JP2004225665A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】排気中に含まれるＮＯｘを吸蔵、還元して浄化するためのＮＯｘ触媒を備える内燃機関の排気浄化装置において、該ＮＯｘ触媒のＳＯｘ被毒再生を行う場合に、ＮＯｘ触媒の排気浄化能力をより確実に回復させるとともに、排気エミッションの悪化および燃費の悪化を抑制する内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】排気に含まれるＮＯｘを吸蔵、還元して排気の浄化を行うＮＯｘ触媒を備える内燃機関の排気浄化装置において、該ＮＯｘ触媒のＳＯｘ被毒再生を行う場合に、該ＮＯｘ触媒に供給される排気の空燃比を前記ＮＯｘ触媒の下流の排気の空燃比を検出する排気空燃比検出手段による検出値が、所定の空燃比の値に対してリッチ側の値であることを検出することによって、ＳＯｘ被毒再生を終了させる。
【選択図】図３
【解決手段】排気に含まれるＮＯｘを吸蔵、還元して排気の浄化を行うＮＯｘ触媒を備える内燃機関の排気浄化装置において、該ＮＯｘ触媒のＳＯｘ被毒再生を行う場合に、該ＮＯｘ触媒に供給される排気の空燃比を前記ＮＯｘ触媒の下流の排気の空燃比を検出する排気空燃比検出手段による検出値が、所定の空燃比の値に対してリッチ側の値であることを検出することによって、ＳＯｘ被毒再生を終了させる。
【選択図】図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関から排出される排気の浄化を行う排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関、特に希薄燃焼を行う内燃機関から排出される排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化すべく吸蔵還元型のＮＯｘ触媒が開発されている。この吸蔵還元型のＮＯｘ触媒は、触媒周囲の雰囲気が高酸素濃度状態である場合は排気中に含まれるＮＯｘを触媒内へと吸蔵し、触媒周囲の雰囲気が低酸素濃度状態で且つ還元成分が存在する場合、例えば燃料の未燃成分が存在している場合等は、触媒内に吸蔵されているＮＯｘを還元することで、排気の浄化を行う触媒である。
【０００３】
ここで、吸蔵還元型のＮＯｘ触媒においては、ＮＯｘと同様に排気中に含まれる硫黄酸化物（ＳＯｘ）も吸蔵される。このＳＯｘの吸蔵量が増加するに従い、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能力が低減する問題が発生する。そこで、ＳＯｘの吸蔵量が増大したＮＯｘ触媒の温度を上昇させるとともに該触媒を還元成分が存在する雰囲気に、例えば燃料の未燃成分が存在している雰囲気に曝すことによって、ＮＯｘ触媒に吸蔵されていたＳＯｘを該触媒から離脱させ、以てＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能力を回復させる（以下、ＳＯｘ被毒再生という）必要がある。
【０００４】
ここで、ＳＯｘ被毒再生においては、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘ量を、内燃機関に供給された混合気の空燃比やＮＯｘ触媒によって排気の浄化を行った時間等から推定し、その推定されたＳＯｘ量に応じてＳＯｘ被毒再生に要する時間が決定される（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
このような場合、ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘ量は推定によって算出された値であるため、その推定ＳＯｘ量が実際にＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘ量よりも多い場合は、ＳＯｘ被毒再生によって十分にＮＯｘ触媒の浄化能力を回復させることが困難となる。一方で、先述の推定ＳＯｘ量が実際にＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘ量よりも少ない場合は、例えば還元成分である燃料が多く排出されることになり、排気の悪化や燃費の悪化が起こり得る。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−６４２２号公報
【特許文献２】
特開２００１−３７８２号公報
【特許文献３】
特開２００２−８１３１２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘを離脱させＮＯｘ触媒の浄化能力を回復すべくＳＯｘ被毒再生を行う場合、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をフィードバック制御する。このフィードバック制御においては、ＮＯｘ触媒の下流に備えられている空燃比センサによって検出される排気の空燃比をパラメータとしてフィードバック制御が行われる。
【０００８】
そこで、本発明では、排気中に含まれるＮＯｘを吸蔵、還元して浄化するためのＮＯｘ触媒を備える内燃機関において、該ＮＯｘ触媒のＳＯｘ被毒再生時に該ＮＯｘ触媒に供給される排気の空燃比をフィードバック制御する場合に、該ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘを確実に離脱させ、該ＮＯｘ触媒の確実な再生を図るとともに、排気への燃料の供給によるエミッションの悪化および燃費の悪化を抑制することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した課題を解決するために、ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘ量と関連性を有する要素に基づいてＳＯｘ被毒再生の終了判定を行うことに着目した。即ち、排気に含まれるＮＯｘを吸蔵、還元して排気の浄化を行うＮＯｘ触媒と、内燃機関の運転状態に基づいて前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘ量を推定するＳＯｘ量推定手段と、前記ＮＯｘ触媒の下流の排気の空燃比を検出する空燃比検出手段と、前記ＮＯｘ触媒に供給される排気に燃料を供給する燃料供給手段と、前記ＳＯｘ量推定手段によって推定されるＳＯｘ量が所定のＳＯｘ量を越えるときに、前記空燃比検出手段によって検出される排気の空燃比をパラメータとして、前記燃料供給手段を介して前記ＮＯｘ触媒に供給される排気の空燃比をフィードバック制御することで前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘの離脱制御を行うＳＯｘ被毒再生手段と、前記ＳＯｘ被毒再生手段によるＳＯｘの離脱制御を行う場合に前記空燃比検出手段によって検出される空燃比の値が所定の空燃比の値に対してリッチ側の値であることを検出することによって、前記ＳＯｘ被毒再生手段によるＳＯｘの離脱制御を終了させるＳＯｘ被毒再生終了手段と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
上記の内燃機関の排気浄化装置において備えられているＮＯｘ触媒は、排気中に含まれるＮＯｘを吸蔵、還元することによって排気の浄化を行うが、ＮＯｘと同様に排気中に含まれるＳＯｘも吸蔵する。ＳＯｘがＮＯｘ触媒に吸蔵されることにより、ＮＯｘ触媒における排気浄化能力が低減する。そこで、前記ＳＯｘ被毒再生手段によって、ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘをＮＯｘ触媒より離脱させ、ＮＯｘ触媒の排気浄化能力の回復を図る。
【００１１】
ここで、ＳＯｘ被毒再生手段によって行われるＳＯｘの離脱制御（ＳＯｘ被毒再生）は、例えばいわゆるリッチスパイク制御であって、ＮＯｘ触媒にリッチ側とリーン側の空燃比を有する排気を交互に供給することによって、ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘの離脱を行う制御である。この場合、排気の空燃比を先述の通りリッチ側とリーン側の空燃比とに正確に制御する必要があるため、ＮＯｘ触媒の下流に備えられた空燃比検出手段によって検出される排気の空燃比をパラメータとして、ＮＯｘ触媒に供給される排気の空燃比が先述のリッチ側とリーン側の値となるべく、前記燃料供給手段によって排気中に供給される燃料の量が調整される。その結果、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘが離脱されることとなる。
【００１２】
ここで、上記のＳＯｘ被毒再生において用いられる空燃比検出手段としては、空燃比センサが挙げられる。この空燃比センサは、センサ部分が主にジルコニア等の固体電解質で構成され、該固体電解質の内部を酸素イオンが移動することによって該固体電解質に発生する電位差を、該固体電解質表面に設けられた電極によって感知することで検出される酸素濃度を基に空燃比を検出するセンサである。具体的には、ジルコニア型酸素センサ等が挙げられる。しかし、該空燃比センサは該固体電解質表面上を多孔質部材からなる拡散抵抗層で覆われていること等に依り、空燃比センサがセンシングする雰囲気（排気）中に含まれる炭化水素の分子量や水素分子の濃度によっては、該空燃比センサによって検出される空燃比の値が本来の空燃比の値から外れた値となる傾向がある。ここで本来の空燃比とは、前記燃料供給手段等によって排気に供給された燃料の量や排気流量等から算出される値である。
【００１３】
換言すると、空燃比センサは、排気中の炭化水素の分子量が大きくなると、該空燃比センサによって検出される空燃比の値が本来の空燃比の値からリーン側にずれ、水素分子の濃度が大きくなると、該空燃比センサによって検出される空燃比の値が本来の空燃比の値からリッチ側にずれる性質を備える。ここで、該空燃比センサがセンシングする排気中の炭化水素の分子量はＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘ量に依存し、具体的にはＮＯｘ触媒に吸蔵されるＳＯｘ量が増加するに従って、排気中の炭化水素の分子量は大きくなる。また該空燃比センサがセンシングする排気中の水素濃度もＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘ量に依存し、具体的にはＮＯｘ触媒に吸蔵されていたＳＯｘがほぼ離脱したときに排気中の水素濃度が増加する。
【００１４】
従って、前記ＳＯｘ被毒再生終了手段は、前記空燃比センサによって検出される空燃比の値とＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘ量との関係を利用して、ＳＯｘ被毒再生を終了させる時期を判断する。即ち、前記ＮＯｘ被毒再生手段によってＮＯｘ触媒のＳＯｘ被毒再生が行われている場合、ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘ量は次第に減少する。それによって、前記空燃比センサによって検出される空燃比が当初本来の空燃比からリーン側にずれていたものが、ＳＯｘ量の減少に従ってそのリーン側へのずれが小さくなるとともに、最終的にはリッチ側へとずれる。そこで、前記ＳＯｘ被毒再生終了手段は、この前記空燃比センサによる検出値のリッチ側へのずれを検出することで、ＮＯｘ触媒のＳＯｘ被毒再生の終了と判断するものである。
【００１５】
ここで、先述のＳＯｘ被毒再生終了手段における所定の空燃比とは、前記本来の空燃比と同義であり、前記燃料供給手段等によって排気に供給された燃料の量や排気流量等から算出される値である。前記ＳＯｘ被毒再生終了手段においては、この所定の空燃比（前記本来の空燃比）と空燃比検出手段である空燃比センサによって検出された空燃比との比較が為されることになる。
【００１６】
また、前記ＳＯｘ被毒再生終了手段による前記空燃比検出手段によって検出される空燃比の値が所定の空燃比の値に対してリッチ側の値であるか否かの判断は、前者の空燃比の値が後者の空燃比の値より小さくなったことを検出することによって行われるが、後者の空燃比の値と前者の空燃比の値の差が一定の値以上となった場合に、前記ＳＯｘ被毒再生終了手段による当該判断がされるようにしてもよい。これは、空燃比検出手段による検出値の細かな変動の影響を排除するため等の理由による。
【００１７】
これにより、ＳＯｘ被毒再生において、推定されたＳＯｘの吸蔵量に基づいてＳＯｘ被毒再生に要する時間を算出しその終了時期を判断するのではなく、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘ量に関連性を有する前記空燃比センサの検出値の変化を検知することで終了時期を判断することになるため、ＮＯｘ触媒の排気浄化能力をより確実に回復させるとともに、排気への過度の燃料供給を抑えることになるためエミッションの悪化および燃費の悪化を抑制することが可能となる。
【００１８】
ここで、先述したようにＮＯｘ触媒のＳＯｘ被毒再生の終了時期を判断する基準となるのが、前記空燃比検出手段である空燃比センサの検出値であるが、ＳＯｘ被毒再生においては、空燃比センサによって検出される空燃比に基づいてＮＯｘ触媒供給される排気の空燃比のフィードバック制御が前記燃料供給手段を介して行われる。従って、前記燃料供給手段によって排気に供給される燃料の量の変化によってＳＯｘ被毒再生の終了を検知することが可能である。
【００１９】
そこで、前記ＳＯｘ被毒再生終了手段は、前記燃料供給手段を介して排気へ供給される燃料の供給量の減少率に基づいて前記空燃比検出手段によって検出される空燃比の値が所定の空燃比の値に対してリッチ側の値であることを検出し、ＳＯｘ被毒再生を終了させる。
【００２０】
即ち、前記空燃比検出手段である空燃比センサの検出特性は、ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘ量と関連性があることは先述の通りである。ＳＯｘ被毒再生によってＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘ量が減少するにつれて、前記空燃比センサによって検出される空燃比が当初本来の空燃比からリーン側にずれていたものが、そのリーン側へのずれが小さくなるとともに、最終的にはリッチ側へとずれる。従って、ＳＯｘ被毒再生が進行するに従い燃料供給手段によって排気に供給される燃料の量は次第に減少していくが、ＮＯｘ触媒に吸蔵されていたＳＯｘがＮＯｘ触媒から離脱したとき、燃料供給手段によって排気に供給される燃料の量が急激に減少する。そこで、この燃料供給手段によって排気に供給される燃料の減少率に基づいて、ＳＯｘ被毒再生の終了時期を判断することが可能である。
【００２１】
これにより、ＳＯｘ被毒再生において、ＮＯｘ触媒の排気浄化能力を確実に回復させるとともに、排気への過度の燃料供給を抑えることになるためエミッションの悪化および燃費の悪化を抑制することが可能となる。
【００２２】
ここで、前記ＮＯｘ触媒は、該ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘ量の減少に応じて炭化水素から水素を生成する能力が増加する材料が担持されていることを特徴とすることによって、前記ＳＯｘ被毒再生終了手段によるＳＯｘ被毒再生の判断をより確実に行うことが可能となる。
【００２３】
即ち、前記ＮＯｘ触媒にＳＯｘ量の減少に応じて炭化水素から水素を生成する能力が増加する材料が担持されていることにより、ＳＯｘ被毒再生が進行するに従い前記空燃比センサによる排気の空燃比が、本来の空燃比より顕著にリッチ側にずれた値となる。その結果、ＳＯｘ被毒再生の終了時期を判断するのが容易となる。また、上記のような機能を有する材料としては、ロジウム（Ｒｈ）やジルコニア（ＺｒＯ２）が挙げられる。
【００２４】
これにより、ＳＯｘ被毒再生において、ＮＯｘ触媒の排気浄化能力を確実に回復させるとともに、排気への過度の燃料供給を抑えることになるためエミッションの悪化および燃費の悪化を抑制することが可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施例＞
ここで、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置における実施の形態について図面に基づいて説明する。図１は、本発明が適用される内燃機関およびその排気浄化装置の概略構成およびその制御系統の概略構成を示す図である。
【００２６】
内燃機関１は、各気筒２の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。各燃料噴射弁３は、燃料を所定圧に蓄圧する蓄圧室４と接続されている。前記蓄圧室４は、燃料供給管５を介して燃料ポンプ６と連通している。この燃料ポンプ６は、内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）の回転トルクを駆動源として作動するポンプであり、該燃料ポンプ６の入力軸に取り付けられたポンププーリ６ａが内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）に取り付けられたクランクプーリ１ａとベルト７を介して連結されている。このように構成された燃料噴射系では、クランクシャフトの回転トルクが燃料ポンプ６の入力軸へ伝達されると、燃料ポンプ６は、クランクシャフトから該燃料ポンプ６の入力軸へ伝達された回転トルクに応じた圧力で燃料を吐出する。
【００２７】
前記燃料ポンプ６から吐出された燃料は、燃料供給管５を介して蓄圧室４へ供給され、蓄圧室４にて所定圧に蓄圧されて各気筒２の燃料噴射弁３へ分配される。そして、燃料噴射弁３に駆動電流が印加されると、燃料噴射弁３が開弁し、その結果、燃料噴射弁３から気筒２内へ燃料が噴射される。
【００２８】
次に、内燃機関１には、吸気枝管８が接続されており、吸気枝管８の各枝管は、各気筒２の燃焼室と吸気ポート（図示省略）を介して連通している。前記吸気枝管８は吸気管９に接続されている。吸気管９には、該吸気管９内を流通する吸気の質量に対応した電気信号を出力するエアフローメータ１１が取り付けられている。前記吸気管９における吸気枝管８の直上流に位置する部位には、該吸気管９内を流通する吸気の流量を調節する吸気絞り弁１３が設けられている。この吸気絞り弁１３には、ステップモータ等で構成されて該吸気絞り弁１３を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ１４が取り付けられている。
【００２９】
ここで、エアフローメータ１１と吸気絞り弁１３との間に位置する吸気管９には、排気のエネルギーを駆動源として作動する遠心過給機（ターボチャージャ）２４のコンプレッサハウジング２４ａが設けられ、コンプレッサハウジング２４ａより下流の吸気管９には、前記コンプレッサハウジング２４ａ内で圧縮されて高温となった吸気を冷却するためのインタークーラ２５が設けられている。このように構成された吸気系では、吸気は、吸気管９を介してコンプレッサハウジング２４ａに流入する。
【００３０】
コンプレッサハウジング２４ａに流入した吸気は、該コンプレッサハウジング２４ａに内装されたコンプレッサホイールの回転によって圧縮される。前記コンプレッサハウジング２４ａ内で圧縮されて高温となった吸気は、インタークーラ２５にて冷却された後、必要に応じて吸気絞り弁１３によって流量を調節されて吸気枝管８に流入する。吸気枝管８に流入した吸気は、各枝管を介して各気筒２の燃焼室へ分配され、各気筒２の燃料噴射弁３から噴射された燃料を着火源として燃焼される。
【００３１】
一方、内燃機関１には、排気枝管１７が接続され、排気枝管１７の各枝管が排気ポート（図示省略）を介して各気筒２の燃焼室と連通している。前記排気枝管１７は、前記遠心過給機２４の排気タービンハウジング２４ｂと接続されている。前記排気タービンハウジング２４ｂは、排気管１８と接続され、この排気管１８は、下流にてマフラー（図示省略）に接続されている。
【００３２】
前記排気管１８の途中には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を担持したパティキュレートフィルタ（以下、ＮＯｘ触媒という。）２０が設けられている。ＮＯｘ触媒２０の直上流に位置する排気管１８には、ＮＯｘ触媒２０に供給される排気の温度に対応した電気信号を出力する排気温度センサ２３ａが、ＮＯｘ触媒２０の直下流に位置する排気管１８にはＮＯｘ触媒２０から排出される排気の温度に対応した電気信号を出力する排気温度センサ２３ｂが、取り付けられている。また、排気温度センサ２３ｂの近傍であって、ＮＯｘ触媒２０の直下流に位置する排気管１８には、該部位を流れる排気の空燃比を検出する排気空燃比センサ２２が取り付けられている。
【００３３】
更に、前記したＮＯｘ触媒２０の下流に位置する排気管１８には、該排気管１８内を流通する排気の流量を調節する排気絞り弁１５が設けられている。この排気絞り弁１５には、ステップモータ等で構成されて該排気絞り弁１５を開閉駆動する排気絞り用アクチュエータ１６が取り付けられている。
【００３４】
更に、遠心過給機２４の排気タービン出口の下流に位置する排気管１８上であって且つＮＯｘ触媒２０の上流に、主に排気の昇温を図るために前段触媒１９が設けられている。前段触媒１９には、酸化機能を有するＮＯｘ触媒や酸化触媒等が用いられる。またＮＯｘ触媒２０の下流に位置する排気管１８上であって且つ排気温度センサ２３ｂおよび排気空燃比センサ２２の下流に、後段触媒２１が設けられている。後段触媒２１には、酸化機能を有する酸化触媒が用いられる。
【００３５】
また、排気枝管１７には、燃料添加弁１２が設けられており、燃料添加弁１２は図示されない燃料供給管等を介して、内燃機関１に用いられる燃料の貯蔵庫（図示省略）に連通している。そこで燃料添加弁１２の開弁によって、排気枝管１７を流れる排気に燃料が添加される。
【００３６】
このように構成された排気系では、内燃機関１の各気筒２で燃焼された混合気（既燃ガス）が排気ポートを介して排気枝管１７へ排気として排出され、次いで排気枝管１７から遠心過給機２４の排気タービンハウジング２４ｂへ流入する。排気タービンハウジング２４ｂに流入した排気は、排気が持つエネルギーを利用して排気タービンハウジング２４ｂ内に回転自在に支持されたタービンホイールを回転させる。その際、タービンホイールの回転トルクは、前述したコンプレッサハウジング２４ａのコンプレッサホイールへ伝達される。
【００３７】
更に、タービンハウジング２４ｂから排出された排気は、前段触媒１９に流入する。前段触媒１９においては、排気中に含まれる未燃成分の一部や燃料添加弁１２によって排気に供給された燃料の一部を酸化することによって、排気の昇温が図られる。前段触媒１９によって昇温された排気はＮＯｘ触媒２０に供給されることで、ＮＯｘ触媒２０の床温が上昇し、活性温度となり、排気の浄化が行われる。尚、ＮＯｘ触媒２０は、排気の空燃比がリーン状態である場合は、排気中に含まれるＮＯｘを吸蔵し、排気の空燃比がリッチ状態であり且つＮＯｘ触媒２０の床温が一定の温度以上であれば、吸蔵したＮＯｘを還元して排気の浄化を行う。また、ＮＯｘ触媒２０の下流に設けられた後段触媒２１によって、まだ排気中に残留している未燃成分を酸化させることで、燃料の未燃成分の大気中への放出が抑制される。後段触媒２１を経過した排気は、必要に応じて排気絞り弁１５によって流量を調節された後にマフラーを介して大気中に放出される。
【００３８】
次に、内燃機関１の制御系等の説明を行う。ＥＣＵ３４は、デジタルコンピュータからなり、双方向性バス３０を介して相互に接続されたＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３１、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、入力ポート２８および出力ポート２９を備えている。更に、ＥＣＵ３４の外部から入力されるアナログ信号をデジタル変換して入力ポート２８へ入力するＡ／Ｄ変換器２７が入力ポート２８に接続されている。
【００３９】
このＥＣＵ３４に対して、アクセルペダルの踏み込み量に比例した電圧を出力するアクセル開度センサ２６が、ＡＤ変換器２７を介して入力ポート２８に入力している。クランクポジションセンサ１０は、例えばクランクシャフトが３０°回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート２８に入力される。ＣＰＵ３１ではクランクポジションセンサ１０の出力パルス等を基に、内燃機関１の機関回転数Ｎｅや、その機関回転数を積算することにより総機関回転角（距離）が算出される。
【００４０】
更に、排気温度センサ２３ａおよび２３ｂが、該センサが配置されている部位を流れる排気管１８中の排気の温度に応じた出力電圧を入力ポート２８に入力している。これらの信号を基に、ＣＰＵ３１がＮＯｘ触媒２０の床温を推定し、更にＮＯｘ触媒２０においてＮＯｘの浄化が可能か否か等の判断等が行われる。また、排気空燃比センサ２２が、その配置されている部位を流れる排気管１８中の排気の空燃比に応じた出力電圧を入力ポート２８に入力している。この信号を基に、ＮＯｘ触媒２０に流入する排気の空燃比のフィードバック制御が行われる。このフィードバック制御については、後に詳細に説明をする。なお、これ以外に入力ポート２８には、各種の信号が入力されているが、本実施の形態では説明上重要ではないので図示を省略している。
【００４１】
出力ポート２９は、各気筒２の燃料噴射弁３に電気的に接続され、ＥＣＵ３４は内燃機関１の運転状態に応じて各燃料噴射弁３の開弁制御を行い、燃料噴射時期制御や燃料噴射量制御を実行している。更に、出力ポート２９は、燃料添加弁１２に電気的に接続されており、ＮＯｘ触媒２０において排気の浄化を行う際に排気をリッチ状態とする必要があるとき等に、ＥＣＵ３４は燃料添加弁１２の開弁制御を行い、排気への燃料の添加を行っている。なお、これ以外に出力ポート２９には、各種の信号が入力されているが、本実施の形態では説明上重要ではないので図示を省略している。
【００４２】
ここで、排気空燃比センサ２２における排気の空燃比の検出特性について、図２に基づいて説明をする。図２は排気空燃比センサ２２による空燃比の検出特性を示す図である。図２において、横軸は排気空燃比センサ２２から直接ＥＣＵ３４に入力される電圧値より換算される空燃比の値、即ち排気空燃比センサ２２の空燃比の検出値であり、縦軸は排気空燃比センサ２２が実際に曝されている雰囲気の本来の空燃比の値である。従って、本来的には、排気空燃比センサ２２によって検出される値と本来の空燃比の値とは同一であるべきであって、その検出特性は図２中直線ＬＳ（以下、基準線ＬＳという）で表される特性を示すべきである。
【００４３】
しかし、排気空燃比センサ２２は、自己が曝されている雰囲気に含まれる燃料の分子量や水素濃度によって、ＥＣＵ３４に出力する電圧値、換言すれば検出される排気の空燃比が変動する特性を有する。これは、排気空燃比センサ２２において、電圧が発生する固体電解質の表面上部に形成される多孔質状の拡散抵抗層において、排気中の特定の分子が該拡散抵抗層を移動するのに要する時間が、その分子の分子量に依存すること等に依る。即ち、分子量が大きくなるに従い、拡散抵抗層を移動する時間が大きくなるため、分子量の小さい酸素分子は比較的短時間で拡散抵抗層を移動できるが、分子量の大きい燃料はその移動に比較的長い時間を要する。一方で酸素分子より分子量の小さい水素分子は、酸素分子より更に短い時間でその移動を達成する。
【００４４】
そこで、排気空燃比センサ２２が設けられた部位の排気中に含まれる燃料の分子量が大きくなるに従い、排気空燃比センサ２２の固体電解質表面に存在する酸素分子が結果的に多くなる。そのため排気空燃比センサ２２によって検出される空燃比の特性が、先述のＬＳで示される特性からリーン側へずれた特性となる。一方で、排気空燃比センサ２２が設けられた部位の排気における水素分子の濃度が高くなるに従い、排気空燃比センサ２２の固体電解質表面に存在する酸素分子が結果的に少なくなる。そのため排気空燃比センサ２２によって検出される空燃比の特性が、先述のＬＳで示される特性からリッチ側へずれた特性となる。
【００４５】
図２において、排気空燃比センサ２２によって検出される空燃比特性が、排気空燃比センサ２２が曝される雰囲気（排気）に含まれる燃料の分子量によって、基準線ＬＳからリーン側へずれていく様子を、曲線Ｌ１からＬ４で表している。また、排気空燃比センサ２２が曝される雰囲気（排気）の水素濃度によって、基準線ＬＳからリッチ側へずれていく様子を、曲線Ｌ０で表している。
【００４６】
ここで、本実施例においては、空燃比センサ２２が曝される排気に含まれる燃料の分子量を決定する要素として、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されているＳＯｘの量を用いる。これは、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されるＳＯｘ量が増加することによって、ＮＯｘ触媒２０による炭化水素改質能力が低下するため、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されるＳＯｘ量が増加するに従いＮＯｘ触媒２０の下流に設けられた排気空燃比センサ２２が曝される排気に含まれる燃料の分子量が大きくなることに依る。また、空燃比センサ２２が曝される排気の水素濃度を決定する要素として、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されているＳＯｘの量を、同様に用いる。これは、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されたＳＯｘが離脱することによって、ＮＯｘ触媒２０において排気に含まれる燃料を構成する炭化水素から水素が形成されることによる。
【００４７】
図２に示す曲線Ｌ０は、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されているＳＯｘ量（Ｓ）が０、即ちＳＯｘが吸蔵されていない場合であり、曲線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３およびＬ４は、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されているＳＯｘ量（Ｓ）がそれぞれ０．５、２、４および８の場合である。尚、このＳの値については相対値である。つまり、曲線Ｌ１と曲線Ｌ２で表されるＮＯｘ触媒２０の状態では、その吸蔵されているＳＯｘ量は２倍の関係にあることを意味する。このように、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されるＳＯｘ量が多くなるに従い、排気空燃比センサ２２によって検出される空燃比の値が、本来検出すべき値よりリーン側の値へとずれていくが、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されているＳＯｘが離脱することによって、排気空燃比センサ２２によって検出される空燃比の値が、本来検出すべき値よりリッチ側の値へとずれる。
【００４８】
そこで、上述の排気空燃比センサ２２の検出特性を踏まえて行われるＮＯｘ触媒２０のＳＯｘ被毒再生について、図３に基づいて説明する。図３は、ＳＯｘ被毒再生を行う際に行うＮＯｘ触媒２０に供給される排気の空燃比のフィードバック制御および該フィードバック制御の終了判断を示すフローチャートである。図３におけるＳＯｘ被毒再生制御は、ＥＣＵ３４によって実行される制御であり、ＥＣＵ３４によって本制御が実行されることは本発明におけるＳＯｘ被毒再生手段およびＳＯｘ被毒再生終了手段に相当する。
【００４９】
Ｓ１０１においては、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されたＳＯｘの量、即ちＳＯｘ被毒量が、内燃機関１の運転状態に基づいて算出される。例えば、ポジションセンサ１０によって検出される内燃機関１の総機関回転角の積算値と対応させた値をＥＣＵ３４が算出する。この際、燃料噴射弁３によって、各気筒２内に噴射された燃料の量を考慮してもよい。Ｓ１０１の処理が終了すると、Ｓ１０２へ進む。
【００５０】
Ｓ１０２では、ＳＯｘ被毒再生を行うべきか否かの判断が行われる。例えば、Ｓ１０１において算出されたＮＯｘ触媒２０に吸蔵されたＳＯｘ量が所定の値を越えるか否かに従い、ＳＯｘ被毒再生が必要か否かを判断する。ここで、吸蔵されたＳＯｘ量の所定の値とは、ＮＯｘ触媒２０の排気浄化特性を回復すべきとする判断値であり、この値はＮＯｘ触媒２０の大きさ等により、予め実験などによって決定される。Ｓ１０２でＳＯｘ被毒再生の必要がないと判断された場合は、Ｓ１１０へ進み、本制御を終了する。また、Ｓ１０２でＳＯｘ被毒再生の必要があると判断された場合は、Ｓ１０３へ進み、以降、ＳＯｘ被毒再生の処理を行う。
【００５１】
Ｓ１０３では、ＳＯｘ被毒再生が開始され、その後Ｓ１０４へ進み、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されたＳＯｘの放出を行う。具体的には、Ｓ１０４では、ＮＯｘ触媒２０の床温を上昇させ且つＮＯｘ触媒２０に還元剤としての燃料を供給すべく、燃料添加弁１２から排気へ燃料の添加が行われ、ＮＯｘ触媒２０に必要な空燃比を有する排気が供給されることとなる。ここで、燃料の添加を連続して行うと、ＮＯｘ触媒２０の床温が過度に上昇してしまい焼損する虞があるため、燃料の添加は断続的に行われ、且つＳＯｘ被毒再生が効率良く行われるためにＮＯｘ触媒２０に供給される排気の空燃比を制御すべく、排気の空燃比のフィードバック制御であるいわゆるリッチスパイク制御が行われることになる。
【００５２】
この排気の空燃比のフィードバック制御は、排気空燃比センサ２２によって検出された空燃比を基に、ＮＯｘ触媒２０に供給される排気の空燃比を推定し、その推定される空燃比が所定の空燃比、即ちＮＯｘ触媒２０に供給すべき排気の空燃比となるように制御するものである。ＮＯｘ触媒２０における排気の空燃比と、排気空燃比センサ２２によって検出される空燃比との関係は、予め実験等で求めておきマップとしてＲＯＭ３２に格納しておけばよい。また、ＮＯｘ触媒２０に供給される排気の空燃比は、燃料添加弁１２の開弁を制御することによって、排気中に添加される燃料の量が制御されることで、調整される。Ｓ１０４の処理が終了すると、Ｓ１０５へ進む。
【００５３】
Ｓ１０５では、先のリッチスパイク制御において、排気の空燃比をリッチ状態とする場合に燃料添加弁１２より排気に添加した燃料の量ＡＱ（ｉ）を取得する。Ｓ１０５の処理が終了すると、Ｓ１０６へ進む。
【００５４】
Ｓ１０６では、先のＳ１０５において取得したＡＱ（ｉ）と、ＡＱ（ｉ）を添加したタイミングの直前のタイミングにおいて排気の空燃比をリッチ状態とすべく燃料添加弁１２より排気に添加した燃料の量ＡＱ（ｉ−１）との差分ΔＡＱを算出する。即ち、リッチスパイク制御において、ＮＯｘ触媒２０に供給される排気の空燃比をリッチ状態とする場合において燃料添加弁１２によって添加される燃料の量がどの程度減少したか、換言すると一定間隔における燃料添加弁１２によって添加される燃料の量の減少、即ち燃料の量の減少率を算出する。
【００５５】
尚、リッチ時の燃料添加量の差分ΔＡＱを算出するにあたっては、リッチスパイク制御において排気の空燃比をリッチ状態としその後リーン状態とする繰り返しを１ターンとした場合、１ターン毎にΔＡＱを算出するが、１ターンではＮＯｘ触媒２０からのＳＯｘの離脱量が大きく変動しないような場合等においては、複数ターン毎に一回ΔＡＱを算出するようにしても良い。Ｓ１０６の処理が終了すると、Ｓ１０７へ進む。
【００５６】
Ｓ１０７では、Ｓ１０６で算出したΔＡＱの値が、所定の値ＳｃｄＡＱより大きいか否かが判断される。換言すると、リッチスパイク制御において排気の空燃比をリッチ状態とする場合に燃料添加弁１２によって添加される燃料の量の減少率がＳｃｄＡＱで表される一定の割合を越えるか否かが判断される。
【００５７】
ＳＯｘ被毒再生の進行とともにＮＯｘ触媒２０に吸蔵されていたＳＯｘが離脱していくが、ＳＯｘがほぼＮＯｘ触媒２０から離脱し終えると、空燃比センサ２２の検出値は、図２中の曲線Ｌ０で表されるように基準線ＬＳよりリッチ側へとずれた特性を有するのは先述の通りである。そのような場合、リッチスパイク制御においては、燃料添加弁１２によって排気に添加されていた燃料の量は徐々に減少していくが、ＳＯｘがほぼＮＯｘ触媒２０から離脱し終える時点では、その添加量が急激に減少すると考えられる。そこで、Ｓ１０７では、ΔＡＱの値がＳｃｄＡＱを越えるか否かを判断することによって、ＮＯｘ触媒２０のＳＯｘ被毒再生が終了したか否かを判断するものである。
【００５８】
ＳｃｄＡＱの値はＳＯｘ被毒再生の終了時を判断するためのリッチスパイク制御における燃料添加量の減少率である。この値は、ＮＯｘ触媒２０の大きさやΔＡＱの算出方法によって変動するものであり、予め実験等で決定しておけばよい。Ｓ１０７において、ΔＡＱの値がＳｃｄＡＱの値より大きいと判断された場合は、ＳＯｘがＮＯｘ触媒２０から離脱し終えたことを意味するため、Ｓ１０８へ進む。一方、Ｓ１０７において、ΔＡＱの値がＳｃｄＡＱの値以下であると判断された場合は、ＳＯｘがＮＯｘ触媒２０から離脱し終えていないことを意味するため、Ｓ１０４へ進み、再度Ｓ１０４以降の処理が行われる。
【００５９】
Ｓ１０８では、ＳＯｘ被毒再生を終了させる。Ｓ１０８の処理が終了すると、Ｓ１０９へ進み、本制御を終了する。
【００６０】
本実施例においては、ＳＯｘ被毒再生を行う場合、そのＳＯｘ被毒再生の終了時期の判断において、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されているＳＯｘ量に関連性を有する排気空燃比センサ２２の検出特性を利用する。これにより、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されているＳＯｘが、ＮＯｘ触媒２０から離脱し終えた時期を検知することが可能となるため、ＮＯｘ触媒２０の排気浄化能力を確実に回復させるとともに、排気への過度の燃料供給を抑えることになるため排気エミッションの悪化および燃費の悪化を抑制することが可能となる。
【００６１】
また、本実施例においては、ＮＯｘ触媒２０に供給される排気の空燃比を調整する手段として燃料添加弁１２を使用したが、各気筒２内における燃料の燃焼において、排気中に含まれることになる燃料の未燃成分の量を調整しても良い。例えば、燃料噴射弁３による燃料の噴射時期や噴射回数を制御することによって、排気中に含まれる燃料の未燃成分の量、即ち排気の空燃比を制御することが可能である。
【００６２】
また、ＮＯｘ触媒２０に担持される材料を、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されているＳＯｘ量が減少するに従って、排気に含まれる燃料を主に構成する炭化水素から水素を生成する能力が増加していく材料とすることで、本実施例におけるＳＯｘ被毒再生の終了時期の判断をより確実に行うことが可能となる。即ち、上記のような機能を示す材料をＮＯｘ触媒２０に担持させることによって、ＮＯｘ触媒２０の下流に設けられた空燃比センサ２２の排気空燃比の検出特性における、ＳＯｘ被毒再生終了時期でのリッチ側へのずれがより顕著に現れることに依る。尚、上記のような機能を示す材料には、ロジウム（Ｒｈ）やジルコニア（ＺｒＯ２）が挙げられる。
【００６３】
更に、図２により本来の空燃比が１４．５以下となるような領域において、空燃比センサ２２の検出特性が、大きくリッチ側にずれる。特に理論空燃比近傍で、リッチ側へのずれが最大となる。従って、このように大きくリッチ側にずれる空燃比範囲において、ＳＯｘ被毒再生のリッチスパイク制御を行うことで、より確実にＳＯｘ被毒再生の終了を判断することが可能となる。
【００６４】
＜第２の実施例＞
ここで、上述の排気空燃比センサ２２の検出特性を踏まえて行われるＮＯｘ触媒２０のＳＯｘ被毒再生の別の実施例について、図４に基づいて説明する。図４は、ＳＯｘ被毒再生を行う際に行うＮＯｘ触媒２０に供給される排気の空燃比のフィードバック制御および該フィードバック制御の終了判断を示すフローチャートである。図４におけるＳＯｘ被毒再生制御は、ＥＣＵ３４によって実行される制御であり、ＥＣＵ３４によって本制御が実行されることは本発明におけるＳＯｘ被毒再生手段およびＳＯｘ被毒再生終了手段に相当する。
【００６５】
以下に本実施例におけるＳＯｘ被毒再生時空燃比制御の説明を行う。尚、図４に示すＳＯｘ被毒再生時空燃比制御のフローにおいて、図３に示すＳＯｘ被毒再生制御のフローと同一の処理については、図３と同一の参照番号を付することにより、その説明を省略する。
【００６６】
Ｓ１０４の処理が終了すると、Ｓ１１０へと進む。Ｓ１１０では、先のリッチスパイク制御において、排気空燃比センサ２２の検出値ＡＦ（ｉ）を取得する。Ｓ１１０の処理が終了すると、Ｓ１１１へ進む。
【００６７】
Ｓ１１１では、先のＳ１１０において取得したＡＦ（ｉ）と、基準空燃比ＡＦ（０）との差分ΔＡＦを算出する。ここで、基準空燃比とは、図２における本来の空燃比と同義である。即ち、ΔＡＦは、ＳＯｘ被毒再生中において、空燃比センサ２２の検出値が本来の空燃比からリッチ側もしくはリーン側にどの程度ずれているかを意味する。
【００６８】
尚、リッチ時の燃料添加量の差分ΔＡＦを算出するにあたっては、リッチスパイク制御において排気の空燃比をリッチ状態としその後リーン状態とする繰り返しを１ターンとした場合、１ターン毎にΔＡＦを算出するが、１ターンではＮＯｘ触媒２０からのＳＯｘの離脱量が大きく変動しないような場合等においては、複数ターン毎に一回ΔＡＦを算出するようにしても良い。Ｓ１１１の処理が終了すると、Ｓ１１２へ進む。
【００６９】
Ｓ１１２では、Ｓ１１１で算出したΔＡＦの値が、所定の値ＳｃｄＡＦより大きいか否かが判断される。換言すると、リッチスパイク制御において排気の空燃比をリッチ状態とする場合に、排気空燃比センサ２２によって検出される空燃比の値が本来の空燃比の値よりリッチ側にあるかリーン側にあるか、またそれぞれどの程度本来の空燃比よりずれているのかが判断される。
【００７０】
ＳＯｘ被毒再生の進行とともにＮＯｘ触媒２０に吸蔵されていたＳＯｘが離脱していくが、ＳＯｘがほぼＮＯｘ触媒２０から離脱し終えると、空燃比センサ２２の検出値は、図２中の曲線Ｌ０で表されるように基準線ＬＳよりリッチ側へとずれた特性を有するのは先述である。そこで、Ｓ１１２では、ΔＡＦの値がＳｃｄＡＦを越えるか否かを判断することによって、ＮＯｘ触媒２０のＳＯｘ被毒再生が終了したか否かを判断するものである。
【００７１】
つまり、ＳｃｄＡＦの値はＳＯｘ被毒再生の終了時を判断するための空燃比センサ２２の検出値と本来の空燃比の値との差分である。この値は、特にＮＯｘ触媒２０の炭化水素から水素を生成する能力に大きく依存するものである。即ち、ＮＯｘ触媒２０に残存するＳＯｘ量と炭化水素から生成される水素の量との関係からＳｃｄＡＦの値を決定すればよい。Ｓ１１２において、ΔＡＦの値がＳｃｄＡＦの値より大きいと判断された場合は、ＳＯｘがＮＯｘ触媒２０から離脱し終えたことを意味するため、Ｓ１０８へ進む。一方、Ｓ１１２において、ΔＡＦの値がＳｃｄＡＦの値以下であると判断された場合は、ＳＯｘがＮＯｘ触媒２０から離脱し終えていないことを意味するため、Ｓ１０４へ進み、再度Ｓ１０４以降の処理が行われる。
【００７２】
本実施例においては、ＳＯｘ被毒再生を行う場合、そのＳＯｘ被毒再生の終了時期の判断において、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されているＳＯｘ量に関連性を有する排気空燃比センサ２２の検出特性を利用する。これにより、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されているＳＯｘが、ＮＯｘ触媒２０から離脱し終えた時期を検知することが可能となるため、ＮＯｘ触媒２０の排気浄化能力を確実に回復させるとともに、排気への過度の燃料供給を抑えることになるため排気エミッションの悪化および燃費の悪化を抑制することが可能となる。
【００７３】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は排気中に含まれるＮＯｘを吸蔵、還元して浄化するためのＮＯｘ触媒を備え、該ＮＯｘ触媒に供給される排気の空燃比をフィードバック制御し、該ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘを離脱させる場合に、ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘ量に関連性を有する排気空燃比検出手段の検出特性を利用することで、ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘが、ＮＯｘ触媒から離脱し終えた時期をより確実に検知することが可能となる。よって、ＮＯｘ触媒の排気浄化能力をより確実に回復させるとともに、排気への過度の燃料供給を抑えることになるため排気エミッションの悪化および燃費の悪化を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置を有する内燃機関およびその制御系統の概略構成を示す図である。
【図２】本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯｘ触媒の下流を流れる排気の空燃比を検出する排気空燃比センサの検出特性を示す図である。
【図３】本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯｘ触媒のＳＯｘ被毒再生および該制御の終了時期の判断を行うＳＯｘ被毒再生制御を示すフロー図である。
【図４】本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯｘ触媒のＳＯｘ被毒再生および該制御の終了時期の判断を行うＳＯｘ被毒再生制御を示す第２のフロー図である。
【符号の説明】
１・・・・内燃機関
３・・・・燃料噴射弁
１２・・・・燃料添加弁
１７・・・・排気枝管
１８・・・・排気管
２０・・・・ＮＯｘ触媒
２２・・・・排気空燃比センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関から排出される排気の浄化を行う排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関、特に希薄燃焼を行う内燃機関から排出される排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化すべく吸蔵還元型のＮＯｘ触媒が開発されている。この吸蔵還元型のＮＯｘ触媒は、触媒周囲の雰囲気が高酸素濃度状態である場合は排気中に含まれるＮＯｘを触媒内へと吸蔵し、触媒周囲の雰囲気が低酸素濃度状態で且つ還元成分が存在する場合、例えば燃料の未燃成分が存在している場合等は、触媒内に吸蔵されているＮＯｘを還元することで、排気の浄化を行う触媒である。
【０００３】
ここで、吸蔵還元型のＮＯｘ触媒においては、ＮＯｘと同様に排気中に含まれる硫黄酸化物（ＳＯｘ）も吸蔵される。このＳＯｘの吸蔵量が増加するに従い、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能力が低減する問題が発生する。そこで、ＳＯｘの吸蔵量が増大したＮＯｘ触媒の温度を上昇させるとともに該触媒を還元成分が存在する雰囲気に、例えば燃料の未燃成分が存在している雰囲気に曝すことによって、ＮＯｘ触媒に吸蔵されていたＳＯｘを該触媒から離脱させ、以てＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能力を回復させる（以下、ＳＯｘ被毒再生という）必要がある。
【０００４】
ここで、ＳＯｘ被毒再生においては、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘ量を、内燃機関に供給された混合気の空燃比やＮＯｘ触媒によって排気の浄化を行った時間等から推定し、その推定されたＳＯｘ量に応じてＳＯｘ被毒再生に要する時間が決定される（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
このような場合、ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘ量は推定によって算出された値であるため、その推定ＳＯｘ量が実際にＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘ量よりも多い場合は、ＳＯｘ被毒再生によって十分にＮＯｘ触媒の浄化能力を回復させることが困難となる。一方で、先述の推定ＳＯｘ量が実際にＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘ量よりも少ない場合は、例えば還元成分である燃料が多く排出されることになり、排気の悪化や燃費の悪化が起こり得る。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−６４２２号公報
【特許文献２】
特開２００１−３７８２号公報
【特許文献３】
特開２００２−８１３１２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘを離脱させＮＯｘ触媒の浄化能力を回復すべくＳＯｘ被毒再生を行う場合、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をフィードバック制御する。このフィードバック制御においては、ＮＯｘ触媒の下流に備えられている空燃比センサによって検出される排気の空燃比をパラメータとしてフィードバック制御が行われる。
【０００８】
そこで、本発明では、排気中に含まれるＮＯｘを吸蔵、還元して浄化するためのＮＯｘ触媒を備える内燃機関において、該ＮＯｘ触媒のＳＯｘ被毒再生時に該ＮＯｘ触媒に供給される排気の空燃比をフィードバック制御する場合に、該ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘを確実に離脱させ、該ＮＯｘ触媒の確実な再生を図るとともに、排気への燃料の供給によるエミッションの悪化および燃費の悪化を抑制することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した課題を解決するために、ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘ量と関連性を有する要素に基づいてＳＯｘ被毒再生の終了判定を行うことに着目した。即ち、排気に含まれるＮＯｘを吸蔵、還元して排気の浄化を行うＮＯｘ触媒と、内燃機関の運転状態に基づいて前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘ量を推定するＳＯｘ量推定手段と、前記ＮＯｘ触媒の下流の排気の空燃比を検出する空燃比検出手段と、前記ＮＯｘ触媒に供給される排気に燃料を供給する燃料供給手段と、前記ＳＯｘ量推定手段によって推定されるＳＯｘ量が所定のＳＯｘ量を越えるときに、前記空燃比検出手段によって検出される排気の空燃比をパラメータとして、前記燃料供給手段を介して前記ＮＯｘ触媒に供給される排気の空燃比をフィードバック制御することで前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘの離脱制御を行うＳＯｘ被毒再生手段と、前記ＳＯｘ被毒再生手段によるＳＯｘの離脱制御を行う場合に前記空燃比検出手段によって検出される空燃比の値が所定の空燃比の値に対してリッチ側の値であることを検出することによって、前記ＳＯｘ被毒再生手段によるＳＯｘの離脱制御を終了させるＳＯｘ被毒再生終了手段と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
上記の内燃機関の排気浄化装置において備えられているＮＯｘ触媒は、排気中に含まれるＮＯｘを吸蔵、還元することによって排気の浄化を行うが、ＮＯｘと同様に排気中に含まれるＳＯｘも吸蔵する。ＳＯｘがＮＯｘ触媒に吸蔵されることにより、ＮＯｘ触媒における排気浄化能力が低減する。そこで、前記ＳＯｘ被毒再生手段によって、ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘをＮＯｘ触媒より離脱させ、ＮＯｘ触媒の排気浄化能力の回復を図る。
【００１１】
ここで、ＳＯｘ被毒再生手段によって行われるＳＯｘの離脱制御（ＳＯｘ被毒再生）は、例えばいわゆるリッチスパイク制御であって、ＮＯｘ触媒にリッチ側とリーン側の空燃比を有する排気を交互に供給することによって、ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘの離脱を行う制御である。この場合、排気の空燃比を先述の通りリッチ側とリーン側の空燃比とに正確に制御する必要があるため、ＮＯｘ触媒の下流に備えられた空燃比検出手段によって検出される排気の空燃比をパラメータとして、ＮＯｘ触媒に供給される排気の空燃比が先述のリッチ側とリーン側の値となるべく、前記燃料供給手段によって排気中に供給される燃料の量が調整される。その結果、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘが離脱されることとなる。
【００１２】
ここで、上記のＳＯｘ被毒再生において用いられる空燃比検出手段としては、空燃比センサが挙げられる。この空燃比センサは、センサ部分が主にジルコニア等の固体電解質で構成され、該固体電解質の内部を酸素イオンが移動することによって該固体電解質に発生する電位差を、該固体電解質表面に設けられた電極によって感知することで検出される酸素濃度を基に空燃比を検出するセンサである。具体的には、ジルコニア型酸素センサ等が挙げられる。しかし、該空燃比センサは該固体電解質表面上を多孔質部材からなる拡散抵抗層で覆われていること等に依り、空燃比センサがセンシングする雰囲気（排気）中に含まれる炭化水素の分子量や水素分子の濃度によっては、該空燃比センサによって検出される空燃比の値が本来の空燃比の値から外れた値となる傾向がある。ここで本来の空燃比とは、前記燃料供給手段等によって排気に供給された燃料の量や排気流量等から算出される値である。
【００１３】
換言すると、空燃比センサは、排気中の炭化水素の分子量が大きくなると、該空燃比センサによって検出される空燃比の値が本来の空燃比の値からリーン側にずれ、水素分子の濃度が大きくなると、該空燃比センサによって検出される空燃比の値が本来の空燃比の値からリッチ側にずれる性質を備える。ここで、該空燃比センサがセンシングする排気中の炭化水素の分子量はＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘ量に依存し、具体的にはＮＯｘ触媒に吸蔵されるＳＯｘ量が増加するに従って、排気中の炭化水素の分子量は大きくなる。また該空燃比センサがセンシングする排気中の水素濃度もＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘ量に依存し、具体的にはＮＯｘ触媒に吸蔵されていたＳＯｘがほぼ離脱したときに排気中の水素濃度が増加する。
【００１４】
従って、前記ＳＯｘ被毒再生終了手段は、前記空燃比センサによって検出される空燃比の値とＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘ量との関係を利用して、ＳＯｘ被毒再生を終了させる時期を判断する。即ち、前記ＮＯｘ被毒再生手段によってＮＯｘ触媒のＳＯｘ被毒再生が行われている場合、ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘ量は次第に減少する。それによって、前記空燃比センサによって検出される空燃比が当初本来の空燃比からリーン側にずれていたものが、ＳＯｘ量の減少に従ってそのリーン側へのずれが小さくなるとともに、最終的にはリッチ側へとずれる。そこで、前記ＳＯｘ被毒再生終了手段は、この前記空燃比センサによる検出値のリッチ側へのずれを検出することで、ＮＯｘ触媒のＳＯｘ被毒再生の終了と判断するものである。
【００１５】
ここで、先述のＳＯｘ被毒再生終了手段における所定の空燃比とは、前記本来の空燃比と同義であり、前記燃料供給手段等によって排気に供給された燃料の量や排気流量等から算出される値である。前記ＳＯｘ被毒再生終了手段においては、この所定の空燃比（前記本来の空燃比）と空燃比検出手段である空燃比センサによって検出された空燃比との比較が為されることになる。
【００１６】
また、前記ＳＯｘ被毒再生終了手段による前記空燃比検出手段によって検出される空燃比の値が所定の空燃比の値に対してリッチ側の値であるか否かの判断は、前者の空燃比の値が後者の空燃比の値より小さくなったことを検出することによって行われるが、後者の空燃比の値と前者の空燃比の値の差が一定の値以上となった場合に、前記ＳＯｘ被毒再生終了手段による当該判断がされるようにしてもよい。これは、空燃比検出手段による検出値の細かな変動の影響を排除するため等の理由による。
【００１７】
これにより、ＳＯｘ被毒再生において、推定されたＳＯｘの吸蔵量に基づいてＳＯｘ被毒再生に要する時間を算出しその終了時期を判断するのではなく、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘ量に関連性を有する前記空燃比センサの検出値の変化を検知することで終了時期を判断することになるため、ＮＯｘ触媒の排気浄化能力をより確実に回復させるとともに、排気への過度の燃料供給を抑えることになるためエミッションの悪化および燃費の悪化を抑制することが可能となる。
【００１８】
ここで、先述したようにＮＯｘ触媒のＳＯｘ被毒再生の終了時期を判断する基準となるのが、前記空燃比検出手段である空燃比センサの検出値であるが、ＳＯｘ被毒再生においては、空燃比センサによって検出される空燃比に基づいてＮＯｘ触媒供給される排気の空燃比のフィードバック制御が前記燃料供給手段を介して行われる。従って、前記燃料供給手段によって排気に供給される燃料の量の変化によってＳＯｘ被毒再生の終了を検知することが可能である。
【００１９】
そこで、前記ＳＯｘ被毒再生終了手段は、前記燃料供給手段を介して排気へ供給される燃料の供給量の減少率に基づいて前記空燃比検出手段によって検出される空燃比の値が所定の空燃比の値に対してリッチ側の値であることを検出し、ＳＯｘ被毒再生を終了させる。
【００２０】
即ち、前記空燃比検出手段である空燃比センサの検出特性は、ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘ量と関連性があることは先述の通りである。ＳＯｘ被毒再生によってＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘ量が減少するにつれて、前記空燃比センサによって検出される空燃比が当初本来の空燃比からリーン側にずれていたものが、そのリーン側へのずれが小さくなるとともに、最終的にはリッチ側へとずれる。従って、ＳＯｘ被毒再生が進行するに従い燃料供給手段によって排気に供給される燃料の量は次第に減少していくが、ＮＯｘ触媒に吸蔵されていたＳＯｘがＮＯｘ触媒から離脱したとき、燃料供給手段によって排気に供給される燃料の量が急激に減少する。そこで、この燃料供給手段によって排気に供給される燃料の減少率に基づいて、ＳＯｘ被毒再生の終了時期を判断することが可能である。
【００２１】
これにより、ＳＯｘ被毒再生において、ＮＯｘ触媒の排気浄化能力を確実に回復させるとともに、排気への過度の燃料供給を抑えることになるためエミッションの悪化および燃費の悪化を抑制することが可能となる。
【００２２】
ここで、前記ＮＯｘ触媒は、該ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘ量の減少に応じて炭化水素から水素を生成する能力が増加する材料が担持されていることを特徴とすることによって、前記ＳＯｘ被毒再生終了手段によるＳＯｘ被毒再生の判断をより確実に行うことが可能となる。
【００２３】
即ち、前記ＮＯｘ触媒にＳＯｘ量の減少に応じて炭化水素から水素を生成する能力が増加する材料が担持されていることにより、ＳＯｘ被毒再生が進行するに従い前記空燃比センサによる排気の空燃比が、本来の空燃比より顕著にリッチ側にずれた値となる。その結果、ＳＯｘ被毒再生の終了時期を判断するのが容易となる。また、上記のような機能を有する材料としては、ロジウム（Ｒｈ）やジルコニア（ＺｒＯ２）が挙げられる。
【００２４】
これにより、ＳＯｘ被毒再生において、ＮＯｘ触媒の排気浄化能力を確実に回復させるとともに、排気への過度の燃料供給を抑えることになるためエミッションの悪化および燃費の悪化を抑制することが可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施例＞
ここで、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置における実施の形態について図面に基づいて説明する。図１は、本発明が適用される内燃機関およびその排気浄化装置の概略構成およびその制御系統の概略構成を示す図である。
【００２６】
内燃機関１は、各気筒２の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。各燃料噴射弁３は、燃料を所定圧に蓄圧する蓄圧室４と接続されている。前記蓄圧室４は、燃料供給管５を介して燃料ポンプ６と連通している。この燃料ポンプ６は、内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）の回転トルクを駆動源として作動するポンプであり、該燃料ポンプ６の入力軸に取り付けられたポンププーリ６ａが内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）に取り付けられたクランクプーリ１ａとベルト７を介して連結されている。このように構成された燃料噴射系では、クランクシャフトの回転トルクが燃料ポンプ６の入力軸へ伝達されると、燃料ポンプ６は、クランクシャフトから該燃料ポンプ６の入力軸へ伝達された回転トルクに応じた圧力で燃料を吐出する。
【００２７】
前記燃料ポンプ６から吐出された燃料は、燃料供給管５を介して蓄圧室４へ供給され、蓄圧室４にて所定圧に蓄圧されて各気筒２の燃料噴射弁３へ分配される。そして、燃料噴射弁３に駆動電流が印加されると、燃料噴射弁３が開弁し、その結果、燃料噴射弁３から気筒２内へ燃料が噴射される。
【００２８】
次に、内燃機関１には、吸気枝管８が接続されており、吸気枝管８の各枝管は、各気筒２の燃焼室と吸気ポート（図示省略）を介して連通している。前記吸気枝管８は吸気管９に接続されている。吸気管９には、該吸気管９内を流通する吸気の質量に対応した電気信号を出力するエアフローメータ１１が取り付けられている。前記吸気管９における吸気枝管８の直上流に位置する部位には、該吸気管９内を流通する吸気の流量を調節する吸気絞り弁１３が設けられている。この吸気絞り弁１３には、ステップモータ等で構成されて該吸気絞り弁１３を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ１４が取り付けられている。
【００２９】
ここで、エアフローメータ１１と吸気絞り弁１３との間に位置する吸気管９には、排気のエネルギーを駆動源として作動する遠心過給機（ターボチャージャ）２４のコンプレッサハウジング２４ａが設けられ、コンプレッサハウジング２４ａより下流の吸気管９には、前記コンプレッサハウジング２４ａ内で圧縮されて高温となった吸気を冷却するためのインタークーラ２５が設けられている。このように構成された吸気系では、吸気は、吸気管９を介してコンプレッサハウジング２４ａに流入する。
【００３０】
コンプレッサハウジング２４ａに流入した吸気は、該コンプレッサハウジング２４ａに内装されたコンプレッサホイールの回転によって圧縮される。前記コンプレッサハウジング２４ａ内で圧縮されて高温となった吸気は、インタークーラ２５にて冷却された後、必要に応じて吸気絞り弁１３によって流量を調節されて吸気枝管８に流入する。吸気枝管８に流入した吸気は、各枝管を介して各気筒２の燃焼室へ分配され、各気筒２の燃料噴射弁３から噴射された燃料を着火源として燃焼される。
【００３１】
一方、内燃機関１には、排気枝管１７が接続され、排気枝管１７の各枝管が排気ポート（図示省略）を介して各気筒２の燃焼室と連通している。前記排気枝管１７は、前記遠心過給機２４の排気タービンハウジング２４ｂと接続されている。前記排気タービンハウジング２４ｂは、排気管１８と接続され、この排気管１８は、下流にてマフラー（図示省略）に接続されている。
【００３２】
前記排気管１８の途中には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を担持したパティキュレートフィルタ（以下、ＮＯｘ触媒という。）２０が設けられている。ＮＯｘ触媒２０の直上流に位置する排気管１８には、ＮＯｘ触媒２０に供給される排気の温度に対応した電気信号を出力する排気温度センサ２３ａが、ＮＯｘ触媒２０の直下流に位置する排気管１８にはＮＯｘ触媒２０から排出される排気の温度に対応した電気信号を出力する排気温度センサ２３ｂが、取り付けられている。また、排気温度センサ２３ｂの近傍であって、ＮＯｘ触媒２０の直下流に位置する排気管１８には、該部位を流れる排気の空燃比を検出する排気空燃比センサ２２が取り付けられている。
【００３３】
更に、前記したＮＯｘ触媒２０の下流に位置する排気管１８には、該排気管１８内を流通する排気の流量を調節する排気絞り弁１５が設けられている。この排気絞り弁１５には、ステップモータ等で構成されて該排気絞り弁１５を開閉駆動する排気絞り用アクチュエータ１６が取り付けられている。
【００３４】
更に、遠心過給機２４の排気タービン出口の下流に位置する排気管１８上であって且つＮＯｘ触媒２０の上流に、主に排気の昇温を図るために前段触媒１９が設けられている。前段触媒１９には、酸化機能を有するＮＯｘ触媒や酸化触媒等が用いられる。またＮＯｘ触媒２０の下流に位置する排気管１８上であって且つ排気温度センサ２３ｂおよび排気空燃比センサ２２の下流に、後段触媒２１が設けられている。後段触媒２１には、酸化機能を有する酸化触媒が用いられる。
【００３５】
また、排気枝管１７には、燃料添加弁１２が設けられており、燃料添加弁１２は図示されない燃料供給管等を介して、内燃機関１に用いられる燃料の貯蔵庫（図示省略）に連通している。そこで燃料添加弁１２の開弁によって、排気枝管１７を流れる排気に燃料が添加される。
【００３６】
このように構成された排気系では、内燃機関１の各気筒２で燃焼された混合気（既燃ガス）が排気ポートを介して排気枝管１７へ排気として排出され、次いで排気枝管１７から遠心過給機２４の排気タービンハウジング２４ｂへ流入する。排気タービンハウジング２４ｂに流入した排気は、排気が持つエネルギーを利用して排気タービンハウジング２４ｂ内に回転自在に支持されたタービンホイールを回転させる。その際、タービンホイールの回転トルクは、前述したコンプレッサハウジング２４ａのコンプレッサホイールへ伝達される。
【００３７】
更に、タービンハウジング２４ｂから排出された排気は、前段触媒１９に流入する。前段触媒１９においては、排気中に含まれる未燃成分の一部や燃料添加弁１２によって排気に供給された燃料の一部を酸化することによって、排気の昇温が図られる。前段触媒１９によって昇温された排気はＮＯｘ触媒２０に供給されることで、ＮＯｘ触媒２０の床温が上昇し、活性温度となり、排気の浄化が行われる。尚、ＮＯｘ触媒２０は、排気の空燃比がリーン状態である場合は、排気中に含まれるＮＯｘを吸蔵し、排気の空燃比がリッチ状態であり且つＮＯｘ触媒２０の床温が一定の温度以上であれば、吸蔵したＮＯｘを還元して排気の浄化を行う。また、ＮＯｘ触媒２０の下流に設けられた後段触媒２１によって、まだ排気中に残留している未燃成分を酸化させることで、燃料の未燃成分の大気中への放出が抑制される。後段触媒２１を経過した排気は、必要に応じて排気絞り弁１５によって流量を調節された後にマフラーを介して大気中に放出される。
【００３８】
次に、内燃機関１の制御系等の説明を行う。ＥＣＵ３４は、デジタルコンピュータからなり、双方向性バス３０を介して相互に接続されたＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３１、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、入力ポート２８および出力ポート２９を備えている。更に、ＥＣＵ３４の外部から入力されるアナログ信号をデジタル変換して入力ポート２８へ入力するＡ／Ｄ変換器２７が入力ポート２８に接続されている。
【００３９】
このＥＣＵ３４に対して、アクセルペダルの踏み込み量に比例した電圧を出力するアクセル開度センサ２６が、ＡＤ変換器２７を介して入力ポート２８に入力している。クランクポジションセンサ１０は、例えばクランクシャフトが３０°回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート２８に入力される。ＣＰＵ３１ではクランクポジションセンサ１０の出力パルス等を基に、内燃機関１の機関回転数Ｎｅや、その機関回転数を積算することにより総機関回転角（距離）が算出される。
【００４０】
更に、排気温度センサ２３ａおよび２３ｂが、該センサが配置されている部位を流れる排気管１８中の排気の温度に応じた出力電圧を入力ポート２８に入力している。これらの信号を基に、ＣＰＵ３１がＮＯｘ触媒２０の床温を推定し、更にＮＯｘ触媒２０においてＮＯｘの浄化が可能か否か等の判断等が行われる。また、排気空燃比センサ２２が、その配置されている部位を流れる排気管１８中の排気の空燃比に応じた出力電圧を入力ポート２８に入力している。この信号を基に、ＮＯｘ触媒２０に流入する排気の空燃比のフィードバック制御が行われる。このフィードバック制御については、後に詳細に説明をする。なお、これ以外に入力ポート２８には、各種の信号が入力されているが、本実施の形態では説明上重要ではないので図示を省略している。
【００４１】
出力ポート２９は、各気筒２の燃料噴射弁３に電気的に接続され、ＥＣＵ３４は内燃機関１の運転状態に応じて各燃料噴射弁３の開弁制御を行い、燃料噴射時期制御や燃料噴射量制御を実行している。更に、出力ポート２９は、燃料添加弁１２に電気的に接続されており、ＮＯｘ触媒２０において排気の浄化を行う際に排気をリッチ状態とする必要があるとき等に、ＥＣＵ３４は燃料添加弁１２の開弁制御を行い、排気への燃料の添加を行っている。なお、これ以外に出力ポート２９には、各種の信号が入力されているが、本実施の形態では説明上重要ではないので図示を省略している。
【００４２】
ここで、排気空燃比センサ２２における排気の空燃比の検出特性について、図２に基づいて説明をする。図２は排気空燃比センサ２２による空燃比の検出特性を示す図である。図２において、横軸は排気空燃比センサ２２から直接ＥＣＵ３４に入力される電圧値より換算される空燃比の値、即ち排気空燃比センサ２２の空燃比の検出値であり、縦軸は排気空燃比センサ２２が実際に曝されている雰囲気の本来の空燃比の値である。従って、本来的には、排気空燃比センサ２２によって検出される値と本来の空燃比の値とは同一であるべきであって、その検出特性は図２中直線ＬＳ（以下、基準線ＬＳという）で表される特性を示すべきである。
【００４３】
しかし、排気空燃比センサ２２は、自己が曝されている雰囲気に含まれる燃料の分子量や水素濃度によって、ＥＣＵ３４に出力する電圧値、換言すれば検出される排気の空燃比が変動する特性を有する。これは、排気空燃比センサ２２において、電圧が発生する固体電解質の表面上部に形成される多孔質状の拡散抵抗層において、排気中の特定の分子が該拡散抵抗層を移動するのに要する時間が、その分子の分子量に依存すること等に依る。即ち、分子量が大きくなるに従い、拡散抵抗層を移動する時間が大きくなるため、分子量の小さい酸素分子は比較的短時間で拡散抵抗層を移動できるが、分子量の大きい燃料はその移動に比較的長い時間を要する。一方で酸素分子より分子量の小さい水素分子は、酸素分子より更に短い時間でその移動を達成する。
【００４４】
そこで、排気空燃比センサ２２が設けられた部位の排気中に含まれる燃料の分子量が大きくなるに従い、排気空燃比センサ２２の固体電解質表面に存在する酸素分子が結果的に多くなる。そのため排気空燃比センサ２２によって検出される空燃比の特性が、先述のＬＳで示される特性からリーン側へずれた特性となる。一方で、排気空燃比センサ２２が設けられた部位の排気における水素分子の濃度が高くなるに従い、排気空燃比センサ２２の固体電解質表面に存在する酸素分子が結果的に少なくなる。そのため排気空燃比センサ２２によって検出される空燃比の特性が、先述のＬＳで示される特性からリッチ側へずれた特性となる。
【００４５】
図２において、排気空燃比センサ２２によって検出される空燃比特性が、排気空燃比センサ２２が曝される雰囲気（排気）に含まれる燃料の分子量によって、基準線ＬＳからリーン側へずれていく様子を、曲線Ｌ１からＬ４で表している。また、排気空燃比センサ２２が曝される雰囲気（排気）の水素濃度によって、基準線ＬＳからリッチ側へずれていく様子を、曲線Ｌ０で表している。
【００４６】
ここで、本実施例においては、空燃比センサ２２が曝される排気に含まれる燃料の分子量を決定する要素として、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されているＳＯｘの量を用いる。これは、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されるＳＯｘ量が増加することによって、ＮＯｘ触媒２０による炭化水素改質能力が低下するため、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されるＳＯｘ量が増加するに従いＮＯｘ触媒２０の下流に設けられた排気空燃比センサ２２が曝される排気に含まれる燃料の分子量が大きくなることに依る。また、空燃比センサ２２が曝される排気の水素濃度を決定する要素として、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されているＳＯｘの量を、同様に用いる。これは、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されたＳＯｘが離脱することによって、ＮＯｘ触媒２０において排気に含まれる燃料を構成する炭化水素から水素が形成されることによる。
【００４７】
図２に示す曲線Ｌ０は、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されているＳＯｘ量（Ｓ）が０、即ちＳＯｘが吸蔵されていない場合であり、曲線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３およびＬ４は、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されているＳＯｘ量（Ｓ）がそれぞれ０．５、２、４および８の場合である。尚、このＳの値については相対値である。つまり、曲線Ｌ１と曲線Ｌ２で表されるＮＯｘ触媒２０の状態では、その吸蔵されているＳＯｘ量は２倍の関係にあることを意味する。このように、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されるＳＯｘ量が多くなるに従い、排気空燃比センサ２２によって検出される空燃比の値が、本来検出すべき値よりリーン側の値へとずれていくが、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されているＳＯｘが離脱することによって、排気空燃比センサ２２によって検出される空燃比の値が、本来検出すべき値よりリッチ側の値へとずれる。
【００４８】
そこで、上述の排気空燃比センサ２２の検出特性を踏まえて行われるＮＯｘ触媒２０のＳＯｘ被毒再生について、図３に基づいて説明する。図３は、ＳＯｘ被毒再生を行う際に行うＮＯｘ触媒２０に供給される排気の空燃比のフィードバック制御および該フィードバック制御の終了判断を示すフローチャートである。図３におけるＳＯｘ被毒再生制御は、ＥＣＵ３４によって実行される制御であり、ＥＣＵ３４によって本制御が実行されることは本発明におけるＳＯｘ被毒再生手段およびＳＯｘ被毒再生終了手段に相当する。
【００４９】
Ｓ１０１においては、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されたＳＯｘの量、即ちＳＯｘ被毒量が、内燃機関１の運転状態に基づいて算出される。例えば、ポジションセンサ１０によって検出される内燃機関１の総機関回転角の積算値と対応させた値をＥＣＵ３４が算出する。この際、燃料噴射弁３によって、各気筒２内に噴射された燃料の量を考慮してもよい。Ｓ１０１の処理が終了すると、Ｓ１０２へ進む。
【００５０】
Ｓ１０２では、ＳＯｘ被毒再生を行うべきか否かの判断が行われる。例えば、Ｓ１０１において算出されたＮＯｘ触媒２０に吸蔵されたＳＯｘ量が所定の値を越えるか否かに従い、ＳＯｘ被毒再生が必要か否かを判断する。ここで、吸蔵されたＳＯｘ量の所定の値とは、ＮＯｘ触媒２０の排気浄化特性を回復すべきとする判断値であり、この値はＮＯｘ触媒２０の大きさ等により、予め実験などによって決定される。Ｓ１０２でＳＯｘ被毒再生の必要がないと判断された場合は、Ｓ１１０へ進み、本制御を終了する。また、Ｓ１０２でＳＯｘ被毒再生の必要があると判断された場合は、Ｓ１０３へ進み、以降、ＳＯｘ被毒再生の処理を行う。
【００５１】
Ｓ１０３では、ＳＯｘ被毒再生が開始され、その後Ｓ１０４へ進み、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されたＳＯｘの放出を行う。具体的には、Ｓ１０４では、ＮＯｘ触媒２０の床温を上昇させ且つＮＯｘ触媒２０に還元剤としての燃料を供給すべく、燃料添加弁１２から排気へ燃料の添加が行われ、ＮＯｘ触媒２０に必要な空燃比を有する排気が供給されることとなる。ここで、燃料の添加を連続して行うと、ＮＯｘ触媒２０の床温が過度に上昇してしまい焼損する虞があるため、燃料の添加は断続的に行われ、且つＳＯｘ被毒再生が効率良く行われるためにＮＯｘ触媒２０に供給される排気の空燃比を制御すべく、排気の空燃比のフィードバック制御であるいわゆるリッチスパイク制御が行われることになる。
【００５２】
この排気の空燃比のフィードバック制御は、排気空燃比センサ２２によって検出された空燃比を基に、ＮＯｘ触媒２０に供給される排気の空燃比を推定し、その推定される空燃比が所定の空燃比、即ちＮＯｘ触媒２０に供給すべき排気の空燃比となるように制御するものである。ＮＯｘ触媒２０における排気の空燃比と、排気空燃比センサ２２によって検出される空燃比との関係は、予め実験等で求めておきマップとしてＲＯＭ３２に格納しておけばよい。また、ＮＯｘ触媒２０に供給される排気の空燃比は、燃料添加弁１２の開弁を制御することによって、排気中に添加される燃料の量が制御されることで、調整される。Ｓ１０４の処理が終了すると、Ｓ１０５へ進む。
【００５３】
Ｓ１０５では、先のリッチスパイク制御において、排気の空燃比をリッチ状態とする場合に燃料添加弁１２より排気に添加した燃料の量ＡＱ（ｉ）を取得する。Ｓ１０５の処理が終了すると、Ｓ１０６へ進む。
【００５４】
Ｓ１０６では、先のＳ１０５において取得したＡＱ（ｉ）と、ＡＱ（ｉ）を添加したタイミングの直前のタイミングにおいて排気の空燃比をリッチ状態とすべく燃料添加弁１２より排気に添加した燃料の量ＡＱ（ｉ−１）との差分ΔＡＱを算出する。即ち、リッチスパイク制御において、ＮＯｘ触媒２０に供給される排気の空燃比をリッチ状態とする場合において燃料添加弁１２によって添加される燃料の量がどの程度減少したか、換言すると一定間隔における燃料添加弁１２によって添加される燃料の量の減少、即ち燃料の量の減少率を算出する。
【００５５】
尚、リッチ時の燃料添加量の差分ΔＡＱを算出するにあたっては、リッチスパイク制御において排気の空燃比をリッチ状態としその後リーン状態とする繰り返しを１ターンとした場合、１ターン毎にΔＡＱを算出するが、１ターンではＮＯｘ触媒２０からのＳＯｘの離脱量が大きく変動しないような場合等においては、複数ターン毎に一回ΔＡＱを算出するようにしても良い。Ｓ１０６の処理が終了すると、Ｓ１０７へ進む。
【００５６】
Ｓ１０７では、Ｓ１０６で算出したΔＡＱの値が、所定の値ＳｃｄＡＱより大きいか否かが判断される。換言すると、リッチスパイク制御において排気の空燃比をリッチ状態とする場合に燃料添加弁１２によって添加される燃料の量の減少率がＳｃｄＡＱで表される一定の割合を越えるか否かが判断される。
【００５７】
ＳＯｘ被毒再生の進行とともにＮＯｘ触媒２０に吸蔵されていたＳＯｘが離脱していくが、ＳＯｘがほぼＮＯｘ触媒２０から離脱し終えると、空燃比センサ２２の検出値は、図２中の曲線Ｌ０で表されるように基準線ＬＳよりリッチ側へとずれた特性を有するのは先述の通りである。そのような場合、リッチスパイク制御においては、燃料添加弁１２によって排気に添加されていた燃料の量は徐々に減少していくが、ＳＯｘがほぼＮＯｘ触媒２０から離脱し終える時点では、その添加量が急激に減少すると考えられる。そこで、Ｓ１０７では、ΔＡＱの値がＳｃｄＡＱを越えるか否かを判断することによって、ＮＯｘ触媒２０のＳＯｘ被毒再生が終了したか否かを判断するものである。
【００５８】
ＳｃｄＡＱの値はＳＯｘ被毒再生の終了時を判断するためのリッチスパイク制御における燃料添加量の減少率である。この値は、ＮＯｘ触媒２０の大きさやΔＡＱの算出方法によって変動するものであり、予め実験等で決定しておけばよい。Ｓ１０７において、ΔＡＱの値がＳｃｄＡＱの値より大きいと判断された場合は、ＳＯｘがＮＯｘ触媒２０から離脱し終えたことを意味するため、Ｓ１０８へ進む。一方、Ｓ１０７において、ΔＡＱの値がＳｃｄＡＱの値以下であると判断された場合は、ＳＯｘがＮＯｘ触媒２０から離脱し終えていないことを意味するため、Ｓ１０４へ進み、再度Ｓ１０４以降の処理が行われる。
【００５９】
Ｓ１０８では、ＳＯｘ被毒再生を終了させる。Ｓ１０８の処理が終了すると、Ｓ１０９へ進み、本制御を終了する。
【００６０】
本実施例においては、ＳＯｘ被毒再生を行う場合、そのＳＯｘ被毒再生の終了時期の判断において、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されているＳＯｘ量に関連性を有する排気空燃比センサ２２の検出特性を利用する。これにより、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されているＳＯｘが、ＮＯｘ触媒２０から離脱し終えた時期を検知することが可能となるため、ＮＯｘ触媒２０の排気浄化能力を確実に回復させるとともに、排気への過度の燃料供給を抑えることになるため排気エミッションの悪化および燃費の悪化を抑制することが可能となる。
【００６１】
また、本実施例においては、ＮＯｘ触媒２０に供給される排気の空燃比を調整する手段として燃料添加弁１２を使用したが、各気筒２内における燃料の燃焼において、排気中に含まれることになる燃料の未燃成分の量を調整しても良い。例えば、燃料噴射弁３による燃料の噴射時期や噴射回数を制御することによって、排気中に含まれる燃料の未燃成分の量、即ち排気の空燃比を制御することが可能である。
【００６２】
また、ＮＯｘ触媒２０に担持される材料を、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されているＳＯｘ量が減少するに従って、排気に含まれる燃料を主に構成する炭化水素から水素を生成する能力が増加していく材料とすることで、本実施例におけるＳＯｘ被毒再生の終了時期の判断をより確実に行うことが可能となる。即ち、上記のような機能を示す材料をＮＯｘ触媒２０に担持させることによって、ＮＯｘ触媒２０の下流に設けられた空燃比センサ２２の排気空燃比の検出特性における、ＳＯｘ被毒再生終了時期でのリッチ側へのずれがより顕著に現れることに依る。尚、上記のような機能を示す材料には、ロジウム（Ｒｈ）やジルコニア（ＺｒＯ２）が挙げられる。
【００６３】
更に、図２により本来の空燃比が１４．５以下となるような領域において、空燃比センサ２２の検出特性が、大きくリッチ側にずれる。特に理論空燃比近傍で、リッチ側へのずれが最大となる。従って、このように大きくリッチ側にずれる空燃比範囲において、ＳＯｘ被毒再生のリッチスパイク制御を行うことで、より確実にＳＯｘ被毒再生の終了を判断することが可能となる。
【００６４】
＜第２の実施例＞
ここで、上述の排気空燃比センサ２２の検出特性を踏まえて行われるＮＯｘ触媒２０のＳＯｘ被毒再生の別の実施例について、図４に基づいて説明する。図４は、ＳＯｘ被毒再生を行う際に行うＮＯｘ触媒２０に供給される排気の空燃比のフィードバック制御および該フィードバック制御の終了判断を示すフローチャートである。図４におけるＳＯｘ被毒再生制御は、ＥＣＵ３４によって実行される制御であり、ＥＣＵ３４によって本制御が実行されることは本発明におけるＳＯｘ被毒再生手段およびＳＯｘ被毒再生終了手段に相当する。
【００６５】
以下に本実施例におけるＳＯｘ被毒再生時空燃比制御の説明を行う。尚、図４に示すＳＯｘ被毒再生時空燃比制御のフローにおいて、図３に示すＳＯｘ被毒再生制御のフローと同一の処理については、図３と同一の参照番号を付することにより、その説明を省略する。
【００６６】
Ｓ１０４の処理が終了すると、Ｓ１１０へと進む。Ｓ１１０では、先のリッチスパイク制御において、排気空燃比センサ２２の検出値ＡＦ（ｉ）を取得する。Ｓ１１０の処理が終了すると、Ｓ１１１へ進む。
【００６７】
Ｓ１１１では、先のＳ１１０において取得したＡＦ（ｉ）と、基準空燃比ＡＦ（０）との差分ΔＡＦを算出する。ここで、基準空燃比とは、図２における本来の空燃比と同義である。即ち、ΔＡＦは、ＳＯｘ被毒再生中において、空燃比センサ２２の検出値が本来の空燃比からリッチ側もしくはリーン側にどの程度ずれているかを意味する。
【００６８】
尚、リッチ時の燃料添加量の差分ΔＡＦを算出するにあたっては、リッチスパイク制御において排気の空燃比をリッチ状態としその後リーン状態とする繰り返しを１ターンとした場合、１ターン毎にΔＡＦを算出するが、１ターンではＮＯｘ触媒２０からのＳＯｘの離脱量が大きく変動しないような場合等においては、複数ターン毎に一回ΔＡＦを算出するようにしても良い。Ｓ１１１の処理が終了すると、Ｓ１１２へ進む。
【００６９】
Ｓ１１２では、Ｓ１１１で算出したΔＡＦの値が、所定の値ＳｃｄＡＦより大きいか否かが判断される。換言すると、リッチスパイク制御において排気の空燃比をリッチ状態とする場合に、排気空燃比センサ２２によって検出される空燃比の値が本来の空燃比の値よりリッチ側にあるかリーン側にあるか、またそれぞれどの程度本来の空燃比よりずれているのかが判断される。
【００７０】
ＳＯｘ被毒再生の進行とともにＮＯｘ触媒２０に吸蔵されていたＳＯｘが離脱していくが、ＳＯｘがほぼＮＯｘ触媒２０から離脱し終えると、空燃比センサ２２の検出値は、図２中の曲線Ｌ０で表されるように基準線ＬＳよりリッチ側へとずれた特性を有するのは先述である。そこで、Ｓ１１２では、ΔＡＦの値がＳｃｄＡＦを越えるか否かを判断することによって、ＮＯｘ触媒２０のＳＯｘ被毒再生が終了したか否かを判断するものである。
【００７１】
つまり、ＳｃｄＡＦの値はＳＯｘ被毒再生の終了時を判断するための空燃比センサ２２の検出値と本来の空燃比の値との差分である。この値は、特にＮＯｘ触媒２０の炭化水素から水素を生成する能力に大きく依存するものである。即ち、ＮＯｘ触媒２０に残存するＳＯｘ量と炭化水素から生成される水素の量との関係からＳｃｄＡＦの値を決定すればよい。Ｓ１１２において、ΔＡＦの値がＳｃｄＡＦの値より大きいと判断された場合は、ＳＯｘがＮＯｘ触媒２０から離脱し終えたことを意味するため、Ｓ１０８へ進む。一方、Ｓ１１２において、ΔＡＦの値がＳｃｄＡＦの値以下であると判断された場合は、ＳＯｘがＮＯｘ触媒２０から離脱し終えていないことを意味するため、Ｓ１０４へ進み、再度Ｓ１０４以降の処理が行われる。
【００７２】
本実施例においては、ＳＯｘ被毒再生を行う場合、そのＳＯｘ被毒再生の終了時期の判断において、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されているＳＯｘ量に関連性を有する排気空燃比センサ２２の検出特性を利用する。これにより、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されているＳＯｘが、ＮＯｘ触媒２０から離脱し終えた時期を検知することが可能となるため、ＮＯｘ触媒２０の排気浄化能力を確実に回復させるとともに、排気への過度の燃料供給を抑えることになるため排気エミッションの悪化および燃費の悪化を抑制することが可能となる。
【００７３】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は排気中に含まれるＮＯｘを吸蔵、還元して浄化するためのＮＯｘ触媒を備え、該ＮＯｘ触媒に供給される排気の空燃比をフィードバック制御し、該ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘを離脱させる場合に、ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘ量に関連性を有する排気空燃比検出手段の検出特性を利用することで、ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘが、ＮＯｘ触媒から離脱し終えた時期をより確実に検知することが可能となる。よって、ＮＯｘ触媒の排気浄化能力をより確実に回復させるとともに、排気への過度の燃料供給を抑えることになるため排気エミッションの悪化および燃費の悪化を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置を有する内燃機関およびその制御系統の概略構成を示す図である。
【図２】本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯｘ触媒の下流を流れる排気の空燃比を検出する排気空燃比センサの検出特性を示す図である。
【図３】本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯｘ触媒のＳＯｘ被毒再生および該制御の終了時期の判断を行うＳＯｘ被毒再生制御を示すフロー図である。
【図４】本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯｘ触媒のＳＯｘ被毒再生および該制御の終了時期の判断を行うＳＯｘ被毒再生制御を示す第２のフロー図である。
【符号の説明】
１・・・・内燃機関
３・・・・燃料噴射弁
１２・・・・燃料添加弁
１７・・・・排気枝管
１８・・・・排気管
２０・・・・ＮＯｘ触媒
２２・・・・排気空燃比センサ
Claims (3)
- 排気に含まれるＮＯｘを吸蔵、還元して排気の浄化を行うＮＯｘ触媒と、
内燃機関の運転状態に基づいて前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘ量を推定するＳＯｘ量推定手段と、
前記ＮＯｘ触媒の下流の排気の空燃比を検出する空燃比検出手段と、
前記ＮＯｘ触媒に供給される排気に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記ＳＯｘ量推定手段によって推定されるＳＯｘ量が所定のＳＯｘ量を越えるときに、前記空燃比検出手段によって検出される排気の空燃比をパラメータとして、前記燃料供給手段を介して前記ＮＯｘ触媒に供給される排気の空燃比をフィードバック制御することで前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘの離脱制御を行うＳＯｘ被毒再生手段と、
前記ＳＯｘ被毒再生手段によるＳＯｘの離脱制御を行う場合に前記空燃比検出手段によって検出される空燃比の値が所定の空燃比の値に対してリッチ側の値であることを検出することによって、前記ＳＯｘ被毒再生手段によるＳＯｘの離脱制御を終了させるＳＯｘ被毒再生終了手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 前記ＳＯｘ被毒再生終了手段は、前記燃料供給手段を介して排気へ供給される燃料の供給量の減少率に基づいて前記空燃比検出手段によって検出される空燃比の値が所定の空燃比の値に対してリッチ側の値であることを検出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。
- 前記ＮＯｘ触媒は、該ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＳＯｘ量の減少に応じて炭化水素から水素を生成する能力が増加する材料が担持されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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2003
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