JP4510654B2 - 内燃機関の排ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関から排出された排ガス中のＮＯｘを一時的に捕捉するとともに、捕捉されたＮＯｘを還元することによって、排ガスを浄化する内燃機関の排ガス浄化装置に関する。

この種の排ガス浄化装置では、内燃機関の排気系にＮＯｘ捕捉材が設けられており、内燃機関から排出された排ガス中のＮＯｘがＮＯｘ捕捉材に捕捉される。また、捕捉されたＮＯｘの量が大きくなったときに、燃料の増量などにより排ガスを還元状態に制御することによって、捕捉されたＮＯｘが還元される。以上のＮＯｘの捕捉および還元によって、ＮＯｘが浄化されるとともに、ＮＯｘ捕捉材の捕捉能力が回復される。こ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。

この排ガス浄化装置は、ディーゼルエンジンに用いられたものであり、このエンジンの排気管には、ＮＯｘを捕捉するＮＯｘ触媒とともに、三元触媒が設けられている。通常時には、混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーン側に制御するリーン運転を行い、そのときに排出される排ガス中のＮＯｘをＮＯｘ触媒で捕捉する。また、捕捉されたＮＯｘ量がＮＯｘ触媒の捕捉能力の限界に達したときには、空燃比を理論空燃比よりもリッチ側に制御するリッチ運転に切り替えることによって、ＮＯｘ触媒に捕捉されたＮＯｘを還元するとともに、排ガスを三元触媒で浄化する。さらに、リーン運転からリッチ運転への切替時には、燃焼室に吸入される吸入空気量が目標吸入空気量になるまでの間、燃料噴射量を短い周期で増減し、それにより、切替時のトルク変動を抑制するようにしている。

以上のように、この従来の技術では、通常時には、エンジンをリーン運転で運転し、排ガス中のＮＯｘをＮＯｘ触媒で捕捉するとともに、捕捉されたＮＯｘを還元するために、エンジンをリッチ運転で運転する。しかし、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化性能は、必ずしも一定ではなく、エンジンの運転状態に応じて変化する。例えば、最近の研究によれば、ＮＯｘ還元の実行中に、ＮＯｘ触媒に捕捉されたＮＯｘの一部が、実際には還元されることなくＮＯｘ触媒から脱離するという現象（以下、このような現象を「ＮＯｘスリップ」という）が発生することが判明している。ＮＯｘスリップが発生すると、脱離した一部のＮＯｘが還元されないまま大気中に排出されるため、ＮＯｘ触媒の浄化性能が実質的に低下する。これに対し、前述した従来の技術では、このようなＮＯｘ触媒の浄化性能の特性にかかわらず、通常時にリーン運転を行い、ＮＯｘの還元時にリッチ運転を行うにすぎないため、ＮＯｘスリップを抑制できず、排ガス特性の悪化を招いてしまう。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、ＮＯｘ捕捉材のＮＯｘ浄化性能に応じて内燃機関の空燃比モードを適切に選択でき、それにより、ＮＯｘの浄化率を高めることによって、排ガス特性を向上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。

特開２００４−１８３５６８号公報

この目的を達成するため、請求項１に係る発明は、内燃機関３から排気系（排気管５）に排出された排ガスを浄化する内燃機関３の排ガス浄化装置１であって、内燃機関３で燃焼される混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンな空燃比に制御するリーンモードと、リーンモードよりもリッチな空燃比に制御する非リーンモード（ストイキモード）に切り替える空燃比モード切替手段（インジェクタ６、スロットル弁１２、ＥＣＵ２、図３のステップ５４，５５）と、排気系に設けられ、排ガス中のＮＯｘを捕捉するＮＯｘ捕捉材（ＮＯｘ触媒１７）と、排ガスを還元状態に制御することにより、ＮＯｘ捕捉材に捕捉されたＮＯｘを還元するＮＯｘ還元手段（インジェクタ６、スロットル弁１２、ＥＣＵ２、図８のステップ３９）と、排気系に設けられ、排ガスを浄化する三元触媒１６と、ＮＯｘ捕捉材および三元触媒１６の少なくとも一方の温度（ＮＯｘ触媒温度ＴＬＮＣ）を検出する温度検出手段（ＮＯｘ触媒温度センサ３６）と、内燃機関３の負荷（排ガスの空間速度ＳＶ）を検出する負荷検出手段（クランク角センサ３０、エアフローセンサ３１、ＥＣＵ２）と、検出された温度および内燃機関３の負荷に応じて、内燃機関３をリーンモードで運転したときのＮＯｘ捕捉材の浄化性能を推定するＮＯｘ捕捉材浄化性能推定手段（ＥＣＵ２、図１０のステップ５１，５２）と、検出された温度および内燃機関３の負荷に応じて、内燃機関３を非リーンモードで運転したときの三元触媒１６の浄化性能を推定する三元触媒浄化性能推定手段（ＥＣＵ２、図１０のステップ５１，５２）と、推定されたＮＯｘ捕捉材の浄化性能と三元触媒１６の浄化性能との比較結果に応じて、リーンモードおよび非リーンモードの一方を選択する空燃比モード選択手段（ＥＣＵ２、図１０のステップ５３〜５５）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、内燃機関の空燃比モードが、空燃比切替手段によって、空燃比を理論空燃比よりもリーンな空燃比に制御するリーンモードと、リーンモードよりもリッチな空燃比に制御する非リーンモードに切り替えられる。リーンモードでは、排ガス中のＮＯｘがＮＯｘ捕捉材によって捕捉されるとともに、捕捉されたＮＯｘは、ＮＯｘ還元手段により還元状態に制御された排ガスによって還元され、浄化される。一方、非リーンモードでは、排ガス中のＮＯｘは三元触媒によって浄化される。また、ＮＯｘ捕捉材および三元触媒の少なくとも一方の温度および内燃機関の負荷を検出し、これらの検出された温度および内燃機関の負荷に応じて、内燃機関をリーンモードで運転したときのＮＯｘ捕捉材の浄化性能と、非リーンモードで運転したときの三元触媒の浄化性能を、それぞれ推定する。そして、推定されたＮＯｘ捕捉材の浄化性能と三元触媒の浄化性能を比較し、その比較結果に応じて、リーンモードおよび非リーンモードの一方を、空燃比モードとして選択する。

前述したように、ＮＯｘの還元動作中にＮＯｘスリップが発生すると、ＮＯｘ捕捉材の浄化性能は実質的に低下する。このため、ＮＯｘスリップの発生状況によっては、内燃機関をリーンモードで運転したときのＮＯｘ捕捉材の浄化性能を、非リーンモードで運転したときの三元触媒のＮＯｘの浄化性能が、上回る場合がある。また、ＮＯｘスリップ量は、ＮＯｘ捕捉材の温度および内燃機関の負荷に応じて変化し、三元触媒の浄化性能もまた、その温度と内燃機関の負荷の影響を受ける。したがって、上記のように、ＮＯｘ捕捉材および三元触媒の少なくとも一方の温度および内燃機関に応じてＮＯｘ捕捉材の浄化性能と三元触媒の浄化性能を推定し、予測するとともに、推定した両浄化性能の比較結果に応じて、リーンモードおよび非リーンモードの一方を選択することによって、ＮＯｘ捕捉材および三元触媒のうち、浄化性能のより高いものでＮＯｘの浄化を行わせることができる。その結果、ＮＯｘの浄化率が高められることによって、排ガス特性を向上させることができる。また、三元触媒の浄化性能が高い場合以外は、内燃機関がリーンモードで運転されるので、燃費も最大限、良好に維持でき、したがって、良好な排ガス特性と燃費の両立を図ることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明を適用した排ガス浄化装置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、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（空燃比制御手段、ＮＯｘ還元手段、空燃比モード切替手段）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、高圧ポンプおよび燃料タンク（いずれも図示せず）に順に接続されている。インジェクタ６の開弁時間である燃料噴射量ＴＯＵＴ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が取り付けられており、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内の排ガスによりタービンブレード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が回転駆動されることによって、吸気管４内の吸入空気を加圧する過給動作を行う。

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、各可変ベーン８ｃに機械的に連結されている。アクチュエータ９には、負圧ポンプから負圧供給通路（いずれも図示せず）を介して負圧が供給され、この負圧供給通路の途中にベーン開度制御弁１０が設けられている。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への供給負圧が変化し、それに伴い、可変ベーン８ｃの開度が変化することにより、過給圧が制御される。

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（空燃比制御手段、ＮＯｘ還元手段、空燃比モード切替手段）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ＱＡ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および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ガスとして還流し、それにより、燃焼室３ｃ内の燃焼温度が低下することによって、排ガス中のＮＯｘが低減される。

ＥＧＲ制御弁１４ｂは、ＥＧＲ管１４ａに取り付けられたリニア電磁弁で構成されており、そのバルブリフト量ＶＬＡＣＴが、ＥＣＵ２からのデューティ制御された駆動信号で制御されることによって、ＥＧＲガス量が制御される。

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、バイパス通路１５ａ、ＥＧＲ通路切替弁１５ｂおよびＥＧＲクーラ１５ｃを有している。バイパス通路１５ａは、ＥＧＲ管１４ａのＥＧＲ制御弁１４ｂよりも下流側に、ＥＧＲ管１４ａをバイパスするように設けられており、ＥＧＲ通路切替弁１５ｂはバイパス通路１５ａの分岐部に取り付けられ、ＥＧＲクーラ１５ｃはバイパス通路１５ａの途中に設けられている。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よりも下流側の部分を、ＥＧＲ管１４ａ側とバイパス通路１５ａ側に選択的に切り替える。

以上により、ＥＧＲ通路切替弁１５ｂがバイパス通路１５ａ側に切り替えられた場合には、ＥＧＲガスは、バイパス通路１５ａに通され、ＥＧＲクーラ１５ｃで冷却された後、吸気管４に還流する。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、冷却されることなく吸気管４に還流する。

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、三元触媒１６およびＮＯｘ触媒１７が設けられている。三元触媒１６は、ストイキ雰囲気下において、排ガス中のＨＣおよびＣＯを酸化するとともに、ＮＯｘを還元することによって、排ガスを浄化する。ＮＯｘ触媒１７（ＮＯｘ捕捉材）は、排ガス中の酸素濃度が高い酸化雰囲気において、排ガス中のＮＯｘを捕捉する。捕捉されたＮＯｘは、酸素濃度が低い還元雰囲気において、排ガス中の還元剤によって還元され、浄化される。ＮＯｘ触媒１７には、その温度（以下「ＮＯｘ触媒温度」という）ＴＬＮＣを検出するＮＯｘ触媒温度センサ３６（温度検出手段）が設けられており、その検出信号はＥＣＵ２に出力される。

さらに、排気管５の三元触媒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Ａ／ＦＡＣＴ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３０〜３６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、燃料噴射量や吸入空気量の制御を含むエンジン３の制御を、以下のように実行する。なお、本実施形態では、ＥＣＵ２によって、空燃比制御手段、ＮＯｘ還元手段、負荷検出手段、リーンモード禁止手段、空燃比モード切替手段、ＮＯｘ捕捉材浄化性能推定手段、三元触媒浄化性能推定、および空燃比モード選択手段が構成されている。

図３は、エンジン３の空燃比モードの決定処理を示している。本処理は、所定時間ごとに実行される。まず、ステップ１（「Ｓ１」と図示。以下同じ）では、ＮＯｘ触媒温度センサ３６で検出されたＮＯｘ触媒温度ＴＬＮＣが、所定の判定値ＴＬＮＣＲＥＦ（例えば２５０℃）よりも高いか否かを判別する。図４は、ＮＯｘ触媒温度ＴＬＮＣに対するＮＯｘ触媒１７のＮＯｘ浄化率ＫＴＥＭＰＬＮＣの関係を示している。同図に示すように、このＮＯｘ浄化率ＫＴＥＭＰＬＮＣは、ＮＯｘ触媒温度ＴＬＮＣが所定の温度範囲にあるときには、ほぼ１００％であるのに対し、それよりも低温側では、ＮＯｘスリップの発生により、ＮＯｘ触媒温度ＴＬＮＣが低くなるに従って低下するという特性を示す。この特性を考慮し、上記の判定値ＴＬＮＣＲＥＦは、上記の所定の温度範囲よりも若干低い温度に設定されている。

したがって、ステップ１の答がＮＯで、ＴＬＮＣ≧ＴＬＮＣＲＥＦのときには、ＮＯｘ触媒温度ＴＬＮＣが高いため、ＮＯｘの還元時にＮＯｘスリップが発生しないか、または発生してもＮＯｘスリップ量が少なく、ＮＯｘ触媒１７の浄化性能が高い状態にあるとして、空燃比モードとしてリーンモードを選択し、リーンモードフラグＦ＿ＬＥＡＮを「１」にセットした（ステップ２）後、本処理を終了する。

一方、ステップ１の答がＹＥＳで、ＴＬＮＣ＜ＴＬＮＣＲＥＦのときには、排ガスの空間速度ＳＶを算出する（ステップ３）。この排ガスの空間速度ＳＶは、エンジン回転数ＮＥおよび吸入空気量ＱＡに応じ、マップ（図示せず）を検索することにより求められる。次いで、算出した排ガスの空間速度ＳＶが、所定の判定値ＳＶＲＥＦ（例えば５００００（１／ｈ））よりも大きいか否かを判別する（ステップ４）。図５は、排ガスの空間速度ＳＶに対するＮＯｘ触媒１７のＮＯｘ浄化率ＫＳＶＬＮＣの関係を示している。同図に示すように、このＮＯｘ浄化率ＫＳＶＬＮＣは、排ガスの空間速度ＳＶが所定値以下のときには、ほぼ１００％であるのに対し、この所定値を超えると、ＮＯｘスリップの発生により、排ガスの空間速度ＳＶが大きくなるに従って低下するという特性を示す。この特性を考慮し、上記の判定値ＳＶＲＥＦは、上記の所定値よりも若干大きな値に設定されている。

したがって、前記ステップ４の答がＮＯで、ＳＶ≦ＳＶＲＥＦのときには、排ガスの空間速度が小さいため、ＮＯｘの還元時にＮＯｘスリップが発生しないか、またはＮＯｘスリップ量が少なく、ＮＯｘ触媒１７の浄化性能が高い状態にあるとして、リーンモードを選択し、前記ステップ２を実行する。

一方、前記ステップ４の答がＹＥＳのとき、すなわち、ＴＬＮＣ＜ＴＬＮＣＲＥＦおよびＳＶ＞ＳＶＲＥＦが成立し、ＮＯｘ触媒温度ＴＬＮＣが低く、かつ排ガスの空間速度ＳＶが大きいときには、ＮＯｘスリップ量が増大するおそれがあり、ＮＯｘ触媒１７の浄化性能が低いとして、リーンモードを禁止してストイキモードを選択し、リーンモードフラグＦ＿ＬＥＡＮを「０」にセットした（ステップ５）後、本処理を終了する。

図６および図７は、上述したようにして選択された空燃比モードに従って実行される燃料噴射量制御処理および吸入空気量制御処理をそれぞれ示している。

図６の燃料噴射量制御処理は、ＴＤＣ信号の発生に同期して実行される。この処理ではまず、リーンモードフラグＦ＿ＬＥＡＮが「１」であるか否かを判別する（ステップ１１）。この答がＹＥＳで、リーンモードが選択されているときには、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤに応じ、マップ（図示せず）を検索することによって、リーンモード用の燃料噴射量ＴＯＵＴＬを算出する（ステップ１２）。このマップでは、燃料噴射量ＴＯＵＴＬは、エンジン回転数ＮＥが大きいほど、および要求トルクＰＭＣＭＤが大きいほど、より大きな値に設定されるとともに、後述するストイキモード用の燃料噴射量ＴＯＵＴＳよりも小さな値に設定されている。なお、この要求トルクＰＭＣＭＤは、エンジン３に要求されるトルクであり、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、算出したリーンモード用の燃料噴射量ＴＯＵＴＬを、燃料噴射量ＴＯＵＴとして設定し（ステップ１３）、本処理を終了する。

一方、前記ステップ１１の答がＮＯで、ストイキモードが選択されているときには、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤに応じ、マップ（図示せず）を検索することによって、ストイキモード用の燃料噴射量ＴＯＵＴＳを算出する（ステップ１４）。このマップでは、燃料噴射量ＴＯＵＴＳは、エンジン回転数ＮＥが大きいほど、および要求トルクＰＭＣＭＤが大きいほど、より大きな値に設定されている。次いで、算出したストイキモード用の燃料噴射量ＴＯＵＴＳを、燃料噴射量ＴＯＵＴとして設定し（ステップ１５）、本処理を終了する。

図７の吸入空気量制御処理は、所定の時間ごとに実行される。この処理ではまず、リーンモードフラグＦ＿ＬＥＡＮが「１」であるか否かを判別する（ステップ２１）。この答がＹＥＳで、リーンモードが選択されているときには、スロットル弁開度ＴＨを全開値ＴＨＷＯＴに設定し（ステップ２２）、本処理を終了する。

一方、前記ステップ２１の答がＮＯで、ストイキモードが選択されているときには、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤに応じ、マップ（図示せず）を検索することによって、目標空燃比Ａ／ＦＣＭＤを算出する（ステップ２３）。このマップでは、目標空燃比Ａ／ＦＣＭＤは、理論空燃比またはそれよりも若干リッチな空燃比に設定されている。次いで、算出した目標空燃比Ａ／ＦＣＭＤと実空燃比Ａ／ＦＡＣＴとの偏差に応じ、フィードバック制御によってスロットル弁開度ＴＨを決定し（ステップ２４）、本処理を終了する。

以上のような燃料噴射量および吸入空気量の制御により、リーンモードでは、エンジン３に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーンな空燃比に制御され、そのときに排出される排ガス中のＮＯｘがＮＯｘ触媒１７によって捕捉される。一方、ストイキモードでは、空燃比が理論空燃比またはそれよりも若干リッチな空燃比に制御され、排ガスが三元触媒１６によって浄化される。

次に、図８を参照しながら、リッチスパイクの制御処理について説明する。このリッチスパイクは、リーンモード中、ＮＯｘ触媒１７に捕捉されたＮＯｘの還元動作として実行されるものであり、後述するように、燃料噴射量ＴＯＵＴを増大させるとともに、吸入空気量を減少させることによって、行われる。

まず、ステップ３１では、リッチタイマのタイマ値ＴＭＲＩＣＨが０であるか否かを判別する。このリッチタイマは、リッチスパイクの実行時間を計時するものである。このステップ３１の答がＹＥＳで、ＴＭＲＩＣＨ＝０のときには、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤに応じ、マップ（図示せず）を検索することによって、ＮＯｘ排出量ＱＮＯｘを算出する（ステップ３２）。このＮＯｘ排出量ＱＮＯｘは、そのときの排ガス中のＮＯｘ量を推定したものであり、このマップでは、エンジン回転数ＮＥが大きいほど、および要求トルクＰＭＣＭＤが大きいほど、より大きな値に設定されている。

次いで、算出したＮＯｘ排出量ＱＮＯｘを前回までのＮＯｘ排出量積算値Ｓ＿ＱＮＯｘに加算した値を、今回のＮＯｘ排出量積算値Ｓ＿ＱＮＯｘとして更新する（ステップ３３）。このＮＯｘ排出量積算値Ｓ＿ＱＮＯｘは、ＮＯｘ触媒１７に捕捉されたＮＯｘの量（以下「ＮＯｘ捕捉量」という）に相当する。

次に、アクセル開度ＡＰがほぼ値０、すなわちアクセルペダルが全閉状態にあるか否かを判別する（ステップ３４）。この答がＹＥＳのとき、すなわちエンジン３が減速中またはアイドル中のときには、リッチスパイクの実行条件が成立していないと判定し、リッチスパイクフラグＦ＿ＲＩＣＨを「０」にセットした（ステップ３５）後、本処理を終了する。このようにリッチスパイクフラグＦ＿ＲＩＣＨが「０」にセットされたときには、リッチスパイクは実行されず、リーンモードによる運転が継続される。

一方、上記ステップ３４の答がＮＯで、減速中およびアイドル中のいずれでもないときには、上記ステップ３３で求めたＮＯｘ排出量積算値Ｓ＿ＱＮＯｘが、判定値Ｓ＿ＱＮＯｘＲＥＦ以上であるか否かを判別する（ステップ３６）。

この判定値Ｓ＿ＱＮＯｘＲＥＦは、ＮＯｘ触媒温度ＴＬＮＣに応じ、図９に示すテーブルを検索することによって算出される。このテーブルでは、判定値Ｓ＿ＱＮＯｘＲＥＦは、ＴＬＮＣ≦第１所定値Ｔ１（例えば２００℃）では第１判定値ＳＱ１に設定され、Ｔ１＜ＴＬＮＣ＜第２所定値Ｔ２（例えば４００℃）では、ＮＯｘ触媒温度ＴＬＮＣが高いほど、より大きな値にリニアに設定され、ＴＬＮＣ≧Ｔ２では、第１判定値ＳＱ１よりも大きな第２判定値ＳＱ２に設定されている。これは、ＮＯｘ触媒温度ＴＬＮＣが低いほど、また、ＮＯｘ捕捉量が多いほど、ＮＯｘスリップによりＮＯｘの還元率が低下するので、これに対応させるためである。

上記ステップ３６の答がＮＯで、Ｓ＿ＱＮＯｘ＜Ｓ＿ＱＮＯｘＲＥＦのときには、ＮＯｘ捕捉量がまだ小さいため、リッチスパイクの実行条件が成立していないと判定し、前記ステップ３５を実行する。

一方、前記ステップ３６の答がＹＥＳで、Ｓ＿ＱＮＯｘ≧Ｓ＿ＱＮＯｘＲＥＦのときには、リッチスパイクの実行条件が成立していると判定し、ステップ３７以降を実行する。

このステップ３７では、ＮＯｘ排出量積算値Ｓ＿ＱＮＯｘを０にリセットし、次いで、リッチタイマのタイマ値ＴＭＲＩＣＨを所定時間ＴＲＯ（例えば５ｓｅｃ）にセットする（ステップ３８）。また、リッチスパイクフラグＦ＿ＲＩＣＨを「１」にセットする（ステップ３９）とともに、リッチタイマのタイマ値ＴＭＲＩＣＨをダウンカウントし（ステップ４０）、本処理を終了する。このようにリッチスパイクフラグＦ＿ＲＩＣＨが「１」にセットされたときには、燃料噴射量ＴＯＵＴを増大させるとともに、スロットル開度ＴＨの減少により吸入空気量を減少させることによって、リッチスパイクが実行される。なお、この場合の吸入空気量の減少を、スロットル開度ＴＨの制御に代えてまたはこれとともに、過給機８の過給圧、スワール装置１３のスワールの強さや、ＥＧＲ装置１４のＥＧＲガス量の制御によって行ってもよい。

一方、前記ステップ１の答がＮＯで、リッチスパイクの実行中のときには、アクセル開度のなまし値ＡＰＡＶＥを次式（１）によって算出する（ステップ４１）。
ＡＰＡＶＥ←α・ＡＰ＋（１−α）ＡＰＡＶＥ ……（１）
ここで、αは１．０未満の所定のなまし係数である。

次いで、算出されたなまし値ＡＰＡＶＥがほぼ値０であるか否かを判別する（ステップ４２）。この答がＮＯのときには、前記ステップ３９以降を実行し、リッチスパイクを継続するとともに、タイマ値ＴＭＲＩＣＨをダウンカウントする。

一方、このステップ４２の答がＹＥＳで、なまし値ＡＰＡＶＥがほぼ値０のとき、すなわちリッチスパイクの実行中、アクセル開度ＡＰが全閉状態になるとともに、その状態が継続しているときには、エンジン３の減速運転またはアイドル運転が行われたとして、リッチスパイクの実行条件が成立していないと判定する。そして、リッチスパイクフラグＦ＿ＲＩＣＨを「０」にセットした（ステップ４３）後、本処理を終了する。

以上のように、本実施形態によれば、ＮＯｘ触媒温度ＴＬＮＣが所定の判定値ＴＬＮＣＲＥＦよりも低く（ステップ１：ＹＥＳ）、かつ排ガスの空間速度ＳＶが所定の判定値ＳＶＲＥＦよりも大きい（ステップ３：ＹＥＳ）という条件が成立したとき、すなわちリッチスパイクの実行時にＮＯｘスリップ量が増大すると想定されるときに、リーンモードを禁止する（ステップ５）。このリーンモードの禁止により、リーンモードでのＮＯｘ触媒１７によるＮＯｘの捕捉とリッチスパイクの実行を回避でき、したがって、リッチスパイクの実行時に、ＮＯｘスリップ量の増大によりＮＯｘ浄化率が低下するのを防止することができる。

また、このようにリーンモードを禁止した場合には、ストイキモードを選択し、空燃比を理論空燃比またはそれよりも若干リッチな空燃比に制御するとともに、三元触媒１６は、ＮＯｘ触媒１７よりも排気管５の上流側に配置されていて、通常、その温度がより高いので、三元触媒１６によりＮＯｘを高い浄化率で浄化でき、排ガス特性を向上させることができる。さらに、ストイキモードによる運転は上記の条件が成立する場合に限定され、それ以外ではエンジン３をリーンモードで運転するので、燃費も最大限、良好に維持でき、したがって、良好な排ガス特性と燃費の両立を図ることができる。

図１０は、本発明の第２実施形態による空燃比モードの決定処理を示している。この処理ではまず、ＮＯｘ触媒温度ＴＬＮＣに応じ、図１１に示すテーブルを検索することによって、ＮＯｘ触媒１７および三元触媒１６のＮＯｘ浄化率ＫＴＥＭＰＬＮＣ、ＫＴＥＭＰＴＷＣを求める（ステップ５１）。実線で示すＫＴＥＭＰＬＮＣテーブルは、ＮＯｘ触媒温度ＴＬＮＣと、それに応じたＮＯｘスリップを加味したＮＯｘ触媒１７のＮＯｘ浄化率ＫＴＥＭＰＬＮＣとの関係を表したものであり、このため、図４に示したテーブルと同じに設定されている。

また、点線で示すＫＴＥＭＰＴＷＣテーブルは、ＮＯｘ触媒温度ＴＬＮＣと、それに応じた三元触媒１６のＮＯｘ浄化率ＫＴＥＭＰＴＷＣとの関係を表したものである。このため、このテーブルでは、三元触媒１６のＮＯｘ浄化率ＫＴＥＭＰＴＷＣは、ＮＯｘ触媒温度ＴＬＮＣが所定値以上のときにほぼ１００％に設定され、所定値よりも低温側では緩やかに減少するように設定されていて、その結果、ＮＯｘ触媒１７のＮＯｘ浄化率ＫＴＥＭＰＬＮＣがほぼ１００％の温度範囲以外では、ＮＯｘ浄化率ＫＴＥＭＰＬＮＣよりも高くなっている。

次に、排ガスの空間速度ＳＶに応じ、図１２に示すテーブルを検索することによって、ＮＯｘ触媒１７および三元触媒１６のＮＯｘ浄化率ＫＴＥＭＰＬＮＣ、ＫＴＥＭＰＴＷＣを求める（ステップ５２）。実線で示すＫＳＶＬＮＣテーブルは、排ガスの空間速度ＳＶと、それに応じたＮＯｘスリップを加味したＮＯｘ触媒１７のＮＯｘ浄化率ＫＳＶＬＮＣとの関係を表したものであり、このため、図５に示したテーブルと同じに設定されている。

また、点線で示すＫＳＶＴＷＣテーブルは、排ガスの空間速度ＳＶと、それに応じた三元触媒１６のＮＯｘ浄化率ＫＴＥＭＰＴＷＣとの関係を表したものである。このため、このテーブルでは、三元触媒１６のＮＯｘ浄化率ＫＴＥＭＰＴＷＣは、排ガスの空間速度ＳＶが所定値以下のときにほぼ１００％に設定されるとともに、この所定値を超えると、緩やかに減少するように設定されていて、ＮＯｘ触媒１７のＮＯｘ浄化率ＫＳＶＬＮＣよりも高くなっている。

次に、上記のようにして求めたＮＯｘ触媒１７の２つのＮＯｘ浄化率の積ＫＴＥＭＰＬＮＣ・ＫＳＶＬＮＣが、三元触媒１６の２つのＮＯｘ浄化率と割引係数ＫＴＷＣの積ＫＴＥＭＰＴＷＣ・ＫＳＶＴＷＣ・ＫＴＷＣよりも大きいか否かを判別する（ステップ５３）。上記の割引係数ＫＴＷＣは、値１．０未満でそれに近い所定値（例えば０．８）に設定されている。この答がＹＥＳで、ＫＴＥＭＰＬＮＣ・ＫＳＶＬＮＣ＞ＫＴＥＭＰＴＷＣ・ＫＳＶＴＷＣ・ＫＴＷＣのときには、ＮＯｘ触媒１７の浄化性能が三元触媒１６の浄化性能よりも高いとして、リーンモードを選択し、リーンモードフラグＦ＿ＬＥＡＮを「１」にセットした（ステップ５４）後、本処理を終了する。

一方、ステップ５３の答がＮＯで、ＫＴＥＭＰＬＮＣ・ＫＳＶＬＮＣ≦ＫＴＥＭＰＴＷＣ・ＫＳＶＴＷＣ・ＫＴＷＣのときには、ＮＯｘ触媒１７の浄化性能よりも三元触媒１６の浄化性能が高いとして、リーンモードを禁止してストイキモードを選択し、リーンモードフラグＦ＿ＬＥＡＮを「０」にセットした（ステップ５５）後、本処理を終了する。

以上のように、本実施形態によれば、ＮＯｘ触媒温度ＴＬＮＣおよび排ガスの空間速度ＳＶに応じて、ＮＯｘ触媒１７のＮＯｘ浄化率ＫＴＥＭＰＬＮＣ，ＫＳＶＬＮＣと三元触媒１６のＮＯｘ浄化率ＫＴＥＭＰＴＷＣ，ＫＳＶＴＷＣを算出する（ステップ５１，５２）とともに、それらの積ＫＴＥＭＰＬＮＣ・ＫＳＶＬＮＣとＫＴＥＭＰＴＷＣ・ＫＳＶＴＷＣを比較し（ステップ５３）、その比較結果に応じて、浄化性能の高い方の空燃比モードを選択する（ステップ５４，５５）。したがって、そのときのＮＯｘ触媒温度ＴＬＮＣおよび排ガスの空間速度ＳＶに応じて、ＮＯｘ触媒１７および三元触媒１６のうちの浄化性能のより高いものでＮＯｘの浄化を行わせることができる。その結果、ＮＯｘ浄化率が高められることによって、排ガス特性を向上させることができる。

また、ステップ５３での比較の際に、三元触媒１６のＮＯｘ浄化率ＫＴＥＭＰＴＷＣ，ＫＳＶＴＷＣに割引係数ＫＴＷＣを乗算するので、ＮＯｘ触媒１７および三元触媒１６の浄化性能の差が小さいときには、リーンモードが優先される。その結果、リーンモードによるエンジン３の運転が可能な限り行われることによって、燃費を最大限、良好に維持でき、したがって、良好な排ガス特性と燃費の両立を図ることができる。

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、三元触媒１６がＮＯｘ触媒１７とは別個に排気管５の上流側に設けられているが、本発明を、三元触媒とＮＯｘ触媒を一体に構成したタイプの排ガス浄化装置に適用してもよいことはもちろんである。また、第２実施形態では、三元触媒１６の浄化率ＫＴＥＭＰＴＷＣを、ＮＯｘ触媒温度ＴＬＮＣに応じて求めているが、三元触媒１６に温度センサを別個に設け、その検出温度に応じて求めてもよい。

また、本発明は、ディーゼルエンジンに限らず、リーンバーンエンジンなどのガソリンエンジンにも適用することができる。さらに、本発明は、車両に搭載されたエンジンに限らず、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。

本発明を適用した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。 排ガス浄化装置の一部を示す図である。 空燃比モードの決定処理を示すフローチャートである。 図３の処理で用いられる判定値ＴＬＮＣＲＥＦの決定方法を説明する図である。 図３の処理で用いられる判定値ＳＶＲＥＦの決定方法を説明する図である。 燃料噴射量の制御処理を示すフローチャートである。 吸入空気量の制御処理を示すフローチャートである。 リッチスパイクの制御処理を示すフローチャートである。 図８の処理で用いられるＳ＿ＱＮＯｘＲＥＦテーブルである。 第２実施形態による空燃比モードの決定処理を示すフローチャートである。 図１０の処理で用いられるＫＴＥＭＰＬＮＣ，ＫＴＥＭＰＴＷＣテーブルである。 図１０の処理で用いられるＫＳＶＬＮＣ，ＫＳＶＴＷＣテーブルである。

符号の説明

１ 排ガス浄化装置
２ ＥＣＵ（空燃比制御手段、ＮＯｘ還元手段、負荷検出手段、リーンモード禁止
手段、空燃比モード切替手段、ＮＯｘ捕捉材浄化性能推定手段、
三元触媒浄化性能推定、空燃比モード選択手段）
３ エンジン
５ 排気管（排気系）
６ インジェクタ（空燃比制御手段、ＮＯｘ還元手段、空燃比モード切替手段）
１２ スロットル弁（空燃比制御手段、ＮＯｘ還元手段、空燃比モード切替手段）
１６ 三元触媒
１７ ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ捕捉材）
３０ クランク角センサ（負荷検出手段）
３１ エアフローセンサ（負荷検出手段）
３６ ＮＯｘ触媒温度センサ（温度検出手段）
ＳＶ 排ガスの空間速度（内燃機関の負荷）
ＴＬＮＣＲＥＦ 判定値（所定の温度）
ＳＶＲＥＦ 判定値（所定の負荷）
ＴＬＮＣ ＮＯｘ触媒温度（ＮＯｘ捕捉材の温度）

Claims (1)

1. 内燃機関から排気系に排出された排ガスを浄化する内燃機関の排ガス浄化装置であって、
   前記内燃機関で燃焼される混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンな空燃比に制御するリーンモードと、当該リーンモードよりもリッチな空燃比に制御する非リーンモードに切り替える空燃比モード切替手段と、
   前記排気系に設けられ、排ガス中のＮＯｘを捕捉するＮＯｘ捕捉材と、
   排ガスを還元状態に制御することにより、前記ＮＯｘ捕捉材に捕捉されたＮＯｘを還元するＮＯｘ還元手段と、
   前記排気系に設けられ、排ガスを浄化する三元触媒と、
   前記ＮＯｘ捕捉材および前記三元触媒の少なくとも一方の温度を検出する温度検出手段と、
   前記内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段と、
   前記検出された温度および内燃機関の負荷に応じて、前記内燃機関を前記リーンモードで運転したときの前記ＮＯｘ捕捉材の浄化性能を推定するＮＯｘ捕捉材浄化性能推定手段と、
   前記検出された温度および内燃機関の負荷に応じて、前記内燃機関を前記非リーンモードで運転したときの前記三元触媒の浄化性能を推定する三元触媒浄化性能推定手段と、
   前記推定された前記ＮＯｘ捕捉材の浄化性能と前記三元触媒の浄化性能との比較結果に応じて、前記リーンモードおよび前記非リーンモードの一方を選択する空燃比モード選択手段と、
   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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