JP4526831B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に排気中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化装置を備えるものに関する。

ＮＯｘを吸収するＮＯｘ吸収剤を排気通路内に備えた内燃機関の排気浄化装置が、特許文献１に示されている。この装置によれば、ＮＯｘ吸収剤に吸収されているＮＯｘ量が推定され、該推定されたＮＯｘ量が許容量を超えたときに、空燃比がリッチ化される。これにより、ＮＯｘ吸収剤に流入する還元成分（ＨＣ、ＣＯ）の量が増加し、ＮＯｘ吸収剤からＮＯｘが放出されて還元される。これは、ＮＯｘ吸収剤に吸収されたＮＯｘが増えると、排気浄化装置のＮＯｘ浄化性能が低下することから、吸収されたＮＯｘ量が許容量を超えたときに、空燃比をリッチ化してＮＯｘ吸収剤に吸収されたＮＯｘを放出させて還元し、排気浄化装置のＮＯｘ浄化性能が回復するようにしたものである。

特許第２５８６７３９号公報

空燃比をリッチ化すると、排気中の還元剤（ＨＣ、ＣＯ）濃度が高くなり、排気浄化装置内でアンモニアが生成されるので、このアンモニアを保持する能力を有し、空燃比リッチ化運転中に保持したアンモニアにより、リーンバーン運転中にＮＯｘを還元することができる排気浄化装置が開発されつつある。しかしながら、上記特許文献１に示された装置では、リーンバーン運転中におけるアンモニアによるＮＯｘの還元及びリッチ化運転中のアンモニア保持量は考慮されていない。したがって、特許文献１に示されたＮＯｘ量推定手法を、アンモニア保持能力を有する排気浄化装置にそのまま適用すると、適切な時期に空燃比リッチ化が行われず、燃費の悪化を招くおそれがある。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、排気中の還元剤濃度を高めることにより生成されるアンモニアを、排気中の還元剤濃度が低いリーンバーン運転時にＮＯｘの還元に利用しつつ、排気中の還元剤濃度の切換を適切な時期に行うことができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関（１）の排気中の酸素濃度が還元剤濃度より高い状態において前記排気中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化手段（１１）が、排気系（４）に設けられた内燃機関（１）の排気浄化装置において、前記ＮＯｘ浄化手段（１１）は、流入する排気中の酸素濃度が還元剤濃度より高いときに排気中のＮＯｘを吸着し、流入する排気中の還元剤濃度が酸素濃度より高いときに、吸着したＮＯｘからアンモニアを生成するとともに、該生成したアンモニアを保持し、前記流入する排気中の還元剤濃度が酸素濃度より低いときに、前記保持したアンモニアによりＮＯｘを浄化する単一のＮＯｘ浄化装置であって、触媒として作用する白金と、ＮＯｘ吸着能力を有するセリアと、排気中のアンモニアをアンモニウムイオンとして保持する機能を有するゼオライトとを備えるものであり、前記ＮＯｘ浄化手段（１１）に保持されたアンモニアの残存量（ΣＮＨ３）を推定する残存量推定手段（２０、Ｓ１３〜Ｓ１５、Ｓ１８、Ｓ２２〜Ｓ２４、Ｓ２６）と、該残存量推定手段（２０、Ｓ１３〜Ｓ１５、Ｓ１８、Ｓ２２〜Ｓ２４、Ｓ２６）により推定された残存量（ΣＮＨ３）に応じて、前記ＮＯｘ浄化手段（１１）に流入する排気中の還元剤濃度を、酸素濃度より低い側から高い側へ、または高い側から低い側へ切り換える排気制御手段（１２、１３、２０、Ｓ１９、Ｓ２０、Ｓ２７、Ｓ２８）とを備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関（１）の排気浄化装置において、前記残存量推定手段（２０、Ｓ１３〜Ｓ１５、Ｓ１８、Ｓ２２〜Ｓ２４、Ｓ２６）は、前記アンモニアの残存量を前記ＮＯｘ浄化手段（１１）の温度に応じて推定することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、ＮＯｘ浄化手段が保持するアンモニアの残存量が推定され、該推定された残存量に応じて、ＮＯｘ浄化手段へ流入する排気中の還元剤濃度が、酸素濃度より低い側から高い側へ、または高い側から低い側へ切り換えられる。リーンバーン運転時のように還元剤濃度が酸素濃度より低いときのＮＯｘ浄化性能は、アンモニアの残存量に応じて変化するので、アンモニアの残存量に応じて、還元剤濃度を酸素濃度より低い側から高い側に切り換えることにより、良好なＮＯｘ浄化性能を維持することができる。また、アンモニアの残存量に応じて、還元剤濃度を酸素濃度より高い側から低い側に切り換えることにより、アンモニア生成量がＮＯｘ浄化手段のアンモニア保持能力を超える事態を回避することができる。

請求項２に記載の発明によれば、アンモニアの残存量がＮＯｘ浄化手段の温度に応じて推定されるので、ＮＯｘ浄化手段の温度に依存して変化するアンモニアの生成量や消費量を考慮して、アンモニアの残存量を適切に推定することができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる内燃機関（以下「エンジン」という）及びその排気浄化装置の全体構成を示す図である。エンジン１は、シリンダ内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒に燃料噴射弁１２が設けられている。燃料噴射弁１２は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）２０に電気的に接続されており、燃料噴射弁１２の開弁時期及び開弁時間は、ＥＣＵ２０により制御される。

エンジン１は、吸気管２、排気管４、及びターボチャージャ８を備えている。ターボチャージャ８は、排気の運動エネルギにより駆動されるタービン１０と、タービン１０により回転駆動され、吸気の圧縮を行うコンプレッサ９とを備えている。

タービン１０は、複数の可変ベーン（図示せず）を備えており、可変ベーンのの開度（以下「ベーン開度」という）を変化させることにより、タービン回転数（回転速度）を変更できるように構成されている。タービン１０のベーン開度は、ＥＣＵ２０により電磁的に制御される。より具体的には、ＥＣＵ２０は、デューティ比可変の制御信号をタービン１０に供給し、これによってベーン開度を制御する。ベーン開度を増加させると、タービン１０の効率が向上し、タービン回転数は増加する。その結果、過給圧が増加する。

吸気管２内の、コンプレッサ９の下流には吸入空気量を制御するスロットル弁１３が設けられている。吸気管２は、スロットル弁１３の下流側において各気筒に対応して分岐し、分岐した吸気管２のそれぞれは、２つの吸気ポート２Ａ、２Ｂに分岐する。なお、図１には１つの気筒に対応する構成のみが示される。

エンジン１の各気筒には、２つの吸気弁（図示せず）及び２つの排気弁（図示せず）が設けられている。２つの吸気弁により開閉される吸気口（図示せず）は吸気ポート２Ａ、２Ｂのそれぞれに接続されている。
また、吸気ポート２Ｂ内には、当該吸気ポート２Ｂを介して吸入される空気量を制限してエンジン１の燃焼室にスワールを発生させるスワール制御弁（以下「ＳＣＶ」という）１４が設けられている。スロットル弁１３及びＳＣＶ１４は、電動モータや油圧アクチュエータによって駆動されるバタフライ弁であり、それらの弁開度はＥＣＵ２０により制御される。

排気管４と吸気ポート２Ｂとの間には、排気を吸気ポート２Ｂに還流する排気還流通路５が設けられている。排気還流通路５には、排気還流量を制御するための排気還流制御弁（以下「ＥＧＲ弁」という）６が設けられている。ＥＧＲ弁６は、ソレノイドを有する電磁弁であり、その弁開度はＥＣＵ２０により制御される。ＥＧＲ弁６には、その弁開度（弁リフト量）ＬＡＣＴを検出するリフトセンサ７が設けられており、その検出信号はＥＣＵ２０に供給される。排気還流通路５及びＥＧＲ弁６より、排気還流機構が構成される。ＥＧＲ弁６は、デューティ比可変の制御信号により、弁リフト量ＬＡＣＴが、エンジン運転状態に応じて設定されるリフト量指令値ＬＣＭＤと一致するように制御される。

吸気管２には、吸入空気量ＧＡを検出する吸入空気量センサ２１と、コンプレッサ９の下流側の過給圧ＰＣＨを検出する過給圧センサ２２とが取り付けられており、これらの検出信号はＥＣＵ２０に供給される。
排気管４の、タービン１０の下流側には、比例型空燃比センサ（以下「ＬＡＦセンサ」という）２３が設けられ、ＬＡＦセンサ２３の下流側には、ＮＯｘ浄化装置１１が設けられている。ＬＡＦセンサ２３は排気中の酸素濃度（空燃比）にほぼ比例した検出信号をＥＣＵ２０に供給する。

ＮＯｘ浄化装置１１は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）担体に担持された、触媒として作用する白金（Ｐｔ）と、ＮＯｘ吸着能力を有するセリアと、排気中のアンモニア（ＮＨ₃）を、アンモニウムイオン（ＮＨ₄ ⁺）として、保持する機能を有するゼオライトとを備えている。ＮＯｘ浄化装置１１には、ＮＯｘ浄化装置１１の触媒の温度ＴＣＡＴを検出する触媒温度センサ２４が設けられており、その検出信号がＥＣＵ２０に供給される。

ＮＯｘ浄化装置１１の吸着アンモニア量が少なくなると、ＮＯｘ浄化能力が低下するので、適時ＮＯｘを還元するために、ＮＯｘ浄化装置１１への還元剤の供給（以下「還元化」という）が行われる。この還元化では、燃料噴射弁１２から噴射される燃料量の増量とスロットル弁１３による吸入空気量の減量とによって燃焼室内の混合気の空燃比を理論空燃比よりリッチ側にすることにより、還元剤をＮＯｘ浄化装置１１に供給する。すなわち、空燃比をリッチ化することにより、ＮＯｘ浄化装置１１へ流入する排気中の還元剤濃度が、酸素濃度より高くなり、還元化が実行される。

エンジン１により駆動される車両のアクセルペダル（図示せず）の操作量（以下「アクセルペダル操作量」という）ＡＰを検出するアクセルセンサ２５及びエンジン１のクランク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位置センサ２６が設けられている。これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ２０に供給される。

クランク角度位置センサ２６は、エンジン１の特定の気筒の所定クランク角度位置でパルス（以下「ＣＹＬパルス」という）を出力する気筒判別センサ、各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で（４気筒エンジンではクランク角１８０度毎に）ＴＤＣパルスを出力するＴＤＣセンサ及びＴＤＣパルスより短い一定クランク角周期（例えば３０度周期）でＣＲＫパルスを発生するＣＲＫセンサから成り、ＣＹＬパルス、ＴＤＣパルス及びＣＲＫパルスがＥＣＵ２０に供給される。これらの信号パルスは、燃料噴射制御及びエンジン回転数（エンジン回転速度）ＮＥの検出に使用される。

ＥＣＵ２０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、燃料噴射弁１２、ＥＧＲ弁６、タービン１０、スロットル弁１３、ＳＣＶ１４などに制御信号を供給する出力回路等から構成される。

図２は、ＮＯｘ浄化装置１１におけるＮＯｘ浄化を説明するための図である。先ず初期状態において、エンジン１で燃焼する混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定し、いわゆるリーンバーン運転を行うと、ＮＯｘ浄化装置１１へ流入する排気中の還元剤濃度が、酸素濃度より低くなる。その結果、図２（ａ）に示すように、排気中のＮＯ（一酸化窒素）と酸素（Ｏ₂）とが、触媒の作用で反応し、ＮＯ₂として、セリアに吸着される。また酸素と反応していない一酸化窒素も、セリアに吸着される。

次に排気中の還元剤濃度を酸素濃度より高くする還元化を実行すると、排気中の一酸化炭素（ＣＯ）が水（Ｈ₂Ｏ）と反応して、二酸化炭素（ＣＯ₂）と水素（Ｈ₂）が生成され、また排気中の炭化水素（ＨＣ）が水と反応して、一酸化炭素及び二酸化炭素とともに、水素が生成される。さらに図２（ｂ）に示すように、排気中に含まれるＮＯｘ、及びセリア（及び白金）に吸着されているＮＯｘ（ＮＯ，ＮＯ₂）と、生成された水素とが触媒の作用で反応し、アンモニア（ＮＨ₃）及び水が生成される。これを化学反応式で示すと、下記式（１）〜（３）のようになる。
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂ （１）
２ＮＯ₂＋７Ｈ₂→２ＮＨ₃＋４Ｈ₂Ｏ （２）
２ＮＯ＋５Ｈ₂→２ＮＨ₃＋２Ｈ₂Ｏ （３）
生成されたアンモニアは、アンモニウムイオン（ＮＨ₄ ⁺）の形で、ゼオライトに吸着される。

次に空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定するリーンバーン運転を行い、ＮＯｘ浄化装置１１へ流入する排気中の還元剤濃度を、酸素濃度より低い側に設定すると、図２（ｃ）に示すように、図２（ａ）と同様にセリアにＮＯｘが吸着される。さらに、ゼオライトにアンモニウムイオンが吸着した状態では、下記式（４）及び（５）で示すように、排気中のＮＯｘ及び酸素と、アンモニアとが反応して、窒素（Ｎ₂）と水が生成される。
４ＮＨ₃＋４ＮＯ＋Ｏ₂→４Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ （４）
２ＮＨ₃＋ＮＯ＋ＮＯ₂→２Ｎ₂＋２Ｈ₂Ｏ （５）

このように、ＮＯｘ浄化装置１１によれば、還元剤供給中に生成されるアンモニアがゼオライトに吸着され、リーンバーン運転中に吸着されたアンモニアがＮＯｘと反応するので、ＮＯｘの浄化を効率よく行うことができる。

図３は、リーンバーン運転と還元化運転との切換制御を行う空燃比切換制御処理のフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ２０のＣＰＵで一定時間（例えば１００ミリ秒）毎に実行される。

ステップＳ１１では、リッチ化フラグＦＲＩＣＨが「１」であるか否かを判別する。リッチ化フラグＦＲＩＣＨは、還元化を実行するときに「１」に設定され（ステップＳ２８参照）、還元化を終了してリーンバーン運転に移行するときに「０」に設定される（ステップＳ２０参照）。ＦＲＩＣＨ＝１であるときは、図示しない処理により、燃料噴射量を増加するとともに、スロットル弁１３の弁開度を調整して吸入空気量を減量することにより、空燃比をリッチ化して還元化を実行する。

ステップＳ１３では、エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰに応じて、図６（ａ）に示すＮＨ３ＢＰマップ及び図６（ｂ）に示すＮＯｘＢＭマップを検索し、アンモニア基本生成量ＮＨ３ＢＰ及びＮＯｘ基本減算量ＮＯｘＢＭを算出する。アンモニア基本生成量ＮＨ３ＢＰは、基準の触媒温度において単位時間の間にゼオライトに吸着されるアンモニア量であり、ＮＯｘ基本減算量ＮＯｘＢＭは、基準の触媒温度において単位時間の間に還元されるＮＯｘ量である。 ＮＨ３ＢＰマップは、エンジン回転数ＮＥが増加するほど、またアクセルペダル操作量ＡＰが増加するほど、アンモニア基本生成量ＮＨ３ＢＰが増加するように設定される。またＮＯｘＢＭマップも、エンジン回転数ＮＥが増加するほど、またアクセルペダル操作量ＡＰが増加するほど、ＮＯｘ基本減算量ＮＯｘＢＭが増加するように設定される。

ステップＳ１４では、触媒温度ＴＣＡＴに応じて、図７（ａ）に示すＫＮＨ３Ｐテーブル及び図７（ｂ）に示すＫＮＯｘＭテーブルを検索し、アンモニア生成温度補正係数ＫＮＨ３Ｐ及びＮＯｘ減算温度補正係数ＫＮＯｘＭを算出する。
ＫＮＨ３Ｐテーブルは、触媒温度ＴＣＡＴが上昇するほど、アンモニア生成温度補正係数ＫＮＨ３Ｐが増加するように設定される。またＫＮＯｘＭテーブルも、触媒温度ＴＣＡＴが上昇するほど、ＮＯｘ減算温度補正係数ＫＮＯｘＭが増加するように設定される。

続くステップＳ１５では、下記式（６）により、アンモニア基本生成量ＮＨ３ＢＰに、アンモニア生成温度補正係数ＫＮＨ３Ｐを乗じてアンモニア生成量ＮＨ３Ｐを算出するとともに、下記式（７）により、ＮＯｘ基本減算量ＮＯｘＢＭに、ＮＯｘ減算温度補正係数ＫＮＯｘＭを乗じてＮＯｘ減算量ＮＯｘＭを算出する。
ＮＨ３Ｐ＝ＫＮＨ３Ｐ×ＮＨ３ＢＰ （６）
ＮＯｘＭ＝ＫＮＯｘＭ×ＮＯｘＢＭ （７）

アンモニア基本生成量ＮＨ３ＢＰ及びＮＯｘ基本減算量ＮＯｘＢＭを、アンモニア生成温度補正係数ＫＮＨ３Ｐ及びＮＯｘ減算温度補正係数ＫＮＯｘＭで補正するのは、単位時間当たりのアンモニア生成量及びＮＯｘ還元量が、触媒温度ＴＣＡＴに依存して変化するからである。したがって、上述した補正により、アンモニア生成量ＮＨ３Ｐ及びＮＯｘ減算量ＮＯｘＭを適切に算出することができる。
なお、還元化を実行するとき、空燃比が小さくなる（排気中の還元剤濃度が高くなる）ほど、単位時間当たりのアンモニア生成量は増えるので、空燃比が小さくなるほど、増加するように設定される他の補正係数ＫＮＨ３ＡＦを導入し、アンモニア生成温度補正係数ＫＮＨ３Ｐとともに、アンモニア基本生成量ＮＨ３ＢＰに乗算することにより、アンモニア生成量ＮＨ３Ｐを算出するようにしてもよい。

ステップＳ１６では、下記式（８）によりＮＯｘ残存量ΣＮＯｘを算出する。ＮＯｘ残存量ΣＮＯｘは、ＮＯｘ浄化装置１１内のセリアに吸着されたＮＯｘ量である。算出されたＮＯｘ残存量ΣＮＯｘが０より小さいときには、ＮＯｘ残存量ΣＮＯｘを０に設定するリミット処理を実行する。
ΣＮＯｘ＝ΣＮＯｘ−ＮＯｘＭ （８）
ここで右辺のΣＮＯｘは、前回算出値である。

ステップＳ１７では、ＮＯｘ残存量ΣＮＯｘが０か否かを判別する。ＮＯｘ残存量ΣＮＯｘが０であるときは、還元化を終了すべく、直ちにステップＳ２０に進み、リッチ化フラグＦＲＩＣＨを「０」に設定し、本処理を終了する。ＮＯｘ残存量ΣＮＯｘが０でないときは、下記式（９）によりアンモニア残存量ΣＮＨ３を算出する（ステップＳ１８）。アンモニア残存量ΣＮＨ３は、ＮＯｘ浄化装置１１内のゼオライトに吸着されているアンモニアの残存量である。
ΣＮＨ３＝ΣＮＨ３＋ＮＨ３Ｐ （９）
ここで右辺のΣＮＨ３は、前回算出値である。

ステップＳ１９では、アンモニア残存量ΣＮＨ３が上限アンモニア閾値ＮＨ３ＴＨＨより大きいか否かを判別する。上限アンモニア閾値ＮＨ３ＴＨＨは、ＮＯｘ浄化装置１１内のゼオライトに吸着可能な最大アンモニア量に近い所定値に設定される。アンモニア残存量ΣＮＨ３が上限アンモニア閾値ＮＨ３ＴＨＨより大きいときは、還元化を終了すべく、ステップＳ２０に進み、リッチ化フラグＦＲＩＣＨを「０」に設定し、本処理を終了する。アンモニア残存量ΣＮＨ３が上限アンモニア閾値ＮＨ３ＴＨＨ以下であるときは、直ちに本処理を終了する。

ステップＳ１１で、ＦＲＩＣＨ＝０であるときは、ステップＳ２２に進んで、エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰに応じて、図８（ａ）に示すＮＨ３ＢＣマップ及び図８（ｂ）に示すＮＯｘＢＡマップを検索し、アンモニア基本消費量ＮＨ３ＢＣ及びＮＯｘ基本加算量ＮＯｘＢＡを算出する。アンモニア基本消費量ＮＨ３ＢＣは、基準の触媒温度において単位時間の間に消費される（ＮＯｘの還元に使用される）アンモニア量であり、ＮＯｘ基本加算量ＮＯｘＢＡは、基準の触媒温度において単位時間の間にセリアに吸着されるＮＯｘ量である。
ＮＨ３ＢＣマップは、エンジン回転数ＮＥが増加するほど、またアクセルペダル操作量ＡＰが増加するほど、アンモニア基本消費量ＮＨ３ＢＣが増加するように設定される。またＮＯｘＢＡマップも、エンジン回転数ＮＥが増加するほど、またアクセルペダル操作量ＡＰが増加するほど、ＮＯｘ基本加算量ＮＯｘＢＡが増加するように設定される。

ステップＳ２３では、触媒温度ＴＣＡＴに応じて図９（ａ）に示すＫＮＨ３Ｃテーブル及び図９（ｂ）に示すＫＮＯｘＡテーブルを検索し、アンモニア消費温度補正係数ＫＮＨ３Ｃ及びＮＯｘ加算温度補正係数ＫＮＯｘＡを算出する。
ＫＮＨ３Ｃテーブルは、触媒温度ＴＣＡＴが上昇するほど、アンモニア消費温度補正係数ＫＮＨ３Ｃが増加するように設定される。またＫＮＯｘＭテーブルも、触媒温度ＴＣＡＴが上昇するほど、ＮＯｘ加算温度補正係数ＫＮＯｘＡが増加するように設定される。

続くステップＳ２４では、下記式（１０）により、アンモニア基本消費量ＮＨ３ＢＣに、アンモニア消費温度補正係数ＫＮＨ３Ｃを乗じてアンモニア消費量ＮＨ３Ｃを算出するとともに、下記式（１１）により、ＮＯｘ基本加算量ＮＯｘＢＡに、ＮＯｘ加算温度補正係数ＫＮＯｘＡを乗じてＮＯｘ加算量ＮＯｘＡを算出する。
ＮＨ３Ｃ＝ＫＮＨ３Ｃ×ＮＨ３ＢＣ （１０）
ＮＯｘＡ＝ＫＮＯｘＡ×ＮＯｘＢＡ （１１）

アンモニア基本消費量ＮＨ３ＢＣ及びＮＯｘ基本加算量ＮＯｘＢＡを、アンモニア消費温度補正係数ＫＮＨ３Ｃ及びＮＯｘ加算温度補正係数ＫＮＯｘＡで補正するのは、単位時間当たりのアンモニア消費量及びＮＯｘ吸着量が、触媒温度ＴＣＡＴに依存して変化するからである。したがって、上述した補正により、アンモニア消費量ＮＨ３Ｃ及びＮＯｘ加算量ＮＯｘＡを適切に算出することができる。
なお、リーンバーン運転を実行するとき、排気還流量が減少するほど、単位時間当たりのＮＯｘ発生量は増えるので、排気還流量が減少するほど、増加する他の補正係数ＫＮＯｘＥＧＲを導入し、ＮＯｘ加算温度補正係数ＫＮＯｘＡとともに、ＮＯｘ基本加算量ＮＯｘＢＡに乗算することにより、ＮＯｘ加算量ＮＯｘＡを算出するようにしてもよい。

ステップＳ２５では、下記式（１２）によりＮＯｘ残存量ΣＮＯｘを算出する。
ΣＮＯｘ＝ΣＮＯｘ＋ＮＯｘＡ （１２）
ここで右辺のΣＮＯｘは、前回算出値である。
ステップＳ２６では、下記式（１３）によりアンモニア残存量ΣＮＨ３を算出する。
ΣＮＨ３＝ΣＮＨ３−ＮＨ３Ｃ （１３）
ここで右辺のΣＮＨ３は、前回算出値である。

ステップＳ２７では、アンモニア残存量ΣＮＨ３が下限アンモニア閾値ＮＨ３ＴＨＬより小さいか否かを判別する。下限アンモニア閾値ＮＨ３ＴＨＬは、「０」に近い所定値に設定される。アンモニア残存量ΣＮＨ３が下限アンモニア閾値ＮＨ３ＴＨＬより小さいときは、還元化を実行すべく、ステップＳ２８に進み、リッチ化フラグＦＲＩＣＨを「１」に設定し、本処理を終了する。アンモニア残存量ΣＮＨ３が下限アンモニア閾値ＮＨ３ＴＨＬ以上であるときは、直ちに本処理を終了する。

図３の処理によれば、リーンバーン運転中において、アンモニア残存量ΣＮＨ３が下限アンモニア閾値ＮＨ３ＴＨＬを下回ったときは、リッチ化フラグＦＲＩＣＨが「１」に設定され、還元化が開始される。一方、還元化実行中において、アンモニア残存量ΣＮＨ３が、上限アンモニア閾値ＮＨ３ＴＨＨを越えたときは、リッチ化フラグＦＲＩＣＨが「０」に設定され、リッチ化運転（還元化運転）からリーンバーン運転に移行する。すなわち、アンモニア残存量ΣＮＨ３に応じて、ＮＯｘ浄化装置１１へ流入する排気中の還元剤濃度が、酸素濃度より低い側から高い側へ、または高い側から低い側へ切り換えられる。
リーンバーン運転時におけるＮＯｘ浄化装置１１のＮＯｘ浄化性能は、アンモニア残存量ΣＮＨ３に応じて変化するので、アンモニア残存量ΣＮＨ３に応じてリーンバーン運転から還元化運転に切り換えることにより、適切な時期に還元化運転を開始して良好なＮＯｘ浄化性能を維持することができる。また、アンモニア残存量ΣＮＨ３に応じて還元化運転からリーンバーン運転に切り換えることにより、アンモニア生成量がＮＯｘ浄化装置１１のアンモニア保持能力を超える事態を回避することができる。

図４は、図３の処理を説明するためのタイムチャートであり、図４のラインＬ１〜Ｌ３は、アンモニア残存量ΣＮＨ３の推移を示す。
時刻ｔ１より前の期間では、リッチ化フラグＦＲＩＣＨが「０」に設定されて、リーンバーン運転が行われている。すなわち、ＮＯｘ浄化装置１１へ流入する排気中の還元剤濃度が、酸素濃度より低く設定されており、ゼオライトに吸着されたアンモニアが排気中のＮＯｘ及び酸素と反応するため、アンモニア残存量ΣＮＨ３は、ラインＬ１で示すように減少する。時刻ｔ１において、アンモニア残存量ΣＮＨ３が、下限アンモニア閾値ＮＨ３ＴＨＬを下回ると、リッチ化フラグＦＲＩＣＨが「１」に設定され（ステップＳ２８）、ＮＯｘ浄化装置１１へ流入する排気中の還元剤濃度が、酸素濃度より低い側から高い側へ切り換えられる。すなわち、還元化が実行される。

ＮＯｘ浄化装置１１へ流入する排気中の還元剤濃度が、酸素濃度より高く設定されているときは、アンモニアが生成され、ゼオライトに吸着されるため、アンモニア残存量ΣＮＨ３はラインＬ２で示すように増加する。時刻ｔ２において、アンモニア残存量ΣＮＨ３が上限アンモニア閾値ＮＨ３ＴＨＨを越えると、リッチ化フラグＦＲＩＣＨが「０」に設定され（ステップＳ２０）、ＮＯｘ浄化装置１１へ流入する排気中の還元剤濃度が、酸素濃度より高い側から低い側へ切り換えられる。すなわち、還元化が終了し、リーンバーン運転に移行する。その後、アンモニア残存量ΣＮＨ３はラインＬ３で示すように再び減少する。

上述した実施形態では、ＮＯｘ浄化装置１１がＮＯｘ浄化手段に相当し、燃料噴射弁１２及びスロットル弁１３が排気制御手段の一部を構成し、ＥＣＵ２０が残存量推定手段及び排気制御手段の一部を構成する。具体的には、図３のステップＳ１３〜Ｓ１５、Ｓ１８、Ｓ２２〜Ｓ２４及びＳ２６が残存量推定手段に相当し、図３のステップＳ１９、Ｓ２０、Ｓ２７及びＳ２８が排気制御手段に相当する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、ＮＯｘ浄化装置１１へ流入する排気中の還元剤濃度の酸素濃度より低い側から高い側への切換は、アンモニア残存量ΣＮＨ３のみに応じて行うようにしたが、図５に示すように、排気中の還元剤濃度の酸素濃度より低い側から高い側への切換を、アンモニア残存量ΣＮＨ３だけでなく、ＮＯｘ残存量ΣＮＯｘにも応じて行うようにしてもよい。

図５は、図３の処理に、ステップＳ２５ａを加えたものである。ステップＳ２５ａでは、ＮＯｘ残存量ΣＮＯｘが上限ＮＯｘ閾値ＮＯｘＴＨＨより大きいか否かを判別する。上限ＮＯｘ閾値ＮＯｘＴＨＨは、ＮＯｘ浄化装置１１内のセリア（及び白金）に吸着可能な最大ＮＯｘ量に近い所定値に設定される。ＮＯｘ残存量ΣＮＯｘが上限ＮＯｘ閾値ＮＯｘＴＨＨより大きいときは、還元化を実行すべく、ステップＳ２８に進み、リッチ化フラグＦＲＩＣＨを「１」に設定し、本処理を終了する。ＮＯｘ残存量ΣＮＯｘが上限ＮＯｘ閾値ＮＯｘＴＨＨ以下であるときは、ステップＳ２６に進む。

また、上述した実施形態では、ＮＯｘ浄化装置１１へ流入する排気中の還元剤濃度の酸素濃度より高い側から低い側への切換、及び低い側から高い側への切換のいずれも、アンモニア残存量ΣＮＨ３に応じて行うようにしたが、排気中の還元剤濃度の酸素濃度より高い側から低い側への切換及び低い側から高い側への切換のいずれか一方のみをアンモニア残存量ΣＮＨ３に応じて行うようにしてもよい。その場合には、アンモニア残存量ΣＮＨ３を用いない方の切換は、ＮＯｘ残存量ΣＮＨ３に応じて行う（ステップＳ１７、Ｓ２５ａ参照）。
さらに、上述した実施形態では、排気中の還元剤濃度の酸素濃度より高い側から低い側への切換を、アンモニア残存量ΣＮＨ３だけでなく、ＮＯｘ残存量ΣＮＯｘにも応じて行うようにしたが、アンモニア残存量ΣＮＨ３のみに応じて行うようにしてもよい。

上述した実施形態では、アンモニア基本生成量ＮＨ３ＢＰ、ＮＯｘ基本減算量ＮＯｘＢＭ、アンモニア基本消費量ＮＨ３ＢＣ及びＮＯｘ基本加算量ＮＯｘＢＡは、エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰに応じて算出されるが、これらのパラメータは、ＬＡＦセンサ２３により検出される空燃比と、吸入空気量センサ２１により検出される吸入空気量ＧＡとに応じて、算出するようにしてもよい。
また、上述した実施形態では、アンモニア基本生成量ＮＨ３ＢＰをアンモニア生成温度補正係数ＫＮＨ３Ｐによって補正するようにしたが、さらに、ＮＯｘ残存量ΣＮＯｘに応じて補正するようにしてもよい。

上述した実施形態では、燃料噴射弁１２により、１気筒当たり１回の主噴射を行う場合において、その主噴射の燃料噴射量ＴＯＵＴを増量して、還元化を行うようにしたが、主噴射に加えてポスト噴射（主噴射の後に実行される補助的な燃料噴射）を実行して、還元化を行うようにしてもよい。また、排気管４内に燃料、水素、アンモニアといった還元剤を直接供給する機構を、還元剤供給手段として設け、この還元剤供給手段により、還元化を行うようにしてもよい。
また、上述した実施形態では、ＮＯｘ吸着剤としてセリアを用いたが、セリア以外のＮＯｘを吸蔵・吸着する物質を用いてもよい。

また上述した実施形態では、本発明をディーゼル内燃機関に適用した例を示したが、ガソリン内燃機関にも適用可能である。さらに本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの空燃比制御にも適用が可能である。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその排気浄化装置の全体構成を示す図である。 図１に示すＮＯｘ浄化装置を説明するための図である。 リーンバーン運転と還元化運転との切換制御を行う空燃比切換制御処理のフローチャートである。 図３の処理を説明するためのタイムチャートである。 図３の処理の変形例を示すフローチャートである。 図３の処理で使用されるアンモニア基本生成量ＮＨ３ＢＰ及びＮＯｘ基本減算量ＮＯｘＢＭが設定されたマップを示す図である。 図３の処理で使用されるアンモニア生成温度補正係数ＫＮＨ３Ｐ及びＮＯｘ減算温度補正係数ＫＮＯｘＭが設定されたテーブルを示す図である。 図３の処理で使用されるアンモニア基本消費量ＮＨ３ＢＣ及びＮＯｘ基本加算量ＮＯｘＢＡが設定されたマップを示す図である。 図３の処理で使用されるアンモニア消費温度補正係数ＫＮＨ３Ｃ及びＮＯｘ加算温度補正係数ＫＮＯｘＡが設定されたテーブルを示す図である。

符号の説明

１ エンジン（内燃機関）
２ 吸気管
４ 排気管
１１ ＮＯｘ浄化装置（ＮＯｘ浄化手段）
１２ 燃料噴射弁（排気制御手段）
１３ スロットル弁（排気制御手段）
２０ 電子制御ユニット（残存量推定手段、排気制御手段）
２３ 触媒温度センサ

Claims (2)

1. 内燃機関の排気中の酸素濃度が還元剤濃度より高い状態において前記排気中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化手段が、排気系に設けられた内燃機関の排気浄化装置において、
   前記ＮＯｘ浄化手段は、流入する排気中の酸素濃度が還元剤濃度より高いときに排気中のＮＯｘを吸着し、流入する排気中の還元剤濃度が酸素濃度より高いときに、吸着したＮＯｘからアンモニアを生成するとともに、該生成したアンモニアを保持し、前記流入する排気中の還元剤濃度が酸素濃度より低いときに、前記保持したアンモニアによりＮＯｘを浄化する単一のＮＯｘ浄化装置であって、触媒として作用する白金と、ＮＯｘ吸着能力を有するセリアと、排気中のアンモニアをアンモニウムイオンとして保持する機能を有するゼオライトとを備えるものであり、
   前記ＮＯｘ浄化手段に保持されたアンモニアの残存量を推定する残存量推定手段と、
   該残存量推定手段により推定された残存量に応じて、前記ＮＯｘ浄化手段に流入する排気中の還元剤濃度を、酸素濃度より低い側から高い側へ、または高い側から低い側へ切り換える排気制御手段とを備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記残存量推定手段は、前記アンモニアの残存量を前記ＮＯｘ浄化手段の温度に応じて推定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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