JP6773422B2 - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化システムに関する。より詳しくは、排気中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒と排気中の粒子状物質を捕集するフィルタとを組み合わせた内燃機関の排気浄化システムに関する。

従来より、ＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒と粒子状物質（以下、「ＰＭ（パティキュレートマター）」ともいう）を捕集するフィルタとを、内燃機関の排気通路に沿って直列に設けることにより、内燃機関の排気に含まれるＮＯｘとＰＭとの両方を浄化する内燃機関の排気浄化システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

フィルタにおけるＰＭの捕集量が大きくなると、フィルタの前後での圧損が増加してしまい、燃費が悪化するおそれがある。このため、フィルタにある程度の量のＰＭが捕集されると、高温かつ酸化雰囲気の排気をフィルタへ供給することによって、フィルタに捕集されたＰＭを燃焼除去するフィルタ再生運転が行われる。

一方、ＮＯｘ触媒は、排気中のＮＯｘを浄化することを主な機能としているが、燃料やオイルに含まれていたＳＯｘを捕捉する機能も有する。ＮＯｘ触媒に捕捉されているＳＯｘの量が多くなると、ＮＯｘ浄化性能が低下するおそれがある。このため、ＮＯｘ触媒にある程度の量のＳＯｘが捕捉されると、上記フィルタ再生運転と同程度に高温かつ還元雰囲気の排気をＮＯｘ触媒へ供給することによって、ＮＯｘ触媒に捕捉されたＳＯｘを脱離除去し、ＮＯｘ触媒の機能を回復させるＮＯｘ触媒再生運転（以下、「ＤｅＳＯｘ運転」ともいう）が行われる。以上のように、フィルタとＮＯｘ触媒とを組み合わせた排気浄化システムでは、各々の本来の機能を発揮できる状態に維持すべく、フィルタ再生運転とＤｅＳＯｘ運転との両方を適切なタイミングで実行する必要がある。

特許文献１の排気浄化システムでは、フィルタの再生とＮＯｘ触媒の再生との両方が必要と判断された場合には、排気の温度を上昇させるフィルタ再生運転を開始するとともに、ＮＯｘ触媒に流入する排気を還元雰囲気にするＤｅＳＯｘ運転をパルス的に繰り返し行う。上述のようにＮＯｘ触媒に捕捉されたＳＯｘを脱離するためには還元雰囲気にしかつ排気を高温にしなければならない。特許文献１の排気浄化システムによれば、フィルタ再生運転を行うことによってフィルタとともにＮＯｘ触媒も昇温できる。したがって、フィルタを昇温するためのエネルギーを利用してＮＯｘ触媒を昇温できるので、フィルタ再生運転とＤｅＳＯｘ運転とをそれぞれ別々のタイミングで実行した場合と比較して、フィルタ及びＮＯｘ触媒の再生による燃費の悪化を抑制できる。

特開２００５−１５５３７４号公報

ところで、特許文献１の排気浄化システムのようにフィルタ再生運転とＤｅＳＯｘ運転とを交互に実行すると、フィルタには高温かつ酸化雰囲気の排気と高温かつ還元雰囲気の排気とが交互に供給される。また、還元雰囲気の排気をフィルタに供給すると、排気中の未燃ＨＣの一部がフィルタに堆積したＰＭに付着する。このため、ＤｅＳＯｘ運転からフィルタ再生運転に切り替えた直後には、ＰＭに未燃ＨＣが付着した状態のフィルタに高温かつ酸素を多く含んだ排気が供給されるため、短期間で多くのＰＭが燃焼してしまい、フィルタの温度が急激に上昇するおそれがある。

本発明は、フィルタとＮＯｘ触媒とを組み合わせて排気を浄化する内燃機関の排気浄化システムであって、フィルタ及びＮＯｘ触媒の再生を効率的に行いつつフィルタの過昇温を抑制できるものを提供することを目的とする。

（１）内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の排気浄化システム（例えば、後述の排気浄化システム２）は、前記内燃機関の排気通路（例えば、後述の排気管１１）に設けられ、排気中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒（例えば、後述の触媒コンバータ３１のＮＳＣ）と、前記排気通路に設けられ、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタ（例えば、後述のフィルタ３２）と、前記フィルタにおける粒子状物質の捕集量を取得する捕集量取得手段（例えば、後述の差圧センサ３４及びＥＣＵ７等）と、前記フィルタに高温かつ酸化雰囲気の排気を供給することで当該フィルタに堆積した粒子状物質を燃焼除去するフィルタ再生運転（例えば、後述の図５のＳ２３のフィルタ再生運転）と、前記ＮＯｘ触媒に高温かつ還元雰囲気の排気を供給することで当該ＮＯｘ触媒におけるＳＯｘを脱離するＮＯｘ触媒再生運転（例えば、後述の図５のＳ２４のＤｅＳＯｘ運転）と、を交互に実行する再生制御手段（例えば、後述のＥＣＵ７）と、を備える。前記再生制御手段は、前回のＮＯｘ触媒再生運転が終了してから所定の最低インターバル時間が経過した後に前記フィルタ再生運転から前記ＮＯｘ触媒再生運転に切り替えるとともに、前記捕集量が多いほど、前記ＮＯｘ触媒再生運転の実行時間を短くするか、前記ＮＯｘ触媒再生運転の実行時に前記ＮＯｘ触媒に供給する排気の空燃比をストイキよりリッチ側で大きくするか、又は前記実行時間を短くしかつ前記ＮＯｘ触媒に供給する排気の空燃比をストイキよりリッチ側で大きくすることを特徴とする。

なお本発明で排気の空燃比とは、排気中のＨＣやＣＯ等の還元成分に対する酸素の比をいう。なお以下では、空燃比との用語の代わりに、この空燃比を理論空燃比で除して得られる空気過剰率との用語を用いる場合もある。また本発明で酸化雰囲気とは、フィルタ又はＮＯｘ触媒における排気中の酸素濃度が上記還元成分の濃度に対して相対的に高い状態をいい、具体的には、例えば内燃機関における燃焼空燃比をストイキよりリーンにすることによって実現される。また本発明で還元雰囲気とは、フィルタ又はＮＯｘ触媒における排気中の酸素濃度が上記還元成分の濃度に対して相対的に低い状態をいう。この還元雰囲気は、具体的には、例えばアフター噴射等を行うことによって燃焼空燃比をストイキよりリッチにすることによって実現される。

（２）この場合、前記再生制御手段は、前記ＮＯｘ触媒再生運転の開始時における前記捕集量が多いほど当該ＮＯｘ触媒再生運転の実行時間を短くし、前記ＮＯｘ触媒再生運転の開始時における前記捕集量が少ないほど当該ＮＯｘ触媒再生運転の実行時間を長くすることが好ましい。

（３）この場合、前記再生制御手段は、前記ＮＯｘ触媒再生運転の開始時における前記捕集量が多いほど当該ＮＯｘ触媒再生運転の実行時に前記ＮＯｘ触媒に供給する排気の空燃比をストイキよりリッチ側で大きくし、前記ＮＯｘ触媒再生運転の開始時における前記捕集量が少ないほど当該ＮＯｘ触媒再生運転の実行時に前記ＮＯｘ触媒に供給する排気の空燃比をストイキよりリッチ側で小さくすることが好ましい。

（１）本発明では、フィルタ再生運転とＮＯｘ触媒再生運転とを交互に実行することにより（以下では、これを「交互再生運転」ともいう）、ＮＯｘ触媒再生運転ではフィルタ再生運転においてフィルタを昇温するためのエネルギーを利用してＮＯｘ触媒を昇温できるので、これらを別々のタイミングで実行した場合と比較してフィルタ及びＮＯｘ触媒の再生を効率的に実行できる。ところでＮＯｘ触媒再生運転からフィルタ再生運転への切り換え時における粒子状物質の燃焼に起因するフィルタの温度上昇幅、すなわち上記運転切り換え時におけるフィルタの過昇温の生じやすさは、ＮＯｘ触媒再生運転の実行時におけるフィルタの粒子状物質の堆積量によって変化する。本発明では、このようにフィルタの過昇温の生じやすさと相関がある粒子状物質の堆積量に応じてＮＯｘ触媒再生運転の実行時間及びＮＯｘ触媒再生運転時の排気の空燃比の少なくとも何れかを変更する。これにより、交互再生運転を実行する過程において、上記運転の切り換え時におけるフィルタの過昇温が生じないようにその時の粒子状物質の堆積量に応じて設定した実行時間及び／又は空燃比の下でＮＯｘ触媒再生運転を実行することができる。したがって本発明によれば、フィルタ及びＮＯｘ触媒の再生を効率的に行いつつ、ＮＯｘ触媒再生運転からフィルタ再生運転への切り換え時に発生しやすいフィルタの過昇温を抑制できる。

（２）ＮＯｘ触媒再生運転の実行時間を短くするほど、ＮＯｘ触媒から脱離させることができるＳＯｘの量は少なくなるが、フィルタに堆積する粒子状物質に付着する未燃ＨＣの量は減少するので、ＮＯｘ触媒再生運転からフィルタ再生運転への切り換え時におけるフィルタの温度上昇幅が小さくなる。一方、粒子状物質の捕集量が多いほど、ＮＯｘ触媒再生運転からフィルタ再生運転への切り換え時におけるフィルタの温度上昇幅は大きくなる。本発明では、ＮＯｘ触媒再生運転の開始時における粒子状物質の捕集量が多いほどＮＯｘ触媒再生運転の実行時間を短くする。これにより、例えば交互再生運転を開始してから間もない再生初期であってフィルタに多くの量の粒子状物質が堆積した状態であっても、すなわちＮＯｘ触媒再生運転からフィルタ再生運転への切り換え時に粒子状物質の急速燃焼に起因するフィルタの過昇温が生じ易い状態であっても、フィルタの過昇温が生じないように短く設定された実行時間の下でＮＯｘ触媒再生運転を実行することができる。また本発明では、ＮＯｘ触媒再生運転の開始時における粒子状物質の捕集量が少ないほどＮＯｘ触媒再生運転の実行時間を長くする。これにより、例えば交互再生運転を開始してから十分な時間が経過した後であってフィルタに堆積していた粒子状物質の除去が上記再生初期よりも進んでいる状態には、すなわちＮＯｘ触媒再生運転からフィルタ再生運転への切り換え時に粒子状物質の急速燃焼に起因するフィルタの過昇温が生じにくい状態には、速やかにＳＯｘが脱離するように長く設定された実行時間の下でＮＯｘ触媒再生運転を実行することができる。換言すれば、フィルタに堆積した粒子状物質の除去が進むほどＮＯｘ触媒再生運転の実行時間を長くする。これにより、フィルタの過昇温を抑制しながら、ＮＯｘ触媒に捕捉されているＳＯｘを速やかに脱離させることができるので、その分だけ交互再生運転を実行する期間（以下、「交互再生運転期間」ともいう）を短くでき、ひいては交互再生運転の実行に必要な燃料の消費を抑制できる。

（３）ＮＯｘ触媒に供給する排気の空燃比を大きくするほど、ＮＯｘ触媒から脱離させることができるＳＯｘの量は少なくなるが、フィルタに堆積する粒子状物質に付着する未燃ＨＣの量は減少するので、ＮＯｘ触媒再生運転からフィルタ再生運転への切り換え時におけるフィルタの温度上昇幅が小さくなる。一方、粒子状物質の捕集量が多いほど、ＮＯｘ触媒再生運転からフィルタ再生運転への切り換え時におけるフィルタの温度上昇幅は大きくなる。本発明では、ＮＯｘ触媒再生運転の開始時における粒子状物質の捕集量が多いほどＮＯｘ触媒再生運転の実行時にＮＯｘ触媒に供給する排気の空燃比をストイキよりリッチ側で大きくする。これにより、例えば交互再生運転を開始してから間もない再生初期であってフィルタに多くの量の粒子状物質が堆積した状態であっても、すなわちＮＯｘ触媒再生運転からフィルタ再生運転への切り換え時に粒子状物質の急速燃焼に起因するフィルタの過昇温が生じ易い状態であっても、フィルタの過昇温が生じないように浅く設定された空燃比の下でＮＯｘ触媒再生運転を実行することができる。また本発明では、ＮＯｘ触媒再生運転の開始時における粒子状物質の捕集量が少ないほどＮＯｘ触媒再生運転の実行時にＮＯｘ触媒に供給する排気の空燃比をストイキよりリッチ側で小さくする。これにより、例えば交互再生運転を開始してから十分な時間が経過した後であってフィルタに堆積していた粒子状物質の除去が上記再生初期よりも進んでいる状態には、すなわちＮＯｘ触媒再生運転からフィルタ再生運転への切り換え時に粒子状物質の急速燃焼に起因するフィルタの過昇温が生じにくい状態には、速やかにＳＯｘが脱離するように深く設定された空燃比の下でＮＯｘ触媒再生運転を実行することができる。換言すれば、フィルタに堆積した粒子状物質の除去が進むほどＮＯｘ触媒再生運転の実行時における空燃比を深くする。これにより、フィルタの過昇温を抑制しながら、ＮＯｘ触媒に捕捉されているＳＯｘを速やかに脱離させることができるので、その分だけ交互再生運転期間を短くでき、ひいては交互再生運転に必要な燃料の消費を抑制できる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化システムの構成を示す図である。 フィルタの過昇温テストの結果を示す図である。 ＤｅＳＯｘ運転時における空燃比がＳＯｘ脱離量に及ぼす影響を示す図である。 交互再生運転を実行するタイミングを決定するフローチャートである。 交互再生運転の具体的な手順を示すフローチャートである。 上記実施形態の排気浄化システムにおける交互再生運転の一例を示すタイムチャートである。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る内燃機関（以下、「エンジン」という）１及びその排気浄化システム２の構成を示す図である。排気浄化システム２は、エンジン１の排気ポートから延びる排気管１１に設けられた触媒浄化装置３と、エンジン１及び触媒浄化装置３を制御する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）７と、を備える。

エンジン１は、燃焼空燃比をストイキよりもリーンとする所謂リーン燃焼を基本とするもの、より具体的には例えばディーゼルエンジンやリーンバーンガソリンエンジン等を言うが、これに限るものではない。エンジン１には、各シリンダに燃料を噴射する燃料噴射弁１７が設けられている。この燃料噴射弁１７を駆動するアクチュエータは、ＥＣＵ７からの制御信号に応じて電磁的に接続されている。ＥＣＵ７は、図示しない燃料噴射制御の下で燃料噴射弁１７からの燃料噴射量や燃料噴射時期を決定し、これが実現されるように燃料噴射弁１７を駆動する。

触媒浄化装置３は、それぞれ排気管１１に設けられた触媒コンバータ３１と、フィルタ３２と、フィルタ前温度センサ３３と、差圧センサ３４と、空燃比センサ３５と、を備える。

触媒コンバータ３１は、フロースルー型のハニカム構造体を基材として、この基材にＮＯｘ吸蔵還元型触媒（以下では、「ＮＳＣ」との略称を用いる）を担持して構成される。ＮＳＣは、酸化雰囲気下では排気中のＮＯｘを吸蔵し、還元雰囲気下では吸蔵しているＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ浄化機能と、酸化雰囲気下では排気中のＨＣ、ＣＯ、及び後述のポスト噴射によって供給された未燃燃料等を燃焼する酸化機能と、を備える。ＮＳＣで吸蔵できるＮＯｘの量には上限がある。またＮＳＣのＮＯｘ吸蔵量が増加すると、ＮＳＣによるＮＯｘ浄化性能が低下する。このためＥＣＵ７は、ＮＳＣに還元雰囲気の排気を供給することによってＮＳＣに吸蔵されているＮＯｘを還元浄化するＤｅＮＯｘ運転を所定のタイミングで実行し、ＮＳＣのＮＯｘ浄化性能を高く維持する。

ＮＳＣは、エンジン１の燃料やオイルに含まれていたＳＯｘを捕捉する機能も有しており、またＳＯｘ捕捉量が増加すると、ＮＳＣによるＮＯｘ浄化性能が低下する。そこでＥＣＵ７は、ＮＳＣに高温かつ還元雰囲気の排気を供給することによってＮＳＣに捕捉されているＳＯｘの脱離を促進するＤｅＳＯｘ運転を所定のタイミングで実行し、ＮＳＣのＮＯｘ浄化性能を高く維持する。このＤｅＳＯｘ運転の具体的な手順や実行タイミング等については、後に図２〜図６等を参照しながら詳細に説明する。

フィルタ３２は、排気管１１のうち触媒コンバータ３１の下流側に設けられる。フィルタ３２は、多孔質壁で区画形成された複数のセルを有するウォールフロー型のハニカム構造体と、各セルに対し上流側と下流側とで互い違いに設けられた目封じと、を備える。エンジン１から排出された排気に含まれるスート及びＳＯＦ等のＰＭは、フィルタ３２の多孔質壁の細孔を通過する過程で捕集される。フィルタ３２に過剰な量のＰＭが堆積すると、フィルタ３２の前後の圧力降下が増加し、これによってエンジン１における燃料噴射量が増加し、結果として燃費が悪化するおそれがある。そこでＥＣＵ７は、フィルタ３２に高温かつ酸化雰囲気の排気を供給することによってフィルタ３２に堆積したＰＭの燃焼除去を促進するフィルタ再生運転を所定のタイミングで実行し、フィルタ３２には過剰な量のＰＭが堆積しないようにする。このフィルタ再生運転の具体的な手順や実行タイミング等については、後に図２〜図６等を参照しながら詳細に説明する。

フィルタ前温度センサ３３は、排気管１１のうちフィルタ３２の上流側に設けられる。フィルタ前温度センサ３３は、フィルタ３２に流入する排気の温度を検出し、検出値に応じた信号をＥＣＵ７に送信する。ＥＣＵ７では、フィルタ前温度センサ３３の出力信号に基づいて、フィルタ３２の温度（以下、単に「フィルタ温度」ともいう）を算出する。

差圧センサ３４は、フィルタ３２の前後で発生する差圧（圧力降下）を検出し、検出値に応じた信号をＥＣＵ７に送信する。ＥＣＵ７では、差圧センサ３４の出力信号に基づいて、フィルタ３２のＰＭ堆積量を算出する。

空燃比センサ３５は、例えば排気管１１のうち触媒コンバータ３１の上流側に設けられる。空燃比センサ３５は、触媒コンバータ３１に流入する排気の空燃比を検出し、検出値に応じた信号をＥＣＵ７に送信する。

ＥＣＵ７は、センサの検出信号をＡ／Ｄ変換するＩ／Ｏインターフェース、後述の図４及び図５等に示すフローチャートに沿った処理を実行するＣＰＵ、この処理の下で決定した態様で各種デバイスを駆動する駆動回路、及び後述の目標リッチ時間決定テーブルや目標リッチ空燃比決定テーブル等の各種データを記憶するＲＡＭやＲＯＭ等で構成されるマイクロコンピュータである。

以下では、本実施形態におけるフィルタ再生運転及びＤｅＳＯｘ運転の具体的な手順について説明する。先ず、フィルタ再生運転ではフィルタ３２の温度をＰＭが燃焼する程度まで昇温する必要があり、ＤｅＳＯｘ運転ではＮＳＣの温度をＳＯｘが脱離する程度まで昇温する必要がある。またフィルタ３２におけるＰＭの燃焼温度とＮＳＣにおけるＳＯｘの脱離温度とはほぼ同じ温度領域内にある。このため、フィルタ３２やＮＳＣの昇温にかかる燃料の消費を最小限にするためには、フィルタ再生運転とＤｅＳＯｘ運転とを同じ時期に交互に行うことが合理的である。以下では、フィルタ再生運転とＤｅＳＯｘ運転との交互の実行を、フィルタとＮＳＣの交互再生運転ともいう。

しかしながらこのような交互再生運転を行った場合、以下のような課題がある。先ずＤｅＳＯｘ運転では、還元雰囲気の排気を所定時間にわたってＮＳＣに供給し続ける必要がある。したがってフィルタ３２にＰＭが堆積している状態でＤｅＳＯｘ運転を行うと、ＰＭには排気中の未燃ＨＣの一部が付着する。このため、ＤｅＳＯｘ運転を行った後にフィルタ再生運転を行うと、フィルタには高温かつ酸素を多く含んだ酸化雰囲気の排気が流入するので、ＤｅＳＯｘ運転を行っている間に付着した未燃ＨＣとともに多量のＰＭが短時間で急速に燃焼し、フィルタの温度が急激に上昇する場合がある。このようなフィルタの過昇温を防止するため、従来の排気浄化システムでは、交互再生運転を行う場合、最初にフィルタ再生運転を長く行い、フィルタに堆積したＰＭをフィルタの過昇温が発生しない程度にまで減らした後でなければ１回目のＤｅＳＯｘ運転を開始できないようにする場合があり、この場合ＮＳＣから十分な量のＳＯｘを脱離させるまでに時間がかかる、という課題があった。

図２は、このようなＤｅＳＯｘ運転からフィルタ再生運転への切り換え時におけるＰＭの急速燃焼を模したフィルタの過昇温テストの結果を示す図である。この過昇温テストでは、フィルタに所定量のＰＭが堆積した状態で所定時間にわたりＤｅＳＯｘ運転中の排気を模した高温かつ還元雰囲気の排気をフィルタに供給し続けた後、フィルタ再生運転中の排気を模した高温かつ酸化雰囲気の排気をフィルタに供給し、この際におけるフィルタの最高温度を測定した。図２の横軸は、テスト開始時にフィルタに堆積していたＰＭの量［ｇ］である。図２の縦軸は、ＤｅＳＯｘ運転からフィルタ再生運転に切り換えた後のフィルタの最高温度［℃］である。なお図２には、ＤｅＳＯｘ運転の実行時間のみを変えて同じ過昇温テストを行った場合に得られた結果を、線種を変えて示す。より具体的には、ＤｅＳＯｘ運転の実行時間を長くした方の結果を実線（実行時間ａ［ｓ］）で示し、実行時間を短くした方の結果を破線（実行時間ｂ［ｓ］）で示す。また、図２には、フィルタが過昇温によって破損するのを防止するために定められるフィルタの上限温度を一点鎖線で示す。

図２に示すように、テスト開始時におけるＰＭ堆積量が多くなるほどフィルタの最高温度は上昇する。これは、ＤｅＳＯｘ運転の実行時にフィルタに多くの量のＰＭが堆積しているほど、より多くのＰＭに排気中の未燃ＨＣが付着するためであり、ＤｅＳＯｘ運転からフィルタ再生運転に切り換えた際により多くのＰＭが急速燃焼するためであると考えられる。

またＤｅＳＯｘ運転の実行時間を長くしてもフィルタの最高温度は上昇する。これは、ＤｅＳＯｘ運転の実行時間を長くするほど、ＰＭに付着する未燃ＨＣの量が増加し、ＤｅＳＯｘ運転からフィルタ再生運転に切り換えた際により多くのＰＭが急速燃焼するためであると考えられる。なお、詳細な図示は省略するが、ＤｅＳＯｘ運転の実行時にフィルタに流入する排気の空燃比を小さくすると（すなわち、リッチ側へ深くすると）、ＰＭに付着する未燃ＨＣの量が増加するため、定性的にはＤｅＳＯｘ運転の実行時間を長くした場合と同じ傾向を示す。

以上のように、ＤｅＳＯｘ運転からフィルタ再生運転への切り換え時におけるフィルタの最高温度は、ＤｅＳＯｘ運転を開始する際におけるＰＭ堆積量だけでなく、ＤｅＳＯｘ運転の実行時間やＤｅＳＯｘ運転の実行時における空燃比等とも相関がある。図２の過昇温テストの結果から、ＤｅＳＯｘ運転を開始する際におけるＰＭ堆積量に応じてＤｅＳＯｘ運転の実行時間や空燃比を変化させることによって、ＤｅＳＯｘ運転からフィルタ再生運転に切り換えた際のフィルタの最高温度が上限温度を超えないようにしながら、ＤｅＳＯｘ運転を早期に実行できることが導かれる。換言すれば、ＤｅＳＯｘ運転の実行時間を例えばａ［ｓ］で固定した場合、フィルタの最高温度が上限温度を超えないようにするには、ＰＭ堆積量が図２中α［ｇ］まで除去された後でなければＤｅＳＯｘ運転を開始できないが、ＤｅＳＯｘ運転の実行時間をｂ［ｓ］まで短くすれば、ＰＭ堆積量がより多いβ［ｇ］であっても早期にＤｅＳＯｘ運転を実行できることが導かれる。またＤｅＳＯｘ運転における空燃比を変化させても同様のことが言える。

次に、ＤｅＳＯｘ運転時におけるＳＯｘの脱離量と空燃比との関係について説明する。
図３は、ＤｅＳＯｘ運転時における空燃比がＳＯｘ脱離量に及ぼす影響を示す図である。図３の縦軸は単位時間当りのＳＯｘ脱離量［ｇ／ｓｅｃ］である。図３の横軸はＳＯｘ捕捉量、すなわちＮＳＣに捕捉されているＳＯｘの単位体積当りの量［ｇ／Ｌ］である。また図３には、ＤｅＳＯｘ運転時の空燃比をストイキよりリッチ側で変化させた時に得られる結果を、線種を変えて示す。図３では、実線、破線、一点鎖線の順でＤｅＳＯｘ運転時の空燃比をリッチ側へ深くした。

図３に示すように、ＤｅＳＯｘ運転時にＮＳＣに供給する排気の空燃比をリッチ側へ深くするほどより多くの量のＳＯｘを脱離させることができ、ＮＳＣに捕捉されているＳＯｘの量を減らすことができる。したがって、ＮＳＣに捕捉されているＳＯｘをできるだけ多くかつ速やかに脱離させるには、ＤｅＳＯｘ運転時にＮＳＣに供給する排気の空燃比はできるだけリッチにすることが好ましいと言える。

図４は、交互再生運転を実行するタイミングを決定するフローチャートである。より具体的には、図４は、交互再生運転を実行するタイミングを規定する交互再生フラグ及びＤｅＳＯｘ許可フラグの値を更新する手順を示すフローチャートであり、ＥＣＵにおいて所定の周期で繰り返し実行される。ここで交互再生フラグとは、フィルタ再生運転及びＤｅＳＯｘ運転のうち少なくともフィルタ再生運転の実行が許可された状態であることを明示するフラグである。またＤｅＳＯｘ許可フラグは、ＤｅＳＯｘ運転の実行が許可された状態であることを明示するフラグである。ＥＣＵでは、後に図５を参照して説明するように、交互再生フラグのみが１にセットされている場合にはフィルタ再生運転を行い、交互再生フラグ及びＤｅＳＯｘ許可フラグの両方が１にセットされている場合にはＤｅＳＯｘ運転を行う。

始めにＳ１では、ＥＣＵは、現在のフィルタのＰＭ堆積量を推定し、Ｓ２に移る。このＰＭ堆積量は、例えば差圧センサの出力を用いて直接取得することもできるし、燃料噴射量や排気温度等のエンジンの運転状態の履歴に基づいて推定することもできる。Ｓ２では、ＥＣＵは、交互再生フラグが１であるか否かを判定する。Ｓ２の判定がＮＯである場合、交互再生運転を開始する時期に達したか否かを判断すべくＳ３以降の処理を実行し、Ｓ２の判定がＹＥＳである場合、実行中の交互再生運転を終了する時期に達したか否かを判断すべくＳ１１以降の処理を実行する。

Ｓ３では、ＥＣＵは、Ｓ１で取得したＰＭ堆積量が、フィルタのＰＭ捕集能力に応じて予め設定された再生開始閾値を超えたか否かを判定する。Ｓ３の判定がＹＥＳである場合、ＥＣＵは、交互再生運転を開始する時期に達したと判断し、交互再生フラグを０から１にセットし（Ｓ４参照）、この処理を終了する。ここで交互再生フラグを１にセットすることにより、フィルタ再生運転とＤｅＳＯｘ運転の交互再生運転が開始する（後述の図５のＳ２１参照）。またＳ３の判定がＮＯである場合、交互再生フラグ及びＤｅＳＯｘ許可フラグを共に０に維持したまま、この処理を終了する。

Ｓ１１では、ＥＣＵは、フィルタに堆積していたＰＭがほぼ全て燃焼除去されたか否か、より具体的には、Ｓ１で取得したＰＭ堆積量が０より僅かに大きな値に設定された所定の再生終了閾値以下になったか否かを判定する。Ｓ１１の判定がＹＥＳである場合、ＥＣＵは、交互再生運転を終了する時期に達したと判断し、交互再生フラグを０にリセットし（Ｓ１２参照）、さらにＤｅＳＯｘ許可フラグも０にリセットし（Ｓ１３参照）、この処理を終了する。Ｓ１１の判定がＮＯである場合、すなわちフィルタに堆積したＰＭが未だ十分に除去されていない場合には、Ｓ１４に移る。

Ｓ１４では、ＥＣＵは、ＤｅＳＯｘ許可フラグが１であるか否かを判定する。Ｓ１４の判定がＮＯである場合、すなわちフィルタ再生運転の実行中である場合には、ＥＣＵは、ＤｅＳＯｘ運転を開始する時期に達したか否かを判断すべく、Ｓ１５に移る。Ｓ１４の判定がＹＥＳである場合には、ＥＣＵは、実行中のＤｅＳＯｘ運転を終了する時期に達したか否かを判断すべく、Ｓ１９に移る。

Ｓ１５では、ＥＣＵは、所定のＤｅＳＯｘ運転条件を充足しているか否かを判定する。ここでＤｅＳＯｘ運転条件とは、ＤｅＳＯｘ運転を開始するための条件を規定したものであり、例えば以下の（Ａ）〜（Ｄ）の４つの条件で構成される。

（Ａ）前回のＤｅＳＯｘ運転が終了してから所定の最低インターバル時間が経過したこと。
（Ｂ）エンジンの運転状態が、少なくともアイドル運転領域を除いた所定の領域内であること。
（Ｃ）フィルタの上流側の排気の温度が、少なくともＮＳＣのＳＯｘ脱離温度を含む所定のＤｅＳＯｘ許可温度範囲内であること。
（Ｄ）脱離すべきＳＯｘが所定量以上、ＮＳＣに捕捉されていること。

ＤｅＳＯｘ運転を長時間にわたって連続して実行すると、未燃ＨＣが累積的にＰＭに付着するため、ＤｅＳＯｘ運転からフィルタ再生運転に切り換えた際に、フィルタが過昇温に至るおそれがある。Ｓ１５の処理では、条件（Ａ）を課し、前回のＤｅＳＯｘ運転と次回のＤｅＳＯｘ運転との間に最低インターバル時間以上のフィルタ再生運転を実行する時間を確保することにより、その間に前回のＤｅＳＯｘ運転でＰＭに付着した未燃ＨＣを燃焼させることができるので、未燃ＨＣが累積的にＰＭに付着するのを防止できる。

またＤｅＳＯｘ運転からフィルタ再生運転に切り換わった際に、例えばエンジンの運転状態がアイドル状態であると、フィルタには低流量かつ高酸素濃度の排気が流入するため、フィルタが過昇温に至る可能性がさらに高くなる。そこでＳ１５の処理では、条件（Ｂ）を課すことにより、エンジンの運転状態が所定の領域内である場合にＤｅＳＯｘ運転を開始できるようにしている。また実行しようとするＤｅＳＯｘ運転において、ＮＳＣから効率的にＳＯｘを脱離させるため、Ｓ１５の処理では条件（Ｃ）や（Ｄ）をさらに課している。ＥＣＵは、上記（Ａ）〜（Ｄ）の４つの条件の全てが満たされた場合には、ＤｅＳＯｘ運転が許可されたと判断し、ＤｅＳＯｘ許可フラグを０から１にセットする（Ｓ１６参照）。

Ｓ１７では、ＥＣＵは、ＤｅＳＯｘ運転を連続して実行する時間の目標である目標リッチ時間の長さを設定し、Ｓ１８に移る。ＥＣＵは、ＰＭ堆積量とこれに応じた目標リッチ時間の長さとの関係を規定した下記に例示するような目標リッチ時間決定テーブルを格納しており、Ｓ１７では、Ｓ１で取得したＰＭ堆積量に応じてこのテーブルを検索することによって目標リッチ時間の長さを設定する。下記テーブルに例示するように、目標リッチ時間は、ＰＭ堆積量が多いほど短くなるように設定することが好ましい。これにより、図２を参照して説明したように、フィルタには比較的多くのＰＭが堆積している状態であっても早期にＤｅＳＯｘ運転を開始することができる。また目標リッチ時間は、フィルタのＰＭの燃焼が進みＰＭ堆積量が少なくなるほど長くなるように設定することが好ましい。これにより、フィルタの過昇温を防止しつつ短期間でＮＳＣに捕捉されているＳＯｘを脱離させることができる。

Ｓ１８では、ＥＣＵは、ＤｅＳＯｘ運転の実行時にＮＳＣに供給する排気の空燃比の目標である目標リッチ空燃比の大きさを設定し、この処理を終了する。ＥＣＵは、ＰＭ堆積量とこれに応じた目標リッチ空燃比の大きさとの関係を規定した下記に例示するような目標リッチ空燃比決定テーブルを格納しており、Ｓ１８では、Ｓ１で取得したＰＭ堆積量に応じてこのテーブルを検索することによって目標リッチ空燃比の大きさを設定する。下記テーブルに例示するように、目標リッチ空燃比は、ＰＭ堆積量が多いほどストイキよりリッチ側の範囲内で浅く（大きく）なるように設定することが好ましい。これにより、図２を参照して説明したように、フィルタには比較的多くのＰＭが堆積している状態であっても早期にＤｅＳＯｘ運転を開始することができる。また目標リッチ空燃比は、フィルタのＰＭの燃焼が進みＰＭ堆積量が少なくなるほど深く（小さく）なるように設定することが好ましい。これにより、フィルタの過昇温を防止しつつ短期間でＮＳＣに捕捉されているＳＯｘを脱離させることができる。

Ｓ１９では、ＥＣＵは、ＤｅＳＯｘ運転を開始してから、Ｓ１７で設定した目標リッチ時間が経過したか否かを判定する。Ｓ１９の判定がＹＥＳである場合、ＥＣＵは、ＤｅＳＯｘ運転からフィルタ再生運転に切り換えるべく、ＤｅＳＯｘ許可フラグを１から０にリセットし（Ｓ１３参照）、この処理を終了する。Ｓ１９の判定がＮＯである場合、ＥＣＵは、目標リッチ時間が経過するまでＤｅＳＯｘ運転を継続すべくＤｅＳＯｘ許可フラグを１に維持したまま、この処理を終了する。

図５は、交互再生運転の具体的な手順を示すフローチャートである。図５の処理は図４の処理で更新される交互再生フラグ及びＤｅＳＯｘ許可フラグや、図４の処理で設定される目標リッチ時間及び目標リッチ空燃比等を参照しながら、ＥＣＵにおいて所定の周期で繰り返し実行される。

Ｓ２１では、ＥＣＵは、交互再生フラグが１であるか否かを判定する。Ｓ２１の判定がＮＯである場合、ＥＣＵは、フィルタ再生運転及びＤｅＳＯｘ運転を行わずに直ちにこの処理を終了する。Ｓ２１の判定がＹＥＳである場合、ＥＣＵは、Ｓ２２に移る。

Ｓ２２では、ＥＣＵは、ＤｅＳＯｘ許可フラグが１であるか否かを判定する。Ｓ２２の判定がＮＯである場合、すなわち交互再生フラグのみ１である場合には、ＥＣＵは、フィルタにＰＭの燃焼温度より高温かつ酸化雰囲気の排気を供給することによって、フィルタに堆積したＰＭの燃焼除去を促進するフィルタ再生運転を実行する（Ｓ２３参照）。より具体的には、フィルタ再生運転では、燃焼空燃比をストイキよりリーンにするリーン制御を行うとともに、ポスト噴射を実行し、ＮＳＣの酸化機能を利用してポスト噴射で供給した未燃燃料を燃焼させることによって排気を昇温する。ポスト噴射量は、フィルタ温度がＰＭの燃焼温度に維持されるように、例えばフィルタ前温度センサの出力を用いて制御される。

Ｓ２２の判定がＹＥＳである場合、すなわち交互再生フラグ及びＤｅＳＯｘ許可フラグの両方が１である場合には、ＥＣＵは、ＮＳＣにおけるＳＯｘの脱離温度より高温かつ還元雰囲気の排気をＮＳＣに供給することによって、ＮＳＣにおけるＳＯｘの脱離を促進するＤｅＳＯｘ運転を実行する（Ｓ２４参照）。より具体的には、ＤｅＳＯｘ運転では、空燃比センサの出力を用いることによってＮＳＣに流入する排気の空燃比が図４のＳ１８で設定した目標リッチ空燃比になるように、燃焼空燃比をストイキよりリッチにするリッチ制御を行うことによって、上記のような高温かつ還元雰囲気の排気をＮＳＣに供給し、ＳＯｘを脱離させる。

図６は、図４及び図５のフローチャートによる交互再生運転の一例を示すタイムチャートである。図６の上段にはＰＭ堆積量（図６中、線６１参照）とＮＳＣの温度（図６中、線６２参照）と車速（図６中、線６３参照）とを示し、中段にはＮＳＣに流入する排気の空気過剰率λを示し、下段にはＮＳＣのＳＯｘ捕捉量を示す。また図６では、フィルタ再生運転が実行されている期間をハッチングで示し、ＤｅＳＯｘ運転が実行されている期間をグレーで示す。

始めに時刻ｔ１では、ＰＭ堆積量が再生開始閾値を超えたことに応じて、交互再生フラグが１になり（図４のＳ５，Ｓ６参照）、これにより、フィルタ再生運転とＤｅＳＯｘ運転とを交互に実行する交互再生運転が開始する（図５のＳ２１参照）。初めは、フィルタ再生運転が実行される（図５のＳ２３参照）。フィルタ再生運転では、ポスト噴射を行うことによってフィルタに高温かつ酸化雰囲気の排気を供給する。これによって、フィルタの温度が上昇し、堆積していたＰＭが徐々に燃焼除去され、ＰＭ堆積量が減少し始める。またフィルタ再生運転ではポスト噴射によって供給した未燃燃料をＮＳＣの酸化機能を利用して燃焼することによって排気の温度を上昇させるため、フィルタの温度上昇とともにＮＳＣの温度も上昇する。

時刻ｔ２では、図４のＳ１５におけるＤｅＳＯｘ運転条件が充足したと判定されることにより、ＤｅＳＯｘ許可フラグが１になり（図４のＳ１５，Ｓ１６参照）、これにより１回目のＤｅＳＯｘ運転が開始する（図５のＳ２４参照）。ＤｅＳＯｘ運転では、ＮＳＣに高温かつ還元雰囲気の排気を供給する。これによって、ＮＳＣに捕捉されていたＳＯｘが脱離し、ＳＯｘ捕捉量が減少する。図４のＳ１７で設定した目標リッチ時間にわたってＤｅＳＯｘ運転を行うとＤｅＳＯｘ許可フラグが０にリセットされ（図４のＳ１９，Ｓ１３参照）、ふたたびフィルタ再生運転が開始する。その後は図４のＳ１５のＤｅＳＯｘ運転条件が充足される度にＤｅＳＯｘ運転が実行され、これにより時刻ｔ３においてＰＭ堆積量が再生終了閾値を下回るまでフィルタ再生運転とＤｅＳＯｘ運転が交互に実行される。ここで、ＤｅＳＯｘ運転条件では最低インターバル時間を設けていることから、各ＤｅＳＯｘ運転の間隔は、少なくとも最低インターバル時間以上空けられる。

ここで本実施形態では、ＤｅＳＯｘ運転の目標リッチ時間及び目標リッチ空燃比を、ＤｅＳＯｘ運転を開始する際におけるＰＭ堆積量に応じて変化させる。このため、１回目のＤｅＳＯｘ運転時における目標リッチ時間は、それ以降に実行されるＤｅＳＯｘ運転時における目標リッチ時間よりも短く設定される（図４のＳ１７参照）。また１回目のＤｅＳＯｘ運転時における目標リッチ空燃比も、それ以降の目標リッチ空燃比よりも浅く設定される（図４のＳ１８参照）。このようにＰＭ堆積量に応じて目標リッチ時間や目標リッチ空燃比を変化させることにより、ＤｅＳＯｘ運転の目標リッチ時間や目標リッチ空燃比を固定していた従来の排気浄化システムと比較して、フィルタの過昇温を防止しつつ１回目のＤｅＳＯｘ運転（図６中、破線６４参照）を早期に開始することができる。また本実施形態では、ＰＭ堆積量の減少に応じて目標リッチ時間を長くし、目標リッチ空燃比を深くする。これにより、ＰＭ堆積量の減少（すなわち、フィルタの再生の進行）に合わせて、フィルタの過昇温を防止しつつ効率的にＳＯｘ捕捉量を減少させることができる（図６中、破線６５参照）。このため、本実施形態によれば、従来と比較して速くＳＯｘ捕捉量を減らすことができるので、その分だけ交互再生運転期間（すなわち、図６の例では、時刻ｔ１〜ｔ３）を短くでき、ひいては交互再生運転を実行することによる燃料の消費を抑制できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限らない。
例えば、上記実施形態では、ＤｅＳＯｘ運転の目標リッチ時間と目標リッチ空燃比との両方をＰＭ堆積量に応じて変更したが（図４のＳ１７，Ｓ１８参照）、本発明はこれに限らない。例えば、目標リッチ空燃比を固定しかつ目標リッチ時間のみをＰＭ堆積量に応じて変化させてもよいし、或いは目標リッチ時間を固定し目標リッチ空燃比のみをＰＭ堆積量に応じて変化させてもよい。このように、目標リッチ時間と目標リッチ空燃比の何れかのみを変化させても、ほぼ同じ効果を奏する。

１…エンジン（内燃機関）
１１…排気管（排気通路）
２…排気浄化システム
３１…触媒コンバータ（ＮＯｘ触媒）
３２…フィルタ
３４…差圧センサ（捕集量取得手段）
７…ＥＣＵ（再生制御手段）

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、排気中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒と、
   前記排気通路に設けられ、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、
   前記フィルタにおける粒子状物質の捕集量を取得する捕集量取得手段と、
   前記フィルタに高温かつ酸化雰囲気の排気を供給することで当該フィルタに堆積した粒子状物質を燃焼除去するフィルタ再生運転と、前記ＮＯｘ触媒に高温かつ還元雰囲気の排気を供給することで当該ＮＯｘ触媒におけるＳＯｘを脱離するＮＯｘ触媒再生運転と、を交互に実行する再生制御手段と、を備える内燃機関の排気浄化システムであって、
   前記再生制御手段は、前回のＮＯｘ触媒再生運転が終了してから所定の最低インターバル時間が経過した後に前記フィルタ再生運転から前記ＮＯｘ触媒再生運転に切り替えるとともに、前記捕集量が多いほど、前記ＮＯｘ触媒再生運転の実行時間を短くするか、前記ＮＯｘ触媒再生運転の実行時に前記ＮＯｘ触媒に供給する排気の空燃比をストイキよりリッチ側で大きくするか、又は前記実行時間を短くしかつ前記ＮＯｘ触媒に供給する排気の空燃比をストイキよりリッチ側で大きくすることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
2. 前記再生制御手段は、前記ＮＯｘ触媒再生運転の開始時における前記捕集量が多いほど当該ＮＯｘ触媒再生運転の実行時間を短くし、前記ＮＯｘ触媒再生運転の開始時における前記捕集量が少ないほど当該ＮＯｘ触媒再生運転の実行時間を長く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システム。
3. 前記再生制御手段は、前記ＮＯｘ触媒再生運転の開始時における前記捕集量が多いほど当該ＮＯｘ触媒再生運転の実行時に前記ＮＯｘ触媒に供給する排気の空燃比をストイキよりリッチ側で大きくし、前記ＮＯｘ触媒再生運転の開始時における前記捕集量が少ないほど当該ＮＯｘ触媒再生運転の実行時に前記ＮＯｘ触媒に供給する排気の空燃比をストイキよりリッチ側で小さくすることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化システム。