(57)【要約】    【課題】ＬＮＣが未活性の状態におけるＮＯＸ浄化性能をより一層向上すべく改良された内燃機関の排気浄化装置を提供する。    【解決手段】ＴＷＣ７とこの下流側に設けられたＬＮＣ９とに吸着したＮＯＸを除去する制御手段を備えた内燃機関の排気浄化装置において、ＬＮＣが未活性状態であり且つＴＷＣが活性状態である時には、ＴＷＣに適したＮＯＸ除去制御を実行し、ＬＮＣの活性後は、ＬＮＣに適したＮＯＸ除去制御を実行するものとした。特にＴＷＣに対するＮＯＸ除去制御は、リッチスパイク制御と、連続的なストイキ制御または弱リッチ制御とから選択されるものとした。【選択図】図３
2008128162.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも還元機能を有する第１の触媒と、この下流側に設けられた排気空燃比がリーン状態でＮＯＸを吸着し且つリッチ状態で吸着したＮＯＸを還元浄化する第２の触媒と、前記第１の触媒および前記第２の触媒が吸蔵したＮＯＸを除去する制御手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
前記第２の触媒が未活性状態であり且つ前記第１の触媒が活性状態である時には、前記第１の触媒に適したＮＯＸ除去制御を実行し、
前記第２の触媒の活性後は、該第２の触媒に適したＮＯＸ除去制御を実行することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記第１の触媒に対するＮＯＸ除去制御は、リッチスパイク制御と、連続的なストイキ制御または弱リッチ制御とから選択され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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気中のＮＯＸを一時的に補足すると共に、吸蔵されたＮＯＸを放出・還元することによって排気を浄化する内燃機関の排気浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
希薄燃焼を行う内燃機関（例えばディーゼル機関）の排気通路には、排気中のＮＯＸ（窒素酸化物）を還元浄化するためのリーンＮＯＸ触媒（以下、ＬＮＣと記す）が設けられることがある。このＬＮＣにおいては、排出ガスの空燃比（以下、排気Ａ／Ｆと記す）が所定値よりも高い（以下、リーンと記す）時に捕捉・吸蔵したＮＯＸを、排気Ａ／Ｆが所定値よりも低い（以下、リッチと記す）時に放出し且つ還元して無害化する処理を行っている。
【０００３】
このＬＮＣのＮＯＸ浄化性能は、内燃機関の運転状態に応じて変化し、例えば、還元処理の実行中に、ＬＮＣに捕捉されていたＮＯＸの一部が還元されることなくＬＮＣから脱離する現象（ＮＯＸスリップ）が発生することが判明している。
【０００４】
これを回避するために、ＬＮＣ温度が所定の温度よりも低く、かつ内燃機関の負荷が所定値よりも高いときにはリーン運転を禁止するようにした内燃機関の制御が、特許文献１に提案されている。
【０００５】
他方、ＬＮＣは、ＮＯＸ吸蔵量が増大するとその補捉性能が低下するので、適時、ＬＮＣに吸蔵されたＮＯＸの放出・還元処理を行うために排気Ａ／Ｆを間欠的にリッチ雰囲気とするリッチスパイク制御を行うようにしている。またこの時に、ＬＮＣには劣るもののＴＷＣにも同様のＮＯＸ処理能力のあることが見出されている。
【特許文献１】特開２００６−２１４３２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかるに、文献１に記載の技術によると、ＬＮＣ温度が例えば摂氏２００度以上の活性温度に達するまではストイキ運転を行うことになるので、燃費の面で不利となる。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の不都合を解消すべく案出されたものであり、その主な目的は、ＬＮＣが未活性の状態におけるＮＯＸ浄化性能をより一層向上すべく改良された内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような課題を解決するため、本発明の請求項１は、少なくとも還元機能を有する第１の触媒（例えばＴＷＣ７）と、この下流側に設けられた排気Ａ／Ｆがリーン状態でＮＯＸを吸着し且つリッチ状態で吸着したＮＯＸを還元浄化する第２の触媒（例えばＬＮＣ９）と、これら両触媒が吸蔵したＮＯＸを除去する制御手段とを備えた内燃機関の排気浄化装置において、第２の触媒が未活性状態であり且つ第１の触媒が活性状態である時には、第１の触媒に適したＮＯＸ除去制御を実行し、第２の触媒の活性後は、第２の触媒に適したＮＯＸ除去制御を実行するものとした。
また請求項２においては、第１の触媒に対するＮＯＸ除去制御は、リッチスパイク制御と、連続的なストイキ制御または弱リッチ制御とから選択されるものとした。
【発明の効果】
【０００９】
このような本発明によれば、第２の触媒温度が活性温度に達していないために排気エミッションが悪化する可能性のある運転状態にあっては、第１の触媒が活性温度に達しており且つ低負荷運転の場合には、第１の触媒に適したリッチスパイクモード制御にてＮＯＸ除去を実施し、第１の触媒がＮＯＸを吸着できない高負荷運転域にあっては排気Ａ／Ｆを連続的にストイキ又は弱リッチにすることでＮＯＸを浄化することが可能となる。従って本発明により、排気エミッションの向上と省燃費との両立を図る上に多大な効果を奏することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。
【００１１】
図１は、本発明が適用される内燃機関Ｅの基本的な構成図である。この内燃機関（ディーゼルエンジン）Ｅは、その機械的な構成自体は周知のものと何ら変わるところはなく、過給圧可変機構付きターボチャージャ１を備えるものであり、ターボチャージャ１のコンプレッサ側に吸気通路２が連結され、ターボチャージャ１のタービン側に排気通路３が連結されている。そして吸気通路２の上流端にエアクリーナ４が接続され、吸気通路２の適所に燃焼室に流入する新気の流量を調節するための吸気制御弁５と、低回転速度・低負荷運転域で流路断面積を絞って吸気流速を高めるためのスワールコントロール弁６とが設けられている。また排気通路３の過給機１よりも下流側には、ストイキ雰囲気下において排気中のＨＣおよびＣＯを酸化すると共にＮＯＸを還元するＴＷＣ７（第１の触媒）と、煤などの粒子状物質（ＰＭ）を除去するフィルタ（DＰＦ）８と、酸素濃度が高い（リーン）ときに排気中のＮＯＸを捕捉すると共に、酸素濃度が低いとき（リッチ）に吸蔵したＮＯＸを放出・還元するＬＮＣ９（第２の触媒）とを、排気の流れに沿って上流からこの順に連設してなる排気浄化装置１０が接続されている。
【００１２】
スワールコントロール弁６と排気通路３における燃焼室の直後との間は、排気再循環（以下、ＥＧＲと記す）通路１１を介して互いに連結されている。このＥＧＲ通路１１は、切換弁１２を介して分岐されたクーラー通路１１ａとバイパス通路１１ｂとからなり、その合流部に、燃焼室に流入するＥＧＲ流量を調節するＥＧＲ制御弁１３が設けられている。
【００１３】
内燃機関Ｅのシリンダヘッドには、その先端を燃焼室に臨ませた燃料噴射弁１４が設けられている。この燃料噴射弁１４は、燃料を所定の高圧状態で蓄えるコモンレール１５に連結され、コモンレール１５には、クランク軸にて駆動されて燃料タンク１６から燃料を汲み上げる燃料ポンプ１７が接続されている。
【００１４】
これらのターボチャージャ１の過給圧可変機構１９、吸気制御弁５、ＥＧＲ通路切換弁１２およびＥＧＲ制御弁１３、燃料噴射弁１４、燃料ポンプ１７・・・等は、電子制御装置（以下、ＥＣＵと略称する）１８からの制御信号によって作動するように構成されている（図２参照）。
【００１５】
一方、ＥＣＵ１８には、図２に示すように、内燃機関Ｅの所定箇所に配置された吸気弁開度センサ２０、クランク軸回転速度センサ２１、吸気流量センサ２２、過給圧センサ２３、ＥＧＲ弁開度センサ２４、コモンレール圧センサ２５、アクセルペダル操作量センサ２６、Ｏ２センサ２７Ｕ・２７Ｌ、ＮＯＸセンサ２８Ｕ・２８Ｌ、ＴＷＣ温度センサ２９、ＬＮＣ温度センサ３０・・・等からの出力信号が入力されている。
【００１６】
ＥＣＵ１８のメモリには、クランク軸回転速度および要求トルク（アクセルペダル操作量）に応じてベンチテスト等によって予め求めた最適燃料噴射量をはじめとする各制御対象の制御目標値を設定したマップが格納されており、内燃機関Ｅの負荷状況に応じて最適な燃焼状態が得られるように、各部の制御が行われる。
【００１７】
次に図３を参照してリッチスパイクモードの選択制御について説明する。先ず、ＬＮＣ温度を検出し、所定の活性温度（例えば摂氏１５０〜２００度）に達しているか否かを判別する（ステップ１）。ここで活性温度に達していると判断されたとき（ステップ１：肯定）には、ＬＮＣ９に適合したリッチスパイクモードを実行する（ステップ２）。
【００１８】
ステップ１でＬＮＣ９が活性温度に達していないと判断されたとき（ステップ１：否定）には、ＴＷＣ７が所定の活性温度（例えば摂氏２００度）に達しているか否かを判別する（ステップ３）。ここでＴＷＣ７が活性温度に達してないと判断されたとき（ステップ３：否定）には、リッチスパイクモードの実行条件が成立していないと判断して本処理の１サイクルを終了する。
【００１９】
ステップ３でＴＷＣ７が活性温度に達していると判断されたとき（ステップ３：肯定）には、クランク軸回転速度および要求トルクに基づいて設定された負荷判別マップ（図示せず）を検索し、現状が所定の高負荷領域であるか否かを判別する（ステップ４）。ここで負荷が所定値以下と判断されたとき（ステップ４：否定）には、ＴＷＣ７に適合したリッチスパイクモードが実行され（ステップ５）、負荷が所定値以上と判断されたとき（ステップ４：肯定）には、連続ストイキ（または弱リッチ）モードが実行される（ステップ６）。
【００２０】
ＴＷＣ７の方が排気上流側、即ち燃焼室に近い側にあるので、ＬＮＣ９よりも早期に昇温する。この様子を時系列的に表すと図４に示すようになり、ＴＷＣ７が先に活性温度に達すると、ＬＮＣ９が活性温度に達するまでＴＷＣ７に適合したリッチ制御が行われ、ＬＮＣ９が活性温度に達すると、ＬＮＣ９に適合したリッチ制御が行われる。
【００２１】
次に、図５を参照してリッチスパイクモードの制御について説明する。このリッチスパイクモードは、希薄燃焼運転中にＴＷＣ７或いはＬＮＣ９に捕捉されたＮＯＸの放出・還元処理として実行されるものであり、燃料噴射弁１４での燃料噴射量（主噴射・ポスト噴射）の増大または吸入空気量の減少（過給機１、吸気制御弁５、スワールコントロール弁６、ＥＧＲ制御弁１３の制御のいずれかによって行う）によって行われる。
【００２２】
先ず、リッチスパイクモードの実行時間を計時するリッチタイマが計時を終了している（カウント０）か否かを判別する（ステップ１１）。リッチタイマのカウント値が０のとき、つまりリッチスパイクモードが終了していると判断されたとき（ステップ１１：肯定）には、クランク軸回転速度および要求トルクをアドレスとするＮＯＸ排出量マップ（図示せず）を検索し、その時の運転状況に対応したＮＯＸ排出量を算出する（ステップ１２）。このマップは、クランク軸回転速度が高いほど、また要求トルクが高いほど、より大きな値に設定されている。
【００２３】
次いで、ステップ１２で求めたＮＯＸ排出量を前回までのＮＯＸ排出量積算値に加算した値を、今回のＮＯＸ排出量積算値として更新する（ステップ１３）。このＮＯＸ排出量積算値は、これまでＴＷＣ７或いはＬＮＣ９に捕捉されたＮＯＸの総量に相当する。
【００２４】
次いで、アクセルペダルの操作量が０（全閉）であるか否かを判別する（ステップ１４）。ここでアクセルペダルが踏まれていない、すなわち現状が減速中またはアイドリング中と判断されたとき（ステップ１４：肯定）には、リッチスパイクモードの実行条件が成立していないと判断して本処理の１サイクルを終了する。
【００２５】
ステップ１４でアクセルペダルが踏まれていると判断されたとき（ステップ１４：否定）には、ステップ１３で得たＮＯＸ排出量積算値が所定のしきい値以上であるか否かを判別する（ステップ１５）。
【００２６】
このしきい値は、ＴＷＣ７並びにＬＮＣ９の双方について設定されており、各触媒温度に応じて設定されたテーブルを検索することによって算出される。このテーブルでの判定値は、図５に示すように、第１所定温度（例えば摂氏２００度）以下では第１判定値に設定され、第２所定温度（例えば摂氏４００度）以上では第１判定値よりも大きな第２判定値に設定され、第１判定値と第２判定値との間は、直線で結ばれている。これは、ＴＷＣ７或いはＬＮＣ９の温度が低いほど、また、ＮＯＸ捕捉量が多いほど、ＮＯＸスリップ現象によってＮＯＸ還元率が低下することに対応させるためである。
【００２７】
ここでＮＯＸ排出量積算値が所定値以下であると判断されたとき（ステップ１５：否定）には、ＮＯＸ吸蔵量がまだ少なくてリッチスパイクモードの実行条件が成立していないと判断し、本処理の１サイクルを終了する。
【００２８】
他方、ＮＯＸ排出量積算値が所定値以上と判断されたとき（ステップ１５：肯定）には、リッチスパイクモードを実行し（ステップ１６）ＮＯＸ排出量積算値を０にリセットすると同時に、予め設定されたリッチスパイクモードの実行時間（例えば５秒）を計時するリッチタイマのダウンカウントを開始し（ステップ１７）、本処理の１サイクルを終了する。
【００２９】
ステップ１でリッチタイマがカウント終了していないと判断されたとき（ステップ１：否定）、つまりリッチスパイクモードの実行中には、アクセルペダル操作量のなまし値を算出し、これが略０であるか否かを判別する（ステップ１８）。これが０と判断されたとき（ステップ１８：否定）には、リッチスパイクモードの実行中にアクセルペダルが戻され、且つその状態が継続していると判断してリッチスパイクモード処理を中断し、０でないとき（ステップ１８：肯定）には、リッチスパイクモード処理を継続する。
【００３０】
以上のようにして、ＬＮＣ９が未活性でＴＷＣ７が活性のときには、その時の運転負荷に応じてリッチスパイクモードと連続ストイキモードとを選択することにより、ＬＮＣ９が未活性の状態におけるＮＯＸ浄化作用をＴＷＣ７にて高効率に実行させることができるので、燃費の悪化を招くことなくＮＯＸ浄化性能をより一層向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明が適用される内燃機関の全体構成図である。
【図２】本発明が適用される制御装置のブロック図である。
【図３】モード切替制御に関わるフロー図である。
【図４】モード切替のタイミングを概念的に表すグラフである。
【図５】リッチスパイク制御に関わるフロー図である。
【図６】リッチスパイク制御の実行領域の判定値に関わる説明図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  過給機
５  吸気制御弁
６  スワールコントロール弁
７  ＴＷＣ
９  ＬＮＣ
１３  ＥＧＲ制御弁
１４  燃料噴射弁
１８  ＥＣＵ
【図１】
2008128162.tif 000003
【図２】
2008128162.tif 000004
【図３】
2008128162.tif 000005
【図４】
2008128162.tif 000006
【図５】
2008128162.tif 000007
【図６】
2008128162.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成19年1月9日(2007.1.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
少なくとも還元機能を有する第１の触媒と、この下流側に設けられた排気空燃比がリーン状態でＮＯＸを吸着させ且つ吸着したＮＯＸをリッチ状態で還元浄化する第２の触媒と、前記第１の触媒および前記第２の触媒からＮＯＸを除去する制御手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
前記第２の触媒が未活性状態であり且つ前記第１の触媒が活性状態である時には、前記第１の触媒に適したＮＯＸ除去制御を実行し、
前記第２の触媒の活性後は、該第２の触媒に適したＮＯＸ除去制御を実行することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気中のＮＯＸを一時的に吸着させると共に、吸着したＮＯＸを還元することによって排気を浄化する内燃機関の排気浄化装置に関するものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
希薄燃焼を行う内燃機関（例えばディーゼル機関）の排気通路には、排気中のＮＯＸ（窒素酸化物）を還元浄化するためのリーンＮＯＸ触媒（以下、ＬＮＣと記す）が設けられることがある。このＬＮＣにおいては、排出ガスの空燃比（以下、排気Ａ／Ｆと記す）が所定値よりも高い（以下、リーンと記す）時に吸着させたＮＯＸを、排気Ａ／Ｆが所定値よりも低い（以下、リッチと記す）時に還元して無害化する処理を行っている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
このＬＮＣのＮＯＸ浄化性能は、内燃機関の運転状態に応じて変化し、例えば、還元処理の実行中に、ＬＮＣに吸着していたＮＯＸの一部が還元されることなくＬＮＣから脱離する現象（ＮＯＸスリップ）が発生することが判明している。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
他方、ＬＮＣは、ＮＯＸ吸着量が増大するとその浄化性能が低下するので、適時、ＬＮＣに吸着したＮＯＸの還元処理を行うために排気Ａ／Ｆを間欠的にリッチ雰囲気とするリッチスパイク制御を行うようにしている。またこの時に、ＬＮＣには劣るもののＴＷＣにも同様のＮＯＸ処理能力のあることが見出されている。
【特許文献１】特開２００６−２１４３２０号公報
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
このような課題を解決するため、本発明の請求項１は、少なくとも還元機能を有する第１の触媒（例えばＴＷＣ７）と、この下流側に設けられた排気Ａ／Ｆがリーン状態でＮＯＸを吸着させ且つ吸着したＮＯＸをリッチ状態で還元浄化する第２の触媒（例えばＬＮＣ９）と、これら両触媒からＮＯＸを除去する制御手段とを備えた内燃機関の排気浄化装置において、第２の触媒が未活性状態であり且つ第１の触媒が活性状態である時には、第１の触媒に適したＮＯＸ除去制御を実行し、第２の触媒の活性後は、第２の触媒に適したＮＯＸ除去制御を実行するものとした。
また請求項２においては、第１の触媒に対するＮＯＸ除去制御は、リッチスパイク制御と、連続的なストイキ制御または弱リッチ制御とから選択されるものとした。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
このような本発明によれば、第２の触媒温度が活性温度に達していないために排気エミッションが悪化する可能性のある運転状態にあっては、第１の触媒が活性温度に達しており且つ低負荷運転の場合には、第１の触媒に適したリッチスパイクモード制御にてＮＯＸ除去を実施し、第１の触媒がＮＯＸを吸着させることができない高負荷運転域にあっては排気Ａ／Ｆを連続的にストイキ又は弱リッチにすることでＮＯＸを浄化することが可能となる。従って本発明により、排気エミッションの向上と省燃費との両立を図る上に多大な効果を奏することができる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
図１は、本発明が適用される内燃機関Ｅの基本的な構成図である。この内燃機関（ディーゼルエンジン）Ｅは、その機械的な構成自体は周知のものと何ら変わるところはなく、過給圧可変機構付きターボチャージャ１を備えるものであり、ターボチャージャ１のコンプレッサ側に吸気通路２が連結され、ターボチャージャ１のタービン側に排気通路３が連結されている。そして吸気通路２の上流端にエアクリーナ４が接続され、吸気通路２の適所に燃焼室に流入する新気の流量を調節するための吸気制御弁５と、低回転速度・低負荷運転域で流路断面積を絞って吸気流速を高めるためのスワールコントロール弁６とが設けられている。また排気通路３の過給機１よりも下流側には、ストイキ雰囲気下において排気中のＨＣおよびＣＯを酸化すると共にＮＯＸを還元するＴＷＣ７（第１の触媒）と、煤などの粒子状物質（ＰＭ）を除去するフィルタ（DＰＦ）８と、酸素濃度が高い（リーン）ときに排気中のＮＯＸを吸着させると共に、吸着したＮＯＸを酸素濃度が低い（リッチ）ときに還元するＬＮＣ９（第２の触媒）とを、排気の流れに沿って上流からこの順に連設してなる排気浄化装置１０が接続されている。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
次に、図５を参照してリッチスパイクモードの制御について説明する。このリッチスパイクモードは、希薄燃焼運転中にＴＷＣ７或いはＬＮＣ９に吸着したＮＯＸを還元する処理として実行されるものであり、燃料噴射弁１４での燃料噴射量（主噴射・ポスト噴射）の増大または吸入空気量の減少（過給機１、吸気制御弁５、スワールコントロール弁６、ＥＧＲ制御弁１３の制御のいずれかによって行う）によって行われる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
次いで、ステップ１２で求めたＮＯＸ排出量を前回までのＮＯＸ排出量積算値に加算した値を、今回のＮＯＸ排出量積算値として更新する（ステップ１３）。このＮＯＸ排出量積算値は、これまでＴＷＣ７或いはＬＮＣ９に吸着したＮＯＸの総量に相当する。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
このしきい値は、ＴＷＣ７並びにＬＮＣ９の双方について設定されており、各触媒温度に応じて設定されたテーブルを検索することによって算出される。このテーブルでの判定値は、図５に示すように、第１所定温度（例えば摂氏２００度）以下では第１判定値に設定され、第２所定温度（例えば摂氏４００度）以上では第１判定値よりも大きな第２判定値に設定され、第１判定値と第２判定値との間は、直線で結ばれている。これは、ＴＷＣ７或いはＬＮＣ９の温度が低いほど、また、ＮＯＸ吸着量が多いほど、ＮＯＸスリップ現象によってＮＯＸ還元率が低下することに対応させるためである。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
ここでＮＯＸ排出量積算値が所定値以下であると判断されたとき（ステップ１５：否定）には、ＮＯＸ吸着量がまだ少なくてリッチスパイクモードの実行条件が成立していないと判断し、本処理の１サイクルを終了する。