(57)【要約】【課題】本発明は、排気中のＮＯｘを吸蔵、還元するＮＯｘ触媒を備え、排気に燃料を添加することでＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能力を回復させる排気浄化システムにおいて、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能力を平均的に高レベルな状態に維持するとともに、燃費の悪化を抑制することを課題とする。【解決手段】本発明は、上記排気浄化システムにおいて、排気へ燃料を添加してＮＯｘ触媒の吸蔵ＮＯｘを還元することが可能でない状態から可能な状態に移行したときのみにおいて、単位時間あたりの排気への燃料添加を増大させ、該集中的な燃料添加によってＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能力が高い状態に至った後は、単位時間あたりの排気への燃料添加を減少させる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関からの排気中に含まれるＮＯｘを吸蔵、還元するＮＯｘ触媒と、
前記ＮＯｘ触媒に流入する排気に燃料添加を行う燃料添加手段と、
前記燃料添加手段によって前記ＮＯｘ触媒へ燃料を供給する条件が成立しているか否かを判定する燃料添加可否判定手段と、
前記燃料添加可否判定手段によって前記ＮＯｘ触媒へ燃料を供給する条件が成立していると判断されるときに、前記燃料添加手段によって燃料を排気へ添加して前記ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比とすることで該ＮＯｘ触媒へ燃料を供給し、該ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量を低減させる通常還元制御手段と、
前記燃料添加可否判定手段によって前記ＮＯｘ触媒へ燃料を供給する条件が成立していないと判定される状態から、前記燃料添加可否判定手段によって前記ＮＯｘ触媒へ燃料を供給する条件が成立していると判定される状態へ移行したときに、所定期間前記通常還元手段を介して行われる排気への燃料の添加に比べて単位時間あたりの添加量が多い燃料添加を前記燃料添加手段によって行い、前記ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をよりリッチ側の強リッチ空燃比とすることで該ＮＯｘ触媒へ燃料を供給し、該ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量を低減させる集中還元制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
【請求項２】
前記燃料添加可否判定手段は、前記ＮＯｘ触媒の温度が第一所定温度より高い温度であることをもって前記燃料添加手段によって前記ＮＯｘ触媒へ燃料を供給する条件が成立していると判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システム。
【請求項３】
前記燃料添加可否判定手段は、前記ＮＯｘ触媒の温度が前記第一所定温度と比べ高い第二所定温度より低い温度であることをもって前記燃料添加手段によって前記ＮＯｘ触媒へ燃料を供給する条件が成立していると判定す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システム。
【請求項４】
前記燃料添加可否判定手段は、前記内燃機関の機関負荷が高負荷領域より負荷の低い負荷領域に属していることをもって、前記燃料添加手段によって前記ＮＯｘ触媒へ燃料を供給する条件が成立していると判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システム。
【請求項５】
前記燃料添加手段は、前記内燃機関の排気系であって前記ＮＯｘ触媒の上流側の排気系に設けられた燃料添加弁であって、
前記集中還元制御手段は、前記燃料添加弁による排気への燃料の添加間隔を短くすること、又は前記燃料添加弁の一回あたりの開弁時間を長くすることの少なくともいずれかによって、前記燃料添加弁による燃料添加を行うことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のＮＯｘ浄化を行う排気浄化システムに関する。
【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中のＮＯｘを浄化すべく、ＮＯｘを吸蔵し、還元剤の存在下で吸蔵されたＮＯｘを還元する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、「ＮＯｘ触媒」という）が利用されている。しかし、ＮＯｘ触媒は、該ＮＯｘ触媒に吸蔵されるＮＯｘ量（以下、「ＮＯｘ吸蔵量」という）が増加するに従って、そのＮＯｘ浄化能力が低下する。そこで、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元してＮＯｘ吸蔵量を低減させてＮＯｘ浄化能力を回復させるために、ＮＯｘ触媒が設けられている排気管を排気熱で温め、還元剤の気化を促進させる技術が公開されている（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００３】
また、内燃機関の機関始動後、最初にリーン空燃比運転が行われるまでの間に、前回の機関停止時にＮＯｘ触媒に吸蔵されていたＮＯｘの全量を還元するために、ＮＯｘ触媒に流入する排気に添加する還元剤としての燃料の添加量を増量させる技術が公開されている（例えば、特許文献２を参照。）。同様に、内燃機関の機関始動時に、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を僅かばかりリッチ空燃比とする技術が公開されている（例えば、特許文献３を参照。）。
【０００４】
そして、ＮＯｘ触媒による浄化効率の程度が悪化している場合には、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比としてＮＯｘ浄化能力の回復を図るともに、ＮＯｘ触媒の温度が一定の温度より低い場合には、該排気をリッチとするのを禁止する技術が公開されている（例えば、特許文献４を参照。）。
【０００５】
更に、ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘ吸蔵量が多くなるに従い、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をよりリッチ空燃比とすることで、吸蔵されているＮＯｘをより確実に還元する技術が公開されている（例えば、特許文献５を参照、）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−２７２５３９号公報
【特許文献２】
国際公開ＷＯ９８／５１９１９号公報
【特許文献３】
特開２００２−８９２４９号公報
【特許文献４】
特開平１１−１０７８１１号公報
【特許文献５】
特開平６−２７２５４０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＮＯｘ触媒においては、該ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ吸蔵量が多くなるに従い、該ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能力が低下する。そこで、従来の技術においては、還元剤としての燃料をＮＯｘ触媒に流入する排気に添加することで吸蔵されたＮＯｘを還元しても、燃料を直接排気に添加しているために、燃料の分子量が比較的大きく、吸蔵されたＮＯｘを効率的に還元することが困難である。そのため、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能力の回復に時間を要し、ＮＯｘ浄化能力が平均的に低下した状態が続く。更に、その結果、ＮＯｘ浄化能力の回復までに使用する燃料が増大し、燃費が悪化する虞がある。
【０００８】
また、排気に燃料を添加することで吸蔵されたＮＯｘを還元させるためには、ＮＯｘ触媒の状態や内燃機関の運転状態が、該還元反応が効率的に行われる状態にある必要がある。そのような状態にないときに排気に燃料を添加すると、添加した燃料の一部がＮＯｘ触媒での還元反応に供されずに、その結果、燃費が悪化する虞がある。
【０００９】
本発明は、上記したような問題に鑑みてなされたものであり、内燃機関からの排気に含まれるＮＯｘを吸蔵、還元するＮＯｘ触媒を備え、ＮＯｘ触媒に流入する排気に燃料を添加することでＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元して排気の浄化を行う排気浄化システムであって、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを速やかに還元してＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能力を平均的に高い状態に維持するとともに、燃費の悪化を抑制する内燃機関の排気浄化システムを提供することを目的とする。
【００１０】
【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浄化能力のために排気に添加される燃料の単位時間あたりの燃料添加量および燃料添加のタイミングに着目した。これは、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能力回復の進行具合および該ＮＯｘ浄化能力に要する燃料量、即ち燃費が、添加される燃料の単位時間あたりの燃料添加量および燃料添加のタイミングに依存することに依る。
【００１１】
そこで、内燃機関の排気浄化システムにおいて、内燃機関からの排気中に含まれるＮＯｘを吸蔵、還元するＮＯｘ触媒と、前記ＮＯｘ触媒に流入する排気に燃料添加を行う燃料添加手段と、前記燃料添加手段によって前記ＮＯｘ触媒へ燃料を供給する条件が成立しているか否かを判定する燃料添加可否判定手段と、前記燃料添加可否判定手段によって前記ＮＯｘ触媒へ燃料を供給する条件が成立していると判断されるときに、前記燃料添加手段によって燃料を排気へ添加して前記ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比とすることで該ＮＯｘ触媒へ燃料を供給し、該ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量を低減させる通常還元制御手段と、前記燃料添加可否判定手段によって前記ＮＯｘ触媒へ燃料を供給する条件が成立していないと判定される状態から、前記燃料添加可否判定手段によって前記ＮＯｘ触媒へ燃料を供給する条件が成立していると判定される状態へ移行したときに、所定期間前記通常還元手段を介して行われる排気への燃料の添加に比べて単位時間あたりの添加量が多い燃料添加を前記燃料添加手段によって行い、前記ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比をよりリッチ側の強リッチ空燃比とすることで該ＮＯｘ触媒へ燃料を供給し、該ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量を低減させる集中還元制御手段と、を備える。
【００１２】
ＮＯｘ触媒は、ＮＯｘを吸蔵するとともに、該ＮＯｘ触媒の雰囲気の酸素濃度を低下させ還元剤としての燃料を供給することによって、吸蔵されたＮＯｘを還元するＮＯｘ浄化能力を備える。このＮＯｘ浄化能力は、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量が増加するに従って低下する。従って、ＮＯｘ吸蔵量が多いと、ＮＯｘ触媒に流入する排気に含まれるＮＯｘ濃度に対するＮＯｘ触媒から流出する排気に含まれるＮＯｘ濃度の比率（以下、「ＮＯｘ浄化率」という）が低下することになる。そこで、ＮＯｘ浄化率を高レベルな状態に維持するためには、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量を、可及的に少ない状態とすることが好ましい。
【００１３】
そこで、燃料添加手段によってＮＯｘ触媒に流入する排気に燃料を添加することで、ＮＯｘ触媒に還元剤としての燃料を供給する。そして、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの還元反応によってＮＯｘ吸蔵量を低減させて、以てＮＯｘ浄化率を高レベルな状態に維持する。
【００１４】
しかし、該燃料添加手段による燃料添加は、常に実行可能ではなく、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの還元反応が効率的に行われ得る条件下においてのみ可能である。該条件下ではない条件で燃料添加が行われると、ＮＯｘの還元反応が効率的に行われないために燃料添加に要する燃料量が増大して燃費が悪化し、又は燃料がＮＯｘ触媒やＮＯｘ触媒が設けられている内燃機関の排気系等への付着量が増大する虞がある。そこで、燃料添加可否判定手段は、燃料添加手段による燃料添加を実行してＮＯｘ触媒へ燃料を供給し得る条件が成立しているか否かを判定し、該条件が成立していると判定されるときに、燃料添加手段による排気への燃料添加が行われる。
【００１５】
ここで、前記内燃機関の排気浄化システムにおいては、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量を低減させる燃料添加手段として、前記通常還元制御手段と、前記集中還元制御手段が備えられている。両手段において、燃料添加が行われるのは燃料添加可否判定手段によって、ＮＯｘ触媒への燃料供給の条件が成立したと判定されたときである。ここで、各手段による燃料添加についての相違点は、排気に対する燃料の単位時間あたりの添加量と、排気への燃料添加を行うタイミングである。
【００１６】
即ち、集中還元制御手段は、通常還元制御手段に比べて排気に対する燃料の単位時間あたりの添加量が高い集中的な燃料添加を行う。その結果、集中還元制御手段による燃料添加行われているときのＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比は、通常還元制御手段による燃料添加が行われているときのＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比より、よりリッチ側の空燃比である強リッチ空燃比となる。従って、ＮＯｘ触媒における還元反応が促進され、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量が、より速やかに低減される。以て、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能力を示すＮＯｘ浄化率が、より速やかに高レベルな状態に回復する。一方で、集中還元制御手段による燃料添加では、還元反応に供される燃料量が増大するため、燃費が悪化する。
【００１７】
そこで、集中還元制御手段による燃料添加は、一定のタイミングに限られる。即ち、燃料添加可否判定手段によって、燃料添加手段によるＮＯｘ触媒への燃料供給が可能でない状態から可能である状態に移行したときにおいてのみ、所定期間において、集中還元制御手段による燃料添加が行われる。そして、集中還元制御手段による燃料添加が所定期間行われた後は、燃料添加可否判定手段によって燃料添加手段によるＮＯｘ触媒への燃料供給の条件が成立していると判断される限りは、通常還元制御手段による燃料添加が行われる。ここで、集中還元制御手段が行われる所定期間とは、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能力が十分に高レベルな状態に回復したと判断されまでの期間である。例えば、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率が十分に高レベルな程度に回復するまでに、もしくはＮＯｘ触媒から流出する排気のＮＯｘ濃度が十分に低減されるまでに、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量が低減されるのに要する期間をいう。このように、集中還元制御手段による燃料添加のタイミングを限定することで、燃費の悪化を抑制することが可能となる。
【００１８】
このような燃料添加による還元制御が行われることで、ＮＯｘ触媒への燃料供給を行うことができずにＮＯｘ触媒にＮＯｘが吸蔵されていく状態が続いた後、ＮＯｘ触媒への燃料供給を行うことが可能と判断されると、先ず集中還元制御手段による燃料添加が行われる。その結果、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘが集中的に還元され、ＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化率が速やかに回復する。そして、その後、通常還元制御手段による燃料添加を行うことで、燃料添加可否判定手段によって燃料添加手段によるＮＯｘ触媒への燃料供給の条件が成立していると判断される限りは、ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘ量が常に低い状態に維持される。以て、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能力を示すＮＯｘ浄化率が、高レベルな状態に維持され得る。
【００１９】
尚、更に、燃料添加可否判定手段によって燃料添加手段によるＮＯｘ触媒への燃料供給が可能ではないと判断されると、通常還元制御手段による燃料添加は行われなくなるが、再び、燃料添加可否判定手段によって燃料添加手段によるＮＯｘ触媒への燃料供給が可能と判断されると、集中還元制御手段による燃料添加が行われる。
【００２０】
ここで、燃料添加手段によるＮＯｘ触媒への燃料供給の条件が成立しているか否かを判定する燃料添加可否判定手段は、ＮＯｘ触媒の温度に基づいて、該判定を行うことが可能である。即ち、前記燃料添加可否判定手段は、前記ＮＯｘ触媒の温度が第一所定温度より高い温度であることをもって前記燃料添加手段によって前記ＮＯｘ触媒へ燃料を供給する条件が成立していると判定し、一方、前記ＮＯｘ触媒の温度が第一所定温度以下であることをもっては、前記燃料添加手段によって前記ＮＯｘ触媒へ燃料を供給する条件が成立していないと判定する。
【００２１】
これは、ＮＯｘ触媒がＮＯｘの還元反応に効率的に寄与するためには、ＮＯｘ触媒の活性温度である前記第一所定温度以上になる必要があることに依る。そこで、ＮＯｘ触媒の温度が活性温度に到達していないときは、ＮＯｘ触媒への燃料供給による吸蔵ＮＯｘの還元反応は効率的に起こらないため、ＮＯｘ触媒へ燃料を供給する条件が成立していないと判定するものである。
【００２２】
また、ＮＯｘ触媒の温度が過度に上昇した場合には、ＮＯｘ触媒の組成が変化することによって、ＮＯｘ触媒によるＮＯｘの還元反応の効率が低下する。そこで、前記燃料添加可否判定手段は、前記ＮＯｘ触媒の温度が前記第一所定温度と比べ高い第二所定温度より低い温度であることをもって前記燃料添加手段によって前記ＮＯｘ触媒へ燃料を供給する条件が成立していると判定し、一方、前記ＮＯｘ触媒の温度が第二所定温度以上であることをもっては、前記燃料添加手段によって前記ＮＯｘ触媒へ燃料を供給する条件が成立していないと判定する。
【００２３】
ここで、前記第二所定温度とは、ＮＯｘ触媒の温度が過度に昇温することで、ＮＯｘ触媒によるＮＯｘの還元反応の効率が低下すると判断する閾値である。従って、ＮＯｘ触媒の温度が過度に昇温しているときは、ＮＯｘ触媒への燃料供給による吸蔵ＮＯｘの還元反応は効率的に起こらないため、ＮＯｘ触媒へ燃料を供給する条件が成立していないと判定するものである。
【００２４】
次に、燃料添加手段によるＮＯｘ触媒への燃料供給の条件が成立しているか否かを判定する燃料添加可否判定手段は、内燃機関の機関負荷に基づいて、該判定を行うことが可能である。即ち、前記内燃機関の機関負荷が高負荷領域より負荷の低い負荷領域に属していることをもって、前記燃料添加手段によって前記ＮＯｘ触媒へ燃料を供給する条件が成立していると判定し、一方、前記内燃機関の機関負荷が高負荷領域に属していることをもって、前記燃料添加手段によって前記ＮＯｘ触媒へ燃料を供給する条件が成立していないと判定する。
【００２５】
これは、内燃機関の機関負荷が高負荷領域に属するときは、ＮＯｘ触媒に流入する排気量が多くなり、ＮＯｘ触媒において添加された燃料が効率的にＮＯｘの還元反応に供されずにＮＯｘ触媒を通過してしまい、結果として燃費が悪化することに依る。そこで、内燃機関の機関負荷が高負荷領域に属しているときは、ＮＯｘ触媒への燃料供給による吸蔵ＮＯｘの還元反応は効率的に起こらないため、ＮＯｘ触媒へ燃料を供給する条件が成立していないと判定するものである。
【００２６】
ここで、前記燃料添加手段として、内燃機関の排気系であって前記ＮＯｘ触媒の上流側の排気系に設けられた燃料添加弁が考えられる。この場合、前記集中還元制御手段による集中的な燃料添加は、前記通常還元制御手段による燃料添加と比べて、前記燃料添加弁による排気への燃料の添加間隔を短くすること、又は前記燃料添加弁の一回あたりの開弁時間を長くすることの少なくともいずれかによって行う。
【００２７】
このような燃料添加弁による燃料添加を行うことで、集中還元制御手段による燃料添加は、通常還元制御手段による燃料添加と比べて、単位時間あたりの燃料の添加量が多くなり、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を強リッチ空燃比とすることが可能となる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施の形態＞
ここで、本発明に係る内燃機関の排気浄化システムの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排気浄化システム、該排気浄化システムを含む内燃機関１およびその制御系統の概略構成を表すブロック図である。
【００２９】
内燃機関１は、４つの気筒２を有する内燃機関である。また、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。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。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。
【００３０】
次に、内燃機関１には吸気枝管７が接続されており、吸気枝管７の各枝管は、気筒２の燃焼室と吸気ポートを介して連通している。ここで、気筒２の燃焼室と吸気ポートとの連通は、吸気弁の開閉によって行われる。また、吸気枝管７は吸気管８に接続されている。
【００３１】
一方、内燃機関１には排気枝管９が接続され、排気枝管９の各枝管が排気ポートを介して気筒２の燃焼室と連通している。ここで、気筒２の燃焼室と排気ポートとの連通は、排気弁の開閉によって行われる。また、排気枝管９には、排気枝管９を流れる排気に対して燃料を添加する燃料添加弁２１が設けられている。
【００３２】
また、前記排気枝管９は、排気管１０と接続され、この排気管１０は、下流にてマフラー（図示略）に接続されている。更に、排気管１０の途中には、内燃機関から排出される排気中のＮＯｘを吸蔵、還元して排気中のＮＯｘ浄化を行うＮＯｘ触媒１１が設けられている。そこで、先述した燃料添加弁２１によって燃料を添加された排気は、ＮＯｘ触媒１１に流入する。
【００３３】
ここで、燃料噴射弁３および燃料添加弁２１は、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔと称する）２０からの制御信号によって開閉動作を行う。即ち、ＥＣＵ２０からの指令によって、燃料噴射弁３および燃料添加弁２１における燃料の噴射時期および噴射量が弁毎に制御される。
【００３４】
更に、アクセル開度センサ２５がＥＣＵ２０と電気的に接続されており、ＥＣＵ２０はアクセル開度に応じた信号を受け取り、それより内燃機関１に要求される機関トルク等を算出する。また、クランクポジションセンサ２４がＥＣＵ２０と電気的に接続されており、ＥＣＵ２０は内燃機関１の出力軸の回転角に応じた信号を受け取り、内燃機関１の機関回転速度等を算出する。そして、ＥＣＵ２０は、アクセル開度センサ２５およびクランクポジションセンサ２４から検出される要求機関トルクや機関回転速度等から内燃機関１の置かれている負荷領域を判断する。
【００３５】
また、ＮＯｘ触媒１１の上流側の排気管１０にはＮＯｘ触媒１１に流入する排気の温度を検出する排気温度センサ２２が設けられ、ＥＣＵ２０と電気的に接続されている。これによって、ＥＣＵ２０は、ＮＯｘ触媒１１に流入する排気温度を検出し、該排気温度よりＮＯｘ触媒１１の温度を推定する。更に、ＮＯｘ触媒１１の下流側の排気管１０にはＮＯｘ触媒１１から流出する排気に含まれるＮＯｘの濃度（以下、「排気ＮＯｘ濃度」という）を検出する排気ＮＯｘセンサ２３が設けられ、ＥＣＵ２０と電気的に接続されている。
【００３６】
これらのセンサとＮＯｘ触媒１１、燃料添加弁２１等で構成される排気浄化システムによって、内燃機関１から排出される排気に含まれるＮＯｘの浄化が行われる。ここで、ＮＯｘ触媒１１のＮＯｘ浄化能力について図２に基づいて説明する。
【００３７】
図２は、ＮＯｘ触媒１１の異なるＮＯｘ吸蔵量時の、燃料添加弁２１の燃料添加によるＮＯｘ浄化能力の推移を示すグラフである。該グラフの横軸は経過時間を示し、該グラフの縦軸はＮＯｘ濃度を示す。図２中の線Ｌ３はＮＯｘ触媒１１に流入する排気のＮＯｘ濃度を表している。ここで、図２中の線Ｌ１および線Ｌ２は、それぞれＮＯｘ触媒１１のＮＯｘ吸蔵量が相対的に高い場合と低い場合において、線Ｌ３に示すＮＯｘ濃度の排気がＮＯｘ触媒１１に流入しているときに燃料添加弁２１より排気に一定間隔で、且つ単位時間あたりの添加量が等しい燃料添加を行っているときの、ＮＯｘ触媒１１から排出された排気におけるＮＯｘ濃度の推移を表している。従って、線Ｌ１および線Ｌ２で表されるＮＯｘ濃度の推移の差は、ＮＯｘ触媒１１のＮＯｘ浄化能力がＮＯｘ吸蔵量に大きく影響されることを示す。
【００３８】
ＮＯｘ触媒１１のＮＯｘ吸蔵量が多いと（図２中の線Ｌ１で表されるときに相当）、燃料添加弁２１によって燃料を排気へ添加しても、ＮＯｘ触媒１１に吸蔵されているＮＯｘの還元反応が効率よく行われないため、ＮＯｘ浄化能力の回復が緩やかとなる。その結果、ＮＯｘ触媒１１による平均的なＮＯｘ浄化率が低下し、ＮＯｘ触媒１１から流出する排気のＮＯｘ濃度の平均値が高くなる。一方で、ＮＯｘ触媒１１のＮＯｘ吸蔵量が少ないと（図２中の線Ｌ２で表されるときに相当）、ＮＯｘ浄化能力の回復は速やかに行われ、ＮＯｘ触媒１１によるＮＯｘ浄化率の平均値が上昇し、ＮＯｘ触媒１１から流出する排気のＮＯｘ濃度の平均値が高くなるのを抑制することが可能となる。
【００３９】
従って、ＮＯｘ触媒１１のＮＯｘ吸蔵量を可及的に低い状態に維持することで、ＮＯｘ触媒１１のＮＯｘ浄化能力を保ち、ＮＯｘ触媒１１によるＮＯｘ浄化率を高レベルな状態に保持することが可能となる。しかし、ＮＯｘ触媒１１によるＮＯｘ浄化のための、燃料添加弁２１による排気への燃料添加は、ＮＯｘ触媒１１の温度や内燃機関の機関負荷によって、実行され得ない場合があり、そのような場合には、ＮＯｘ触媒１１のＮＯｘ吸蔵量は増大し、ＮＯｘ触媒１１によるＮＯｘ浄化率は次第に低下していく。
【００４０】
そこで、ＮＯｘ触媒１１のＮＯｘ浄化能力を保ち、ＮＯｘ触媒１１によるＮＯｘ浄化率を高レベルな状態に保持するための制御について、図３および図４に基づいて説明する。図３はＮＯｘ触媒１１によるＮＯｘ浄化が行われる際のＮＯｘ還元制御のフローチャートである。尚、該制御は、ＥＣＵ２０によって実行される。
【００４１】
そして、内燃機関１の機関始動時において、図３に示すＮＯｘ還元制御がＥＣＵ２０によって実行されているときの、ＮＯｘ触媒１１によるＮＯｘ浄化率の推移等の一実施例を図４のグラフに示す。該グラフの横軸は経過時間を示し、該グラフの縦軸はＮＯｘ触媒１１によるＮＯｘ浄化率および内燃機関１を備える車両の車速を示す。ここで、図４中の線Ｌ４は本ＮＯｘ還元制御が行われたときのＮＯｘ触媒１１によるＮＯｘ浄化率の推移を表す。また、図４中の線Ｌ５は、後述する通常燃料添加のみによるＮＯｘ還元が行われたときの、ＮＯｘ触媒１１によるＮＯｘ浄化率の推移を表す。また、線Ｌ６は該車両の車速の推移を示す。以下、図４に示すＮＯｘ触媒１１によるＮＯｘ浄化率の推移と併せて、図３における本ＮＯｘ還元制御の説明を行う。
【００４２】
先ず、Ｓ１０１では、燃料添加弁２１によって排気へ燃料を添加しＮＯｘ触媒１１に燃料を供給することで、ＮＯｘ触媒１１でのＮＯｘ還元反応によってＮＯｘ浄化を行う条件が成立しているか否かを判定する。具体的には、ＮＯｘ触媒１１の温度と内燃機関１の機関負荷とに基づいて該判定を行う。
【００４３】
ＮＯｘ触媒１１の温度に基づくＳ１０１における判定について、図５に基づいて説明する。図５は、ＮＯｘ触媒１１の温度に対するＮＯｘ触媒１１によるＮＯｘ浄化率の推移を示すグラフである。該グラフの横軸は、ＮＯｘ触媒１１の温度を示し、該グラフの縦軸は、ＮＯｘ触媒１１によるＮＯｘ浄化率を示す。図５中の線Ｌ７は、該ＮＯｘ浄化率の推移を示す。
【００４４】
ここで、ＮＯｘ触媒１１の温度が活性温度ＴＮ１以下である場合には、ＮＯｘ触媒１１においてＮＯｘの還元反応が効率的に行われない。従って、この場合には、Ｓ１０１においては、燃料添加弁２１によって排気へ燃料を添加しＮＯｘ触媒１１に燃料を供給することで、ＮＯｘ触媒１１でのＮＯｘ還元反応によってＮＯｘ浄化を行う条件が成立していないと判定する。一方で、ＮＯｘ触媒１１の温度が上限温度ＴＮ２以上である場合には、ＮＯｘ触媒１１の組成が変化することによって、ＮＯｘ触媒１１によるＮＯｘの還元反応の効率が低下する。従って、この場合には、Ｓ１０１においては、燃料添加弁２１によって排気へ燃料を添加しＮＯｘ触媒１１に燃料を供給することで、ＮＯｘ触媒１１でのＮＯｘ還元反応によってＮＯｘ浄化を行う条件が成立していないと判定する。
【００４５】
次に、内燃機関１の機関負荷に基づくＳ１０１における判定について、図６に基づいて説明する。図６は、内燃機関１の機関負荷領域を示すグラフである。該グラフの横軸は、内燃機関１の機関回転速度を示し、該グラフの縦軸は、内燃機関１による機関トルクを示す。図６中の線Ｌ８は、内燃機関１の機関回転速度に対する最高機関トルクの推移を示す。ここで、図６中の線Ｌ９で定義される領域Ｒ０は、内燃機関１の機関負荷が低負荷領域もしくは中負荷領域となる領域である。また、図中の線Ｌ９と線Ｌ８との間の領域Ｒ１は、内燃機関１の機関負荷が高負荷領域となる領域である。
【００４６】
ここで、内燃機関１の機関負荷が高負荷領域Ｒ１に属している場合には、ＮＯｘ触媒１１に流入する排気の流量が過多となるため、燃料添加弁２１によって燃料を排気へ添加してもＮＯｘの還元反応が効率的に行われない。従って、この場合には、Ｓ１０１においては、燃料添加弁２１によって排気へ燃料を添加しＮＯｘ触媒１１に燃料を供給することで、ＮＯｘ触媒１１でのＮＯｘ還元反応によってＮＯｘ浄化を行う条件が成立していないと判定する。
【００４７】
Ｓ１０１において、燃料添加弁２１によって排気へ燃料を添加しＮＯｘ触媒１１に燃料を供給することで、ＮＯｘ触媒１１でのＮＯｘ還元反応によってＮＯｘ浄化を行う条件が成立していると判定されると、Ｓ１０２に進む。一方で、Ｓ１０１において、該条件が成立していないと判定されると、Ｓ１０８に進む。
【００４８】
Ｓ１０２では、添加フラグが０であるか否かを判定する。ここで、添加フラグとは、燃料噴射弁２１による燃料を添加する際に、該燃料添加が可能でない状態から該燃料添加が可能である状態に移行したか否かを判定するフラグである。従って、Ｓ１０２において添加フラグが０と判断されるときは、該燃料添加が可能でない状態から該燃料添加が可能である状態に移行したことを意味する。また、Ｓ１０２において添加フラグが１のときは、既に該燃料添加が可能である状態であることを意味する。
【００４９】
ここで、燃料添加が可能でない状態から燃料添加が可能である状態に移行したときとは、ＮＯｘ触媒１１の温度が活性温度ＴＮ１より高くなったとき、もしくはＮＯｘ触媒１１の温度が上限温度ＴＮ２より低くなったとき、且つ内燃機関１の機関負荷が領域Ｒ１に属している状態から領域Ｒ０に属している状態に移行したときである。即ち、ＮＯｘ触媒１１または内燃機関１の状態が、図５中および図６中に矢印で表されるように変化したときが、燃料添加が可能でない状態から燃料添加が可能である状態に移行したときと判定される。
【００５０】
Ｓ１０２で添加フラグが０と判定されると、燃料添加が可能でない状態から可能である状態に移行したときであって、該時点まで燃料添加が行えずにＮＯｘ触媒１１のＮＯｘ吸蔵量が増大していることを意味する。そこで、増大したＮＯｘ吸蔵量を速やかに低減すべく、Ｓ１０３へ進む。一方で、Ｓ１０２で添加フラグが０ではないと判定されると、燃料添加が可能である状態が引き続いている状態であって、該時点までは後述するＳ１０６における通常燃料添加によるＮＯｘ還元が行われているため、ＮＯｘ触媒１１のＮＯｘ吸蔵量は低い状態を維持していることを意味する。従って、ＮＯｘ吸蔵量を低い状態を維持すべく、Ｓ１０７へ進み、更に通常燃料添加によるＮＯｘ還元を継続する。
【００５１】
Ｓ１０３では、燃料添加弁２１による集中燃料添加を開始することで、吸蔵ＮＯｘの還元を行う。ここで集中燃料添加とＳ１０７において行われる通常燃料添加と、について説明する。両燃料添加とも燃料添加弁２１によって行われる排気への燃料添加であるが、集中燃料添加は通常燃料添加に比べて、単位時間あたりの燃料の添加量が多くなる。具体的には、燃料添加弁２１による燃料の添加間隔を短くすることで、又は燃料添加弁２１の一回あたりの開弁時間を長くすることで、単位時間あたりの燃料の添加量を多くする。従って、集燃料添加が行われるときの、ＮＯｘ触媒１１に流入する排気の空燃比は、通常燃料添加が行われるときの、ＮＯｘ触媒１１に流入する排気の空燃比に比べて、更にリッチ側の空燃比となる。以て、ＮＯｘ触媒１１に吸蔵されているＮＯｘの還元反応がより促進される一方で、燃料添加に要する燃料量が増大する。Ｓ１０３の処理が終了すると、Ｓ１０４へ進む。
【００５２】
Ｓ１０４では、排気ＮＯｘセンサ２３によって、ＮＯｘ触媒１１から流出する排気のＮＯｘ濃度Ｄｎを検出する。Ｓ１０４の処理が終了すると、Ｓ１０５へ進む。
【００５３】
Ｓ１０５では、Ｓ１０４で検出した排気ＮＯｘ濃度Ｄｎが、所定の排気ＮＯｘ濃度Ｄ０より低いか否か判定する。ここで、所定の排気ＮＯｘ濃度Ｄ０は、ＮＯｘ触媒１１にＮＯｘ浄化能力が十分に回復したと判定するために、即ちＮＯｘ触媒１１のＮＯｘ吸蔵量が低減しＮＯｘ触媒１１によるＮＯｘ浄化率が高レベルな状態に至ったと判定するための閾値である。従って、Ｓ１０５において排気ＮＯｘ濃度Ｄｎが所定の排気ＮＯｘ濃度Ｄ０以上であると判定されると、ＮＯｘ触媒１１のＮＯｘ浄化能力が十分には回復していないことを意味し、集中燃料添加によるＮＯｘ還元が継続される。Ｓ１０５において排気ＮＯｘ濃度Ｄｎが所定の排気ＮＯｘ濃度Ｄ０より小さいと判定されると、Ｓ１０６に進む。
【００５４】
Ｓ１０６では、添加フラグの値を０から１とする。Ｓ１０６の処理が終了すると、Ｓ１０７へ進む。
【００５５】
Ｓ１０７では、Ｓ１０６からＳ１０７へ進むときは、Ｓ１０３において開始した集中燃料添加による吸蔵ＮＯｘの還元を中止し、代わって通常燃料添加による吸蔵ＮＯｘの還元を開始する。一方で、Ｓ１０２からＳ１０７へ進むときは、現時点において行われている通常燃料添加による吸蔵ＮＯｘの還元を継続する。Ｓ１０７の処理が終了すると、再びＳ１０１以降の処理が繰り返される。
【００５６】
また、Ｓ１０１からＳ１０７へ進むとき、Ｓ１０８では、Ｓ１０１において燃料添加弁２１による排気への燃料添加が可能ではないと判定されたことにより、燃料添加弁２１による燃料添加を中止する。Ｓ１０８の処理が終了すると、Ｓ１０９へ進む。Ｓ１０９では、添加フラグを０の値とする。Ｓ１０９の処理が終了すると、再びＳ１０１以降の処理が繰り返される。
【００５７】
ここで、上述のＮＯｘ還元制御が行われるときにおいて、図４における期間Ｔ１は、燃料添加弁２１による排気への燃料添加が可能でない状態であり、本制御の処理Ｓ１０１、Ｓ１０８およびＳ１０９が、繰り返し行われていることになる。従って、内燃機関１の機関始動に伴い、ＮＯｘ触媒１１の温度が上昇し活性温度に近づくことで、ＮＯｘ触媒１１によるＮＯｘ浄化率が上昇する。しかし、徐々にＮＯｘ触媒１１にＮＯｘが吸蔵され続けることで次第にＮＯｘ浄化率が低下する。
【００５８】
次に、期間Ｔ２においては、ＮＯｘ触媒１１の温度が活性温度ＴＮ１に達したことにより、本制御のＳ１０２以降の処理が行われる。これにより、燃料添加弁２１によって集中燃料添加が行われ、ＮＯｘ触媒１１のＮＯｘ浄化能力が速やかに回復し、ＮＯｘ触媒１１によるＮＯｘ浄化率が速やかに上昇する。そして、ＮＯｘ触媒１１のＮＯｘ浄化能力の回復に伴い、ＮＯｘ触媒１１から流出する排気のＮＯｘ濃度がＤ０より小さくなると、今度は集中燃料添加に代わって通常燃料添加が行われる。この時点において、本制御におけるＳ１０５の処理からＳ１０６の処理へ移る。そしてこの時点以降、期間Ｔ３となる。期間Ｔ３以降は、燃料添加弁２１による排気への燃料添加が可能と判断される限りは、通常燃料添加が行われる。
【００５９】
本制御によるＮＯｘ触媒１１のＮＯｘ浄化能力の回復について、図７に示すグラフに基づいて説明する。該グラフの横軸は経過時間を示し、該グラフの縦軸はＮＯｘ触媒１１から流出する排気のＮＯｘ濃度を示す。そして、図７中の線Ｌ１０は、本制御が行われたときの排気のＮＯｘ濃度の推移を、図７中の線Ｌ１１は、ＮＯｘ触媒１１の温度が活性温度ＴＮ１に達したときに、通常燃料添加のみによる排気への燃料添加が行われたときの排気のＮＯｘ濃度の推移を示している。更に、図７中の線Ｌ１２はＮＯｘ触媒１１に流入する排気の空燃比を示している。また、図７中の期間Ｔ２および期間Ｔ３は、図４中の期間Ｔ２および期間Ｔ３に対応する。
【００６０】
このように、本制御によると、通常燃料添加のみによる排気への燃料添加を行う場合と比べて、速やかにＮＯｘ吸蔵量が十分に低減され、ＮＯｘ触媒１１によるＮＯｘ浄化率が高レベルな状態となる。その後は、集中燃料添加から通常燃料添加となって、ＮＯｘ触媒１１によるＮＯｘ浄化率は高レベルな程度に維持される。更に、集中燃料添加を一定の条件下に限って行い、集中燃料添加後では通常燃料添加に切り替えることにより、燃料添加による燃費の悪化を抑制することが可能となる。
【００６１】
【発明の効果】
本発明は、内燃機関からの排気に含まれるＮＯｘを吸蔵、還元するＮＯｘ触媒を備え、ＮＯｘ触媒に流入する排気に燃料を添加することでＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元して排気の浄化を行う排気浄化システムにおいて、排気へ燃料を添加しＮＯｘ触媒に燃料を供給してＮＯｘ触媒の吸蔵ＮＯｘを還元する条件が成立していない状態から該条件が成立している状態に移行したときのみにおいて、単位時間あたりの排気への燃料添加を増大させて、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能力を速やかに高レベルな状態に至らせた後は、単位時間あたりの排気への燃料添加を減少させることで、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能力を平均的に高レベルな状態に維持するとともに、燃費の悪化を抑制する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る排気浄化システムおよび該排気浄化システムを含む内燃機関およびその制御系統の概略構成を表すブロック図である。
【図２】ＮＯｘ触媒の異なるＮＯｘ吸蔵量時の、燃料添加によるＮＯｘ浄化能力の推移を示すグラフである。
【図３】本発明の実施の形態に係る排気浄化システムにおいて行われるＮＯｘ還元制御を示すフローチャートである。
【図４】図３に示すＮＯｘ還元制御が実行されているときの、ＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化率の推移等の一実施例を示すグラフである。
【図５】ＮＯｘ触媒の温度に対するＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化率の推移を示すグラフである。
【図６】内燃機関１の機関負荷領域を示すグラフである。
【図７】図３に示すＮＯｘ還元制御が実行されているときの、Ｏｘ触媒のＮＯｘ浄化能力の推移を示すグラフである。
【符号の説明】
１・・・・内燃機関
３・・・・燃料噴射弁
１１・・・・ＮＯｘ触媒
２０・・・・ＥＣＵ
２１・・・・燃料添加弁
２２・・・・排気温度センサ
２３・・・・排気ＮＯｘセンサ
２４・・・・クランクポジションセンサ
２５・・・・アクセル開度センサ
【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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