(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リーン空燃比運転中に排気中のＮＯｘを吸着保持するとともにリッチ空燃比運転中に吸着保持したＮＯｘを脱離、還元するＮＯｘ吸蔵触媒を備えた内燃機関において、
ＮＯｘ吸蔵触媒の下流のＮＯｘ濃度を検出する手段と、
リーン運転中にＮＯｘ吸蔵触媒でのＮＯｘの吸着保持量を推定する手段と、
この吸着保持量が所定値に達したときに空燃比を一時的にリッチ空燃比に切り換えてＮＯｘを脱離還元するリッチ制御手段とを備え、
このリッチ制御手段はリッチ制御開始から所定の時間はほぼ一定のリッチ空燃比の初期値を維持し、その後はＮＯｘの脱離特性に応じて空燃比の濃化度合いを小さくしていき、かつこのとき検出されたＮＯｘ吸蔵触媒の下流側のＮＯｘ濃度の変化量が大きいほど空燃比の濃化度合いを小さくするように補正する
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はリーン空燃比による運転時に排気中のＮＯｘを吸着保持し、ストイキもしくはリッチ空燃比に切換わったときにＮＯｘを脱離還元するＮＯｘ吸蔵触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平６−１０７２５号公報にもあるように、リーン空燃比により運転される内燃機関の排気中に含まれるＮＯｘを低減するために、ＮＯｘ吸蔵触媒を排気系に設置することが知られている。
【０００３】
ＮＯｘ吸蔵触媒は、リーン空燃比での運転中は排気中に含まれるＮＯｘを吸着保持し、空燃比がリッチに切換えられたときに、吸着保持していたＮＯｘを脱離、還元するもので、従来の三元触媒が理論空燃比のときにのみＮＯｘの還元作用を発揮するのと異なり、リーン空燃比であってもＮＯｘの外部への放出が防げるという利点がある。
【０００４】
ＮＯｘ吸蔵触媒では、ＮＯｘの吸着保持量が一定の飽和値に達するとそのままＮＯｘが排出されしまうため、飽和状態の少し前に空燃比を一時的にリッチに切換え（これをリッチスパイクという）、保持されているＮＯｘの脱離還元を行い、触媒を再生する必要がある。ただし、このリッチスパイクは内燃機関にとっては空燃比が不必要に濃くなるだけのため、その分の燃費の悪化は避けられず、したがってＮＯｘ吸蔵触媒の再生時には空燃比を過剰に濃くすることなく、効率のよいリッチスパイクを行わないといけない。
【０００５】
上記した従来例では、ＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘの脱離反応速度が触媒が高温のときに速く、低温のときに遅いことに着目して、触媒温度に対応してリッチスパイクの濃度（空燃比）とその維持時間を制御している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＮＯｘ吸蔵触媒における再生時のＮＯｘの離脱特性をみると、リッチスパイクの直後に最大値をとるが、それ以降は徐々に減少していくことが分かっている。ＮＯｘの脱離反応には、理論空燃比よりも濃くすることで発生する排気中の余剰のＨＣ、ＣＯなどが用いられる。しかし、反応直後は供給されたＨＣのほぼ全量がＮＯｘの脱離に供されたとしても、それ以降はＮＯｘの脱離量が減少するのにしたがい、供給されたＨＣは余剰となってしまうのであり、この場合には、無駄にＨＣが供給されたことになり、その分だけ燃費が悪化することになる。
【０００７】
しかし、従来のリッチスパイク制御によると、触媒温度が高いときには空燃比を濃く、維持時間を短く、また触媒温度が低いときは、空燃比を薄く（ただし理論空燃比よりは濃い）維持時間を長くしているが、この期間中の空燃比はそれぞれ一定値に維持しているため、反応直後には過不足なくＨＣを供給できても、その後、反応が完了するまでの大半の期間はＨＣが過剰に供給されることになり、これが燃費を悪化させる原因となっている。
【０００８】
本発明はこのような問題を解決するために提案されたもので、リッチスパイク時にＮＯｘ吸蔵触媒におけるＮＯｘ脱離特性に合わせて空燃比を徐々に変化させることにより、ＮＯｘの浄化効率を良好に維持しつつ燃費の向上を図ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明はリーン空燃比運転中に排気中のＮＯｘを吸着保持するとともにリッチ空燃比運転中に吸着保持したＮＯｘを脱離、還元するＮＯｘ吸蔵触媒を備えた内燃機関において、ＮＯｘ吸蔵触媒の下流のＮＯｘ濃度を検出する手段と、リーン運転中にＮＯｘ吸蔵触媒でのＮＯｘの吸着保持量を推定する手段と、この吸着保持量が所定値に達したときに空燃比を一時的にリッチ空燃比に切り換えてＮＯｘを脱離還元するリッチ制御手段とを備え、このリッチ制御手段はリッチ制御開始から所定の時間はほぼ一定のリッチ空燃比の初期値を維持し、その後はＮＯｘの脱離特性に応じて空燃比の濃化度合いを小さくしていき、かつこのとき検出されたＮＯｘ吸蔵触媒の下流側のＮＯｘ濃度の変化量が大きいほど空燃比の濃化度合いを小さくするように補正することを特徴とする。
【００１５】
【作用および発明の効果】
本発明では、触媒再生時に、リッチ制御開始から所定の時間はほぼ一定のリッチ空燃比の初期値を維持し、その後はＮＯｘの脱離特性に応じて空燃比の濃化度合いを小さくしていき、かつこのとき検出されたＮＯｘ吸蔵触媒の下流側のＮＯｘ濃度の変化量が大きいほど空燃比の濃化度合いを小さくするように補正する。この場合には、実際のＮＯｘの脱離、還元状態を検出しながら空燃比を調整することで、最も効率的にＨＣの供給を行うことが可能となり、ＮＯｘの浄化、燃費にとって最良の制御が行える。
【００２０】
【実施の形態】
以下本発明の最良の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【００２１】
図１において、１は機関本体、２は吸気通路、３は排気通路であり、燃焼室４には、直接的に燃料を噴射する燃料インジェクタ５、及びこの噴射燃料を含む混合気を点火するための点火栓６が備えられる。
【００２２】
燃料インジェクタ５からは、機関の部分負荷時など圧縮行程の後半に燃料が噴射され、点火栓近傍に可燃混合気層を形成維持し、全体的には超リーン混合気であっても、安定した成層燃焼を実現する。なお、機関の高負荷時など混合気は理論空燃比に切り替えられ、このときには燃料噴射時期は吸気行程に移り、均質的な理論空燃比の混合気を形成し、通常の予混合燃焼を行う。
【００２３】
排気通路３にはリーン運転時に排気中のＮＯｘを吸着保持するＮＯｘ吸蔵触媒７が設けられる。このＮＯｘ吸蔵触媒７の吸着保持量が所定の状態に達したときに、空燃比を一時的にリーンからリッチに切り替え、つまりリッチスパイクを行い、保持していたＮＯｘを脱離還元し、触媒を再生するため、燃料インジェクタ５からの燃料噴射量を制御装置１０が切り替え制御する。
【００２４】
なお、図中８は排気の一部を吸気中に還流するための排気還流装置を示す。
【００２５】
上記制御装置１０は運転条件に応じてＮＯｘ吸蔵触媒７のＮＯｘの吸着保持量を予測し、これに基づいて所定のタイミングでリッチスパイクを行い、かつこのときの空燃比をＮＯｘ還元特性に対応して徐々に変化させていき、燃費を悪化させることなく、ＮＯｘの浄化効率を最良に制御するようになっている。
【００２６】
このため、制御装置１０には、吸気通路２のスロットルバルブ開度を検出するスロットル開度センサ１１、吸入空気量を測定するエアフロメータ１２、クランク角度を検出するクランク角センサ１３、冷却水温を検出する水温センサ１４などからの運転状態を代表する信号が入力し、さらに、排気通路３のＮＯｘ吸蔵触媒７の上流の排気空燃比を検出するための空燃比センサ１５と、触媒直前の排気温度を検出する排気温度センサ１６と、触媒温度を代表する温度を検出する触媒温度センサ１７、さらには触媒下流のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ１８などからの信号が入力するようになっている。
【００２７】
制御装置１０において実行される上記した制御内容について、図２のフローチャートにしたがって詳しく説明する。
【００２８】
まず、ステップＳ１でエンジン回転数Ｎｅ、吸入空気量Ｑ、排気ガス温度Ｔａ、触媒温度Ｔｃ、冷却水温Ｔｗ、ＮＯｘ濃度などを読み込み、ステップＳ２においてリッチスパイクの許可判定を行う。この許可判定は、リーン運転中にＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘの吸着保持量が限界能力によりもある程度の余裕のある所定値に達したかどうかを、リーン運転中の単位時間当たりのＮＯｘ排出量の積算値などにより判断するもので、所定値に達したと判断されたときにのみステップＳ３に進む。
【００２９】
ステップＳ３ではそのときのＮＯｘ吸着保持量Ｎｍａｓを演算により求め、次いでステップＳ４でリッチスパイクのための燃料増量補正係数の初期値Ｋ０を決定する。このＫ０は図３に示すようなマップを参照して、そのときの吸入空気量とＮＯｘ吸着保持量に基づいてＫ０＞１．０の値が算出される。
【００３０】
この場合、燃料増量補正係数の初期値Ｋ０は、ＮＯｘの吸着保持量が多いほど空燃比が濃くなるように設定され、また、吸入空気量が大きいときは、同一の空燃比の変化量でもＨＣの供給量の絶対量が大きくなるため、吸入空気量が大きくなるほど空燃比の濃化度合いが小さくなるように設定される。
【００３１】
さらに、ステップＳ５ではリッチスパイク開始時のＮＯｘの脱離反応の応答遅れ時間Ｔ０を、例えば触媒温度や排気温度に基づいて算出する。
【００３２】
ステップＳ６において燃料噴射パルス幅Ｔｉを次式のように算出する。
【００３３】
Ｔｉ＝Ｔｐ＊α＊Ｋ０（Ｔ０）＋Ｔｓ
ただし、Ｔｐは吸入空気量と回転数に基づいて算出される基本燃料噴射パルス幅、αは空燃比センサの出力に基づいて決まる空燃比フィードバック補正係数で、リーン運転時にはα＜１．０のある定数、リッチスパイク時にはα＝１．０にクランプされる。またＴｓは無効燃料パルス幅である。
【００３４】
そして、ステップＳ７において、この燃料噴射パルス幅Ｔｉに基づいて燃料の増量噴射、つまりリッチスパイクが開始される。このときの空燃比は理論空燃比よりも所定値だけ濃い空燃比となり、これによりＮＯｘ吸収触媒でのＮＯｘの脱離反応が開始される。
【００３５】
ステップＳ８ではこの燃料増量補正係数Ｋ０に基づいての増量補正に入ってからの経過時間Ｔｎを、前記遅れ時間Ｔ０と比較し、遅れ時間Ｔ０が経過するまでの間は、ステップＳ６に戻り、同一の増量補正値（空燃比）を維持する。
【００３６】
そして、遅れ時間Ｔ０を経過するとステップＳ９に進み、例えば次式のようにして燃料増量補正係数ＫｎＴｎを演算する。
【００３７】
Ｋｎ（Ｔｎ）＝Ｃ＊［２＊Ｋ（ｎ−１）2（Ｔ（ｎ−１））−Ｋ（ｎ−２）2（Ｔ（ｎ−２））］1/2
ただし、遅れ時間Ｔ０の経過時にＫｎ＝Ｋ０であり、またＣは定数、ｎ≧２（整数）である。
【００３８】
この燃料増量補正係数Ｋｎ（Ｔｎ）は触媒からのＮＯｘ脱離特性に応じて、時間の経過とともに緩やかに二次関数的に減少していくが、この他にも、例えば次式のように指数関数的に演算することもできる。
【００３９】
Ｋｎ（Ｔｎ）＝Ｋ（ｎ−１）（Ｔ（ｎ−１））／ｅA＊T(n-1)
ただし、Ａは定数、ｎ≧１（整数）である。
【００４０】
このようにして時間の経過とともに変化する燃料増量補正増量Ｋｎ（Ｔｎ）を求めたら、ステップＳ１０において、これに基づいて燃料噴射パルス幅Ｔｉを次式のようして算出する。
【００４１】
Ｔｉ＝Ｔｐ＊α＊Ｋｎ（Ｔｎ）＋Ｔｓ
そして、ステップＳ１１において、このＴｉによって増量燃料（空燃比）を補正し、ステップＳ１２でＫｎ（Ｔｎ）＝１かどうか判断し、Ｋｎ（Ｔｎ）＝１になるまでの間はステップＳ９に戻り、徐々に燃料噴射量を減らしていく。
【００４２】
そして、燃料増量補正係数Ｋｎ（Ｔｎ）＝１になったら、ステップＳ１３に移り、触媒再生が終了したものとしてリッチスパイクを終了し、リーン空燃比に戻す。なお、この状態では、空燃比補正係数αは１．０以下の定数となり、空燃比は理論空燃比よりも薄くなる。
【００４３】
次に全体の作用を図４を参照しながら説明する。
【００４４】
内燃機関をリーン空燃比により成層燃焼している運転中は、排気中のＮＯｘはＮＯｘ吸蔵触媒７に吸着保持されていき、外部への放出が阻止される。運転条件に応じてのＮＯｘ排出量の積算値から、ＮＯｘ吸蔵触媒７での吸着保持量が予測され、これが限界保持能力付近の所定値に達したと判断されると、燃料の増量補正が行われ、空燃比のリッチスパイク制御が行われる。このリッチスパイクにより排気中のＨＣが増え、いわゆる還元雰囲気となり、ＮＯｘ吸蔵触媒７に吸着保持されていたＮＯｘが離脱、還元される。
【００４５】
リッチスパイク制御時の空燃比の初期値は、ＮＯｘの吸着保持量、そのときの吸入空気量などに応じて設定される一定値（最大値）となり、この値はＮＯｘ吸蔵触媒７でのＮＯｘの脱離に必要なＨＣを供給、つまり還元雰囲気を形成するのに過不足のない値となり、かつ反応開始後、所定の遅れ時間Ｔ０の間は、同一値が維持される。
【００４６】
そして、遅れ時間Ｔ０が経過すると、それ以降は、図４のように、ＮＯｘの脱離量が減少するのに対応して、増量燃料が減少していき、脱離が終了した時点でほぼ増量補正も終了するように制御される。
【００４７】
このため、空燃比のリッチ化がＮＯｘの脱離反応に応じて適切に設定され、従来のように、脱離量が減少するにもかかわらず空燃比が一定量だけリッチ化されるのと異なり、過剰にＨＣが供給されることがなく、燃費の悪化を最小限に止められる。
【００４８】
他の実施の形態を、図５〜図１０に示す。
【００４９】
まず、図５の実施形態は、燃料増量補正係数の初期値Ｋ０を脱離反応開始時の触媒温度に基づいて補正するようにしたものである。
【００５０】
ＮＯｘ吸蔵触媒７の温度により脱離特性は変化し、一般的に温度が高まるほど脱離要求空燃比は濃くなる。
【００５１】
そのため、ステップＳ４で燃料増量補正係数の初期値Ｋ０を算出したら、ステップＳ４−１において、ＮＯｘ吸蔵触媒温度Ｔｃに基づいて、図６に示すようなマップから補正係数Ｃ１（触媒温度が高いほど大きくなる）を算出する。このようにして補正係数Ｃ１を算出したならば、ステップＳ４−２において、燃料増量補正係数Ｋ０にこの補正係数Ｃ１を掛け、つまり、Ｋ０＝Ｋ０＊Ｃ１として、これをステップＳ６で燃料噴射パルス幅Ｔｉを演算するときの燃料増量補正係数Ｋ０＝Ｋ０＊Ｃ１と置き換える。
【００５２】
この結果、リッチスパイク時の燃料噴射量の初期値、つまり初期空燃比は触媒温度が高いほど濃くなり、反対に触媒温度が低くなるほど、濃化の度合いが少なくなる。
【００５３】
したがって、温度に応じて変化するＮＯｘ吸蔵触媒７でのＮＯｘ脱離特性に合わせてＨＣの供給量が制御され、過剰のＨＣが供給され、燃費が悪化したり、ＮＯｘの脱離反応が不完全になったりすることが回避できる。
【００５４】
図７の実施形態は、触媒の劣化度合いに応じて燃料増量補正係数の初期値Ｋ０を補正するものである。ＮＯｘ吸蔵触媒７の劣化度合いに応じてＮＯｘの吸着保持能力が変化し、かつこれに応じてＮＯｘの脱離反応に必要な空燃比は変化し、劣化が進むほど空燃比の濃化要求は少なくなる。
【００５５】
そこで、この実施形態においては、図７のステップＳ４−１において、エンジン運転状態、例えば吸入空気量や回転数、あるいは触媒温度の積算値などから、触媒の劣化度合いを算出し、ステップＳ４−２で、この劣化度合いに基づいて補正係数Ｃ２を、図８に示すようなマップから算出する。補正係数Ｃ２は触媒の劣化が進むほど小さくなる。
【００５６】
ステップＳ４−３において、燃料増量補正係数Ｋ０にこの補正係数Ｃ２を掛け、つまり、Ｋ０＝Ｋ０＊Ｃ２とし、これをステップＳ６で燃料噴射パルス幅Ｔｉを演算するときの燃料増量補正係数Ｋ０として、Ｋ０＊Ｃ２を置き換える。
【００５７】
そして、この補正係数Ｃ２に含めて、ステップＳ６で燃料噴射パルス幅Ｔｉを演算することにより、触媒の劣化が進むほどリッチスパイク時の空燃比の濃化の度合いを少なくする。したがってＮＯｘ吸蔵触媒７が劣化していくにしたがって不要なＨＣの供給量を減らすことができ、過剰なＨＣの供給による燃費の悪化を阻止できる。
【００５８】
図９の実施の形態は、リッチスパイク制御時にＮＯｘ吸蔵触媒７の下流の実際のＮＯｘの濃度を検出し、ＮＯｘ濃度の変化度合いに応じて燃料増量補正係数をさらに補正することで、リッチスパイク空燃比を適正に制御するようにしたものである。
【００５９】
このため、ステップＳ９で燃料増量補正係数Ｋｎ（Ｔｎ）を算出したら、ステップＳ９−１で、ＮＯｘセンサの出力から単位時間当たりのＮＯｘ濃度の変化量ΔＮＯｘを算出する。ステップＳ９−２では変化量ΔＮＯｘを所定値と比較し、所定値よりも大きい間は、ステップＳ９−３において、この変化量ΔＮＯｘに基づいて、図１０に示すようなマップにしたがって補正係数Ｃ３を求める。
【００６０】
そして、ステップＳ９−４において、この補正係数Ｃ３を用いて、燃料増量補正係数Ｋｎ（Ｔｎ）として、Ｋｎ（Ｔｎ）＊Ｃ３に置き換えて、ステップＳ１０でこれに基づいて燃料噴射パルス幅Ｔｉを演算する。
【００６１】
補正係数Ｃ３は単位時間当たりのＮＯｘ変化量ΔＮＯｘが小さいときほど大きくなるように設定され、これによりＮＯｘの脱離速度が低ければ、空燃比の濃化度合いを大きくして、脱離反応を促進させるし、脱離速度が早ければ、濃化度合いを小さくし、過剰なＨＣの供給を回避するのである。
【００６２】
このようにして、ＮＯｘ脱離反応の最適化を図り、排気性能の向上と燃費の悪化防止を両立させることができる。
【００６３】
なお、上記実施の形態において、第２〜第４の実施の形態の内容のすべてを同時に含むように、リッチスパイクの制御を行うことも勿論可能である。
【００６４】
また、上記実施の形態では、筒内直噴式の内燃機関によりリーン空燃比運転を行う例を示したが、これに限定されるわけではなく、その他のリーン燃焼方式を採用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の各実施形態に共通な全体構成を示す概略構成図てある。
【図２】第１の実施形態におけるリッチスパイク制御を示すフローチャートである。
【図３】燃料増量補正係数の初期値を設定した特性図である。
【図４】リッチスパイク制御中のＮＯｘの脱離特性を示す説明図である。
【図５】第２の実施形態におけるリッチスパイク制御を示すフローチャートである。
【図６】燃料増量補正係数の特性を設定した特性図である。
【図７】第３の実施形態におけるリッチスパイク制御を示すフローチャートである。
【図８】燃料増量補正係数の特性を設定した特性図である。
【図９】第４の実施形態におけるリッチスパイク制御を示すフローチャートである。
【図１０】燃料増量補正係数の特性を設定した特性図である。
【符号の説明】
１  機関本体
４  燃焼室
５  燃料インジェクタ
６  点火栓
７  ＮＯｘ吸蔵触媒
１０  制御装置
１５  空燃比センサ
１７  触媒温度センサ
１８  ＮＯｘセンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003671647.tif 000009
【図９】
0003671647.tif 000010
【図１０】
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