と同様に、酸化触媒１６の劣化度合に応じて、目標空燃比ＫＣＭＤを第２空燃比ＫＣＭＤ２からリーン側に、例えば所定空燃比ＫＣＭＤ２’に補正すると、酸素濃度Ｌ１が増大することによって、図９に示すように、消費未燃成分量が大幅に増大し、その結果、再生の効率が悪化してしまう。このような観点から、目標空燃比ＫＣＭＤが第２空燃比ＫＣＭＤ２のときには、目標空燃比ＫＣＭＤを変更せずに、そのまま最終的な目標空燃比ＫＣＭＤとして設定し（ステップ２２）、再生の実行時間を減少側に補正する（ステップ２５）。これにより、消費未燃成分量を増加させることなく、酸化触媒１６の劣化度合に応じて、再生の効率を維持しながら、再生用の燃料量を適切に低減することができる。

また、空燃比補正係数ＫＡＦおよび補正係数ＫＴを、酸化触媒１６の劣化度合に応じ、それが高いほど、これらの補正係数による補正の度合が高くなるように設定するので、目標空燃比ＫＣＭＤが第１空燃比ＫＣＭＤ１のときの空燃比の補正や、第２空燃比ＫＣＭＤ２のときの再生の実行時間の補正を、酸化触媒１６の劣化度合に応じた実際の消費未燃成分量に応じて適切に行うことができる。

以上のように、本実施形態によれば、再生時において、エンジン３の負荷が高いときには、目標空燃比ＫＣＭＤを、第１空燃比ＫＣＭＤ１に設定するとともに、酸化触媒１６の劣化度合に応じてリーン側に補正する。また、エンジン３の負荷が低いときには、第２空燃比ＫＣＭＤ２に設定した目標空燃比ＫＣＭＤをそのまま最終的な目標空燃比ＫＣＭＤとして設定するとともに、酸化触媒１６の劣化度合に応じて、再生の実行時間を減少側に補正する。以上により、エンジン３が高負荷および低負荷のいずれの運転状態にある場合でも、酸化触媒１６の劣化度合に応じて、再生の効率を維持しながら、再生用の燃料量を適切に低減できるので、未燃成分をＮＯｘ吸収触媒１７に過不足なく供給できる。したがって、良好な排ガス特性を維持しながら、燃費を向上させることができるとともに、再生を良好に行うことができる。

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、ＮＯｘ吸収触媒は、実施形態のＮＯｘ吸収触媒１７にＮＨ₃ 生成触媒を付加したものでもよい。このＮＨ₃ 生成触媒は、排ガス中の未燃成分によって、ＮＯｘ吸収触媒１７に吸収されたＮＯｘを還元し、ＮＨ₃ を生成するとともに、生成したＮＨ₃ を吸収し、排ガス中の酸素濃度が高いときには、吸収したＮＨ₃ とＮＯｘを反応させることによって、ＮＯｘを還元するものである。この場合、ＮＨ₃ 生成触媒のＮＨ₃ 吸収量が所定量よりも小さいときに再生を実行するとともに、再生の実行時間は、減少したＮＨ₃ 吸収量を回復させるのに十分な値に設定するのが好ましい。また、本発明は、車両に搭載されたディーゼルエンジンに限らず、クランク軸が鉛直方向に配置された船外機などのような船舶推進機用エンジンを含む、様々な産業用の内燃機関に適用できることはもちろんである。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。

本発明の排ガス浄化装置およびこれを適用した内燃機関の概略構成を示す図である。 排ガス浄化装置の一部を示す図である。 燃料噴射量制御処理を示すフローチャートである。 再生用パラメータ設定処理を示すフローチャートである。 図４の処理で用いられるＯＣＤＰテーブルを示す図である。 図４の処理で用いられるＫＣＭＤマップを示す図である。 図４の処理で用いられるＫＡＦテーブルを示す図である。 図４の処理で用いられるＫＴテーブルを示す図である。 空燃比と、酸素濃度Ｌ１、排出未燃成分量Ｌ２、供給未燃成分量Ｌ３、および劣化時供給未燃成分量Ｌ４との関係を示す図である。

符号の説明

１ 排ガス浄化装置
２ ＥＣＵ（リッチ化手段、運転状態検出手段、目標空燃比決定手段、
劣化度合検出手段、補正手段）
３ エンジン
５ 排気管（排気系）
６ インジェクタ（リッチ化手段）
１６ 酸化触媒
１７ ＮＯｘ吸収触媒
３０ クランク角センサ（運転状態検出手段）
３３ 第１ＬＡＦセンサ（劣化度合検出手段）
３４ 第２ＬＡＦセンサ（劣化度合検出手段）
ＫＣＭＤ 目標空燃比
ＲＥＴＭ１ 第１再生時間（所定時間）
ＲＥＴＭ２ 第２再生時間（所定時間）
ＫＣＭＤ１ 第１空燃比
ＫＣＭＤ２ 第２空燃比

Claims (1)

1. 排気系を備えた内燃機関から排出される排ガスを浄化する内燃機関の排ガス浄化装置であって、
   前記排気系に設けられ、排ガス中のＮＯｘを吸収するＮＯｘ吸収触媒と、
   前記排気系の前記ＮＯｘ吸収触媒よりも上流側に設けられ、排ガスを酸化することにより浄化する酸化触媒と、
   前記ＮＯｘ吸収触媒に吸収されたＮＯｘを還元するために、前記内燃機関で燃焼されるガスの空燃比を、所定時間、理論空燃比よりもリッチな目標空燃比になるように制御するリッチ化手段と、
   前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   前記目標空燃比を、前記検出された内燃機関の運転状態に応じて、理論空燃比よりもリッチな所定の第１空燃比、および当該第１空燃比よりもリッチな所定の第２空燃比の一方に決定する目標空燃比決定手段と、
   前記酸化触媒の劣化度合を検出する劣化度合検出手段と、
   前記決定された目標空燃比が前記第１空燃比のときに、前記検出された酸化触媒の劣化度合に応じて前記目標空燃比をリーン側に補正するとともに、前記目標空燃比が前記第２空燃比のときに、前記酸化触媒の劣化度合に応じて前記所定時間を減少側に補正する補正手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。

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