(57)【要約】【課題】本発明の目的は、排気の空燃比を検出するために、センサ素子加熱用ヒータを有する空燃比センサを備えた内燃機関の排気浄化装置において、消費電力を低減することが可能な技術を提供することである。【解決手段】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、排気中のＮＯｘを吸蔵・還元するＮＯｘ触媒と、排気の空燃比を検出する排気空燃比センサと、を備えており、該排気空燃比センサのセンサ素子を加熱するヒータへの通電を、前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘを脱離させて該ＮＯｘ触媒をＳＯｘ被毒から回復させるＳＯｘ被毒回復制御を実行するときのみとする。【選択図】  図３
2004285983.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に設けられ、排気中のＮＯｘを吸蔵・還元するＮＯｘ触媒と、
排気の空燃比を検出する空燃比センサと、
該空燃比センサのセンサ素子を加熱するヒータと、
前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘを脱離させて該ＮＯｘ触媒をＳＯｘ被毒から回復させるＳＯｘ被毒回復制御を実行するＳＯｘ被毒回復制御手段と、
該ＳＯｘ被毒回復制御手段によって該ＳＯｘ被毒回復制御を実行するときにのみ、前記空燃比センサの検出値に基づき排気の空燃比を制御する空燃比制御手段と、
前記ＳＯｘ被毒回復制御手段よって前記ＳＯｘ被毒回復制御を実行するときにのみ前記ヒータに通電する通電手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
内燃機関から排出される排気の温度を検出する温度検出手段と、前記ＮＯｘ触媒より上流側の排気通路に設けられ、排気中に還元剤を添加する還元剤添加手段と、
をさらに備え、
前記還元剤添加手段は、前記ＳＯｘ被毒回復制御手段よって前記ＳＯｘ被毒回復制御を実行するときであり、且つ、前記温度検出手段によって検出された排気の温度が予め定められた添加開始温度以上となったときに還元剤を添加し、
前記通電手段は、前記温度検出手段によって検出された排気の温度が前記添加開始温度よりも低い所定温度となったときに前記ヒータへの通電を開始することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記空燃比センサを、前記ＮＯｘ触媒より上流側の排気通路に設けられた上流側空燃比センサとし、
前記ヒータを該上流側空燃比センサのセンサ素子を加熱する上流側ヒータとし、
前記空燃比制御手段を、内燃機関から排出される排気の空燃比を制御する機関空燃比制御手段とし、
前記上流側空燃比センサとは別に前記ＮＯｘ触媒より下流側の排気通路に設けられ、排気の空燃比を検出する下流側空燃比センサと、
前記上流側ヒータとは別に前記下流側空燃比センサのセンサ素子を加熱する下流側ヒータと、
前記上流側空燃比センサより下流側、且つ前記ＮＯｘ触媒より上流側の排気通路に設けられ、排気中に還元剤を添加する還元剤添加手段と、
該還元剤添加手段によって添加される前記還元剤の添加量を前記下流側空燃比センサの検出値に基づき制御する還元剤添加量制御手段と、
をさらに備え、
前記通電手段は、前記下流側ヒータへは内燃機関の運転中は常時通電し、前記上流側ヒータへは、前記ＳＯｘ被毒回復制御手段よって前記ＳＯｘ被毒回復制御を実行するときにのみ通電することを特徴とする請求項１記載の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、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、排気の空燃比を検出する空燃比センサ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】
従来より、排気中のＮＯｘを吸蔵・還元するＮＯｘ触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置において、排気の空燃比を検出する空燃比センサを備え、該空燃比センサの検出値に基づき、ＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比を所望の空燃比とすべくフィードバック制御する内燃機関の排気浄化装置がある。
【０００３】
このような内燃機関の排気浄化装置としては、ＮＯｘ触媒より上流側の排気通路に設けられ、排気中に還元剤を供給する還元剤供給装置と、前記ＮＯｘ触媒より下流側の排気通路に設けられた空燃比センサと、を備え、前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘを脱離させるＳＯｘ被毒回復制御実行時の還元剤の供給量を、前記空燃比センサの出力値に基づいて補正する内燃機関の排気浄化装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
また、ＮＯｘ触媒より上流側の排気通路に設けられた空燃比センサの出力値に基づき、低温燃焼時における燃料噴射量を制御する内燃機関の排気浄化装置が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１８８４３０号公報
【特許文献２】
特開２００２−７０６２０号公報
【特許文献３】
特許第３１０４６９２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような、排気の空燃比を検出するために用いられる空燃比センサは、一般に、センサ素子を加熱し活性化させるためのヒータを備えている。そのため、空燃比センサは消費電力が大きく、常時通電しているとバッテリの充放電収支が悪化する虞がある。
【０００７】
本発明の目的は、排気の空燃比を検出するために、センサ素子加熱用ヒータを有する空燃比センサを備えた内燃機関の排気浄化装置において、消費電力を低減することが可能な技術を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、以下の手段を採用した。
【０００９】
即ち、本発明は、排気中のＮＯｘを吸蔵・還元するＮＯｘ触媒と、排気の空燃比を検出する排気空燃比センサと、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、該排気空燃比センサのセンサ素子を加熱するヒータへの通電を、前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘを脱離させて前記ＮＯｘ触媒をＳＯｘ被毒から回復させるＳＯｘ被毒回復制御を実行するときのみとすることを最大の特徴とする。
【００１０】
前記したようなＮＯｘ触媒は、ＮＯｘの他に排気中のＳＯｘをも吸蔵するが、該ＳＯｘの吸蔵量が増加すると該ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能力が低下する、いわゆるＳＯｘ被毒が発生する。そのため、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘが所定量となる前に、該ＮＯｘ触媒の床温を高温（例えば、６５０〜７００℃）とすると共に、周囲雰囲気の空燃比を継続的にストイキまたはリッチ空燃比である所定空燃比（例えば、Ａ／Ｆ＝１４．５）とすることによって該ＳＯｘを脱離させるＳＯｘ被毒回復制御が実行される。
【００１１】
このように、ＳＯｘ被毒回復制御実行時には、ＮＯｘ触媒の周囲雰囲気の空燃比を継続的に前記所定空燃比とする必要がある。従って、該ＮＯｘ触媒の周囲雰囲気の空燃比がリーン空燃比となることによるＳＯｘの脱離効率の悪化、または、該ＮＯｘ触媒の周囲雰囲気の空燃比が過剰にリッチとなることによる燃費の悪化や未燃成分の排出等を抑制するために、排気の空燃比を精度良く制御することが好ましい。
【００１２】
そのため、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、排気の空燃比を検出する空燃比センサを設け、ＳＯｘ被毒回復制御実行時には該空燃比センサの検出値に基づき排気の空燃比を制御する。しかしながら、ＳＯｘ被毒回復制御を実行する頻度は非常に少ない。
【００１３】
そこで、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記したように、空燃比センサのセンサ素子を加熱するヒータへの通電を、該空燃比センサの出力値が必要となるＳＯｘ被毒回復制御を実行するときのみとする。
【００１４】
より詳しくは、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、
排気通路に設けられ、排気中のＮＯｘを吸蔵・還元するＮＯｘ触媒と、
排気の空燃比を検出する空燃比センサと、
該空燃比センサのセンサ素子を加熱するヒータと、
前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘを脱離させて該ＮＯｘ触媒をＳＯｘ被毒から回復させるＳＯｘ被毒回復制御を実行するＳＯｘ被毒回復制御手段と、
該ＳＯｘ被毒回復制御手段によって該ＳＯｘ被毒回復制御を実行するときにのみ、前記空燃比センサの検出値に基づき排気の空燃比を制御する空燃比制御手段と、
前記ＳＯｘ被毒回復制御手段よって前記ＳＯｘ被毒回復制御を実行するときにのみ前記ヒータに通電する通電手段と、
を備える構成とした。
【００１５】
この構成によれば、消費電力の大きい前記ヒータへの通電を、実行頻度の少ないＳＯｘ被毒回復制御実行時のみとすることによって、常時通電とした場合と比べて消費電力を低減することが出来る。さらに、通電されることによる前記ヒータの劣化や前記ヒータの加熱によるセンサ素子の劣化、即ち空燃比センサの劣化を抑制することも出来る。
【００１６】
また、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯｘ触媒より上流側の排気通路に設けられ、排気中に還元剤を添加する還元剤添加手段をさらに備えた場合、該還元剤添加手段は、ＳＯｘ被毒回復制御を実行するときであり、且つ、内燃機関から排出された排気の温度が予め定められた添加開始温度以上となったときに還元剤を添加するものとし、前記通電手段は、内燃機関から排出された排気の温度が前記添加開始温度よりも低い所定温度となったときに前記ヒータへの通電を開始するとしても良い。
【００１７】
ここで、前記所定温度は、内燃機関から排出された排気（以下、機関排気と称する）の温度が該所定温度となったときに前記ヒータへの通電を開始した場合、機関排気の温度が前記添加開始温度となるよりも前に空燃比センサのセンサ素子が活性化することになる温度とする。
【００１８】
この構成によれば、還元剤添加手段による還元剤の添加が開始されるよりも前に、空燃比センサの検出値に基づき排気の空燃比を精度良く制御することが出来る。
【００１９】
また、排気の温度が前記所定温度まで上昇してから前記ヒータへの通電を開始することによって、通電時間を短縮させることが出来る。その結果、消費電力をより低減し、また、空燃比センサの劣化をより抑制することが可能となる。
【００２０】
さらに、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、
前記空燃比センサを、前記ＮＯｘ触媒より上流側の排気通路に設けられた上流側空燃比センサとし、
前記ヒータを該上流側空燃比センサのセンサ素子を加熱する上流側ヒータとし、
前記空燃比制御手段を、機関排気の空燃比を制御する機関空燃比制御手段とし、
前記上流側空燃比センサとは別に前記ＮＯｘ触媒より下流側の排気通路に設けられ、排気の空燃比を検出する下流側空燃比センサと、
前記上流側ヒータとは別に前記下流側空燃比センサのセンサ素子を加熱する下流側ヒータと、
前記上流側空燃比センサより下流側、且つ前記ＮＯｘ触媒より上流側の排気通路に設けられ、排気中に還元剤を添加する還元剤添加手段と、
該還元剤供給手段によって添加される前記還元剤の添加量を前記下流側空燃比センサの検出値に基づき制御する還元剤添加量制御手段と、
をさらに備え、
前記通電手段は、前記下流側ヒータへは内燃機関の運転中は常時通電し、前記上流側ヒータへは、前記ＳＯｘ被毒回復制御を実行するときにのみ通電するとしても良い。
【００２１】
この構成のように、ＮＯｘ触媒の上流側および下流側に空燃比センサを備えた内燃機関の排気浄化装置では、ＳＯｘ被毒回復制御を実行する時には、上流側空燃比センサの検出値に基づき機関排気の空燃比を制御すると共に、下流側空燃比センサの検出値に基づき還元剤添加手段により添加される還元剤の量を制御することによって、ＮＯｘ触媒の床温を高温とすると共に、周囲雰囲気の空燃比を継続的に前記所定空燃比としても良い。
【００２２】
上述した構成によれば、前記上流側ヒータへの通電をＳＯｘ被毒回復制御実行時のみとすることによって、上流側ヒータおよび下流側ヒータの両方に常時通電する場合と比べて消費電力を低減することが出来る。
【００２３】
また、上述した構成によれば、下流側ヒータへは内燃機関の運転中は常時通電とすることにより下流側空燃比センサのセンサ素子は内燃機関の運転中は活性化されていることになる。そのため、例えば、前記還元剤添加手段により排気中に還元剤を添加することによって、ＮＯｘ触媒の周囲雰囲気の空燃比を断続的にストイキまたはリッチ空燃比とし、該ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元させるＮＯｘ還元制御を実行するときに、前記還元剤添加量制御手段によって、還元剤の添加量を該ＮＯｘ還元制御に適した量により精度良く制御することが出来る。その結果、ＮＯｘ還元制御実行時にＮＯｘ触媒の周囲雰囲気の空燃比を過剰にリッチとすることによって発生する未燃成分の排出を抑制することが可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施の形態について図面に基づいて説明する。ここでは、本発明を、ディーゼル機関に適用した場合を例に挙げて説明する。
【００２５】
図１は、本実施の形態に係る内燃機関とその排気浄化装置の概略構成を示す図である。
【００２６】
図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を有する多気筒ディーゼル機関である。
【００２７】
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、燃料を所定圧まで蓄圧する蓄圧室（コモンレール）４と接続されている。該コモンレール４には、該コモンレール４内の燃料の圧力に対応した電気信号を出力するコモンレール圧センサ４ａが取り付けられている。
【００２８】
前記コモンレール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。前記燃料ポンプ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。
【００２９】
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。
【００３０】
前記燃料ポンプ６から吐出された燃料は、燃料供給管５を介してコモンレール４へ供給され、コモンレール４にて所定圧まで蓄圧されて各気筒２の燃料噴射弁３へ分配される。そして、燃料噴射弁３に駆動電圧が印加されると、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の燃焼室へ燃料が噴射される。
【００３１】
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の各支管は、各気筒２の燃焼室と図示しない吸気ポートを介して連通している。
【００３２】
前記吸気枝管８は、吸気管９と接続され、前記吸気管９は、エアクリーナボックス１０に接続されている。該エアクリーナボックス１０より下流の吸気管９には、該吸気管９内を流れ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と、遠心過給器（ターボチャージャ）１５のコンプレッサハウジング１５ａと、インタークーラ１６と、が取り付けられており、前記コンプレッサハウジング１５ａ内で圧縮されて高温となった吸気は、インタークーラ１６にて冷却される。
【００３３】
さらに、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内を流れ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。前記吸気絞り弁１３には、ステッパ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。
【００３４】
一方、内燃機関１には、排気枝管１８が接続され、排気枝管１８の各枝管が各気筒２の燃焼室と排気ポート３０を介して連通している。
【００３５】
前記排気枝管１８は、前記ターボチャージャ１５のタービンハウジング１５ｂと接続されている。また、該タービンハウジング１５ｂは、排気管１９と接続されており、該排気管１９は、下流にて図示しないマフラーに接続されている。
【００３６】
前記排気管１９の途中には、排気中のＮＯｘを吸蔵・還元するＮＯｘ触媒２０を備えている。該ＮＯｘ触媒は、周囲雰囲気が高酸素濃度状態であるときは排気中に含まれるＮＯｘを吸蔵し、周囲雰囲気が低酸素濃度状態であり、且つ還元成分が存在するときは、吸蔵されたＮＯｘを還元する、いわゆる吸蔵還元型ＮＯｘ触媒である。
【００３７】
また、タービンハウジング１５ｂと、ＮＯｘ触媒２０と、の間の排気管１９には、還元剤添加弁４１が設けられている。該還元剤添加弁４１は図示しない還元剤供給路等を介して燃料ポンプ６と連通しており、所定電圧が印可されると開弁状態となり、排気管１９内に還元剤として燃料が添加される。
【００３８】
還元剤添加弁４１より上流側の排気管１９と、ＮＯｘ触媒２０より下流側の排気管１９とには、それぞれ該排気管１９内を流れる排気の空燃比に対応した電気信号を出力する上流側排気空燃比センサ２３と下流側排気空燃比センサ３８とが設置されている。また、還元剤添加弁４１より下流側、且つＮＯｘ触媒２０より上流側の排気管１９と、ＮＯｘ触媒２０より下流側の排気管１９とには、それぞれ該排気管１９内を流れる排気の温度に対応した電気信号を出力する上流側排気温度センサ２４と、下流側排気温度センサ２９とが設置されている。
【００３９】
また、内燃機関１には、該内燃機関１から排出され排気枝管１８を流れる排気の一部を吸気枝管８へ再循環させる排気再循環装置４０が設けられている。排気再循環装置４０は、排気枝管１８からシリンダヘッド内を通って吸気枝管８の集合部に至るよう形成された排気再循環通路（ＥＧＲ通路）２５と、電磁弁等からなりＥＧＲ通路２５内を流れる排気（以下、ＥＧＲガスと称する）の流量を印加電圧の大きさに応じて調整する流量調整弁（ＥＧＲ弁）２６と、該ＥＧＲ弁２６より上流のＥＧＲ通路２５に設けられ該ＥＧＲ通路２５を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ２７とを備えている。
【００４０】
このように構成された排気再循環装置４０では、ＥＧＲ弁２６が開弁されると、排気枝管１８内を流れる排気の一部が、前記ＥＧＲ通路２５を通り、ＥＧＲクーラ２７によって冷却され、吸気枝管８の集合部へ流入する。吸気枝管８へ流入したＥＧＲガスは、吸気枝管８の上流から流れてきた新気と混ざり合いつつ各気筒２の燃焼室へ分配され、燃料噴射弁３から噴射される燃料を着火源として燃焼される。
【００４１】
ここで、ＥＧＲガスには、水（Ｈ２Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ２）などのように、自らが燃焼することがなく、且つ、吸熱性を有する不活性ガス成分が含まれているため、ＥＧＲガスが混合気中に含有されると、混合気の燃焼温度が低くなり、以して窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量が抑制される。
【００４２】
以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）３５が併設されている。このＥＣＵ３５は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態等を制御するユニットである。
【００４３】
ＥＣＵ３５には、コモンレール圧センサ４ａ、エアフローメータ１１、吸気管圧力センサ１７、上流側排気空燃比センサ２３、下流側排気空燃比センサ３８、上流側排気温度センサ２４、下流側排気温度センサ２９、クランクポジションセンサ３３、アクセル開度センサ３６等の各種センサが電気配線を介して接続され出力信号がＥＣＵ３５に入力されるようになっている。
【００４４】
一方、ＥＣＵ３５には、燃料噴射弁３、吸気絞り用アクチュエータ１４、還元剤添加弁４１、ＥＧＲ弁２６等が電気配線を介して接続され、上記各部がＥＣＵ３５によって制御されるようになっている。
【００４５】
ＥＣＵ３５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えており、例えば、クランクポジションセンサ３３がパルス信号を出力する時間的な間隔等に基づき機関回転数を算出し、アクセル開度センサ３６の出力信号（アクセル開度）等に基づき機関負荷を算出する。また、ＥＣＵ３５は、上流側排気温度センサ２４と下流側排気温度センサとの出力信号に基づきＮＯｘ触媒２０の床温を算出する。
【００４６】
次に、本実施の形態に係る上流側排気空燃比センサ２３の構成について説明する。
図２は、本実施の形態に係る上流側排気空燃比センサ２３の概略構成を示す断面図である。
【００４７】
本実施の形態に係る上流側排気空燃比センサ２３は、一般的に用いられる空燃比センサであり、排気が流入するための小孔が設けられたカバー４３と、該カバー４３の内部に配置されるジルコニア管等からなるセンサ素子４４と、更に該センサ素子４４の内部に配置され該センサ素子４４を加熱するヒータ４５と、を備えている。センサ素子４４とヒータ４５とには、ＥＣＵ３５からの指令により、バッテリ４２から通電され、ヒータ４５に通電されると該ヒータ４５によるセンサ素子４４への加熱が開始される。このように、本実施の形態に係る上流側排気空燃比センサ２３においては、ヒータ４５によってセンサ素子４４を加熱することにより該センサ素子４４の活性化が図られる。
【００４８】
尚、下流側排気空燃比センサ３８の構成は前記上流側排気空燃比センサ２３と同様であるため説明を省略する。
【００４９】
また、本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置においては、ＥＣＵ３５からの指令により、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されたＮＯｘを還元するＮＯｘ還元制御や、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されたＳＯｘを脱離させＮＯｘ触媒２０をＳＯｘ被毒から回復させるＳＯｘ被毒回復制御等が実行される（以下、これらの制御を総称して触媒制御とする）。これらの触媒制御について以下に説明する。
【００５０】
本実施の形態に係る内燃機関１のようなディーゼル機関においては、大部分の運転領域で排気の空燃比はリーン空燃比となっているため、触媒制御を行っていない通常の運転状態では、ＮＯｘ触媒２０の周囲雰囲気は高酸素濃度状態となっている。そのため、排気中のＮＯｘはＮＯｘ触媒２０に吸蔵されるが、周囲雰囲気が低酸素濃度となるときは非常に少ないため、吸蔵されたＮＯｘが還元されにくく、ＮＯｘ触媒２０のＮＯｘ吸蔵能力が飽和しやすい。
【００５１】
そこで、本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置においては、ＮＯｘ触媒２０のＮＯｘ吸蔵能力が飽和する前に、上流側排気温度センサ２４によって検出される排気温度が予め定められた所定排気温度範囲（例えば、１９０〜６５０℃）内となったときに、還元剤添加弁４１から排気中に燃料を添加することによって、ＮＯｘ触媒２０の周囲雰囲気を断続的にストイキまたはリッチ空燃比とし、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されたＮＯｘを還元させる。このような制御をＮＯｘ還元制御と称する。
【００５２】
本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置において、このＮＯｘ還元制御を実行するときは、ＮＯｘ触媒２０に流入する排気（以下、触媒流入排気と称する）の空燃比が該ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されたＮＯｘを還元させるのに適した空燃比となるように、下流側排気空燃比センサ３８の検出値に基づき、還元剤添加弁４１から添加される燃料の添加量を制御する。
【００５３】
また、ＮＯｘ触媒２０は、排気中のＳＯｘをも吸蔵するが、ＳＯｘ吸蔵量が増加するとＮＯｘ触媒２０のＮＯｘ吸蔵能力が低下する、いわゆるＳＯｘ被毒が発生する。そのため、該ＳＯｘ吸蔵量が所定量以上となる前にＮＯｘ触媒２０に吸蔵されたＳＯｘを脱離させる必要があるが、該ＳＯｘを脱離させるためには、ＮＯｘ触媒２０の床温を前記ＮＯｘ還元制御時よりも高い温度とすると共に、周囲雰囲気を継続的にストイキまたはリッチ空燃比としなければならない。
【００５４】
そこで、本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置においては、ＮＯｘ触媒２０に吸蔵されたＳＯｘ吸蔵量が所定量以上となる前に、内燃機関１が低負荷運転領域で運転されているときに、先ず、気筒２の燃焼室内の燃焼状態を、ＥＧＲガスが前記排気再循環装置４０によって燃焼室に供給されることにより増加する煤の発生量がピークとなるときのＥＧＲガス量よりも、燃焼室に供給されるのＥＧＲガス量を多くすることで、煤の発生量が抑制される、いわゆる低温燃焼状態とし、燃焼室へ供給されるＥＧＲガス量や、吸入空気量、燃料噴射時期等を制御することによって、煤の発生を抑制しつつ内燃機関１から排出される排気（以下、機関排気と称する）の空燃比を、燃焼室内の燃焼状態が通常燃焼状態にあるときの機関排気の空燃比より小さい空燃比である第１の目標空燃比（例えば、Ａ／Ｆ＝１７〜２２）とすると共に、該機関排気の温度を上昇させる。そして、機関排気の空燃比が前記第１の目標空燃比となり、且つ、機関排気の温度が予め定められた添加開始温度以上となったら、還元剤添加弁４１から排気中に燃料を添加することによって、触媒流入排気の空燃比をストイキまたはリッチ空燃比である第２の目標空燃比（例えば、Ａ／Ｆ＝１４．５）とし、ＮＯｘ触媒２０の床温をＳＯｘの脱離が可能となる所定触媒温度（例えば、６５０〜７００℃）とすることによって、ＮＯｘ触媒２０をＳＯｘ被毒から回復させる。このような制御をＳＯｘ被毒回復制御と称する。
【００５５】
本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置において、このＳＯｘ被毒回復制御を実行するときは、上流側排気空燃比センサ２３の検出値に基づき、機関排気の空燃比を前記第１の目標空燃比にフィードバック制御する。さらに、触媒流入排気の空燃比が前記第２の目標空燃比となるように、下流側排気空燃比センサ３８の検出値に基づき、還元剤添加弁４１から添加される燃料の添加量を制御する。
【００５６】
上述したように、各触媒制御時においては、上流側排気空燃比センサ２３または／および下流側排気空燃比センサ３８の出力値に基づき排気の空燃比や燃料添加量の制御が行われる。ここで、下流側排気空燃比センサ３８の出力値は、ＮＯｘ還元制御実行時にもＳＯｘ被毒回復制御実行時にも使用されるが、上流側排気空燃比センサ２３の出力値は、ＳＯｘ被毒回復制御実行時のみでしか使用されず、また、ＳＯｘ被毒回復制御はＮＯｘ還元制御に比べて実行される頻度が非常に少ない。そこで、本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置においては、下流側排気空燃比センサ３８のセンサ素子４４およびヒータ４５へは内燃機関１の運転中は常時通電するが、上流側排気空燃比センサ２３のセンサ素子４４およびヒータ４５へはＳＯｘ被毒回復制御を実行するときにのみ通電するものとする。
【００５７】
次に、本実施の形態に係る上流側排気空燃比センサ２３のヒータ４５への通電制御について図３に示すフローチャートに基づき説明する。
図３は、本実施の形態に係る上流側排気空燃比センサ２３のヒータ４５への通電制御ルーチンを示すフローチャートである。このヒータ通電制御ルーチンは、ＥＣＵ３５によって所定時間毎（例えば、クランクポジションセンサ３３がパルス信号を出力する度）に繰り返し実行されるルーチンであり、ＥＣＵ３５内のＲＯＭに予め記憶されている。
【００５８】
本ルーチンでは、ＥＣＵ３５は、先ずＳ１０１においてＳＯｘ被毒回復制御実行条件が成立したか否かを判別する。
【００５９】
ＳＯｘ被毒回復制御実行条件としては、燃料の積算消費量に基づき算出されたＮＯｘ触媒２０へのＳＯｘ吸蔵量が予め定められた所定量以上となった場合等が例示出来る。
【００６０】
前記Ｓ１０１において、ＳＯｘ被毒回復制御実行条件が成立していないと判定された場合、ＥＣＵ３５は、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００６１】
一方、前記Ｓ１０１において、ＳＯｘ被毒回復制御実行条件が成立したと判定された場合、ＥＣＵ３５は、Ｓ１０２に進み、内燃機関１が、燃焼室での燃焼状態を低温燃焼状態とすることが可能な低負荷運転領域で運転されているか否かを判別する。
【００６２】
前記Ｓ１０２において、内燃機関１が低負荷運転領域で運転されていないと判定された場合、ＥＣＵ３５は、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００６３】
一方、前記Ｓ１０２において、内燃機関１が低負荷運転領域で運転されていると判定された場合、ＥＣＵ３５は、Ｓ１０３に進み、内燃機関１の燃焼室での燃焼状態を低温燃焼状態に切り換える。
【００６４】
次に、ＥＣＵ３５は、Ｓ１０４に進み、上流側排気温度センサ２４によって検出された機関排気の温度が所定温度以上であるか否かを判別する。該所定温度は、還元剤添加弁４１からの還元剤の添加が開始される機関排気の温度である前記添加開始温度よりも低い温度であり予め定められた温度である。
【００６５】
前記Ｓ１０４において、機関排気の温度が前記所定温度より低いと判定された場合、ＥＣＵ３５は、Ｓ１１２に進み、機関排気の昇温制御を実行する。該昇温制御としては、▲１▼気筒内においてピストンが上死点近傍にある時に燃焼室内に燃料が噴射される主噴射に加え、前記ピストンが膨張行程または排気行程にあるときにさらに前記燃焼室に燃料を副噴射する、▲２▼燃焼室への燃料噴射時期を遅角させる、▲３▼燃焼室に供給されるＥＧＲガス量を増量する、▲４▼燃焼室に供給される吸入空気量を減少させる等の制御が例示出来る。
【００６６】
前記Ｓ１１２において、昇温制御を実行したＥＣＵ３５は、前記Ｓ１０４に戻る。
【００６７】
一方、前記Ｓ１０４において、機関排気の温度が前記所定温度以上であると判定された場合、ＥＣＵ３５は、Ｓ１０５に進み、バッテリ４２から上流側排気空燃比センサ２３のヒータ４５およびセンサ素子４４への通電を開始する。
【００６８】
次に、ＥＣＵ３５は、Ｓ１０６に進み、所定時間が経過したか否かを判別する。該所定時間は、実験的または経験的に予め定められた時間であり、上流側排気空燃比センサ２３のヒータ４５およびセンサ素子４４への通電が開始されてから該センサ素子４４が活性化するまでの時間としても良い。
【００６９】
前記１０６において、前記所定時間が経過していないと判定された場合、ＥＣＵ３５は前記Ｓ１０６を繰り返す。
【００７０】
一方、前記Ｓ１０６において、前記所定時間が経過したと判定された場合、ＥＣＵ３５は、Ｓ１０７に進み、上流側排気空燃比センサ２３の出力値に基づき、機関排気の空燃比を前記第１の目標空燃比にフィードバック制御する。
【００７１】
次に、ＥＣＵ３５は、Ｓ１０８に進み、機関排気の温度が前記添加開始温度以上であるか否かを判別する。
【００７２】
前記Ｓ１０８において、機関排気の温度が前記添加開始温度より低いと判定された場合、ＥＣＵ３５は、Ｓ１１３に進み、前記Ｓ１１２と同様に機関排気の昇温制御を実行する。前記Ｓ１１３において、昇温制御を実行したＥＣＵ３５は、前記Ｓ１０８に戻る。
【００７３】
一方、前記Ｓ１０８において、機関排気の温度が前記添加開始温度以上であると判定された場合、ＥＣＵ３５は、Ｓ１０９に進み、還元剤添加弁４１から燃料添加を実行する。そして、ＮＯｘ触媒２０の床温をＳＯｘの脱離が可能となる前記所定触媒温度とすると共に、触媒流入排気の空燃比が前記第２の目標空燃比となるように、下流側排気空燃比センサ３８の出力値に基づき該燃料添加量を制御する。
【００７４】
次に、ＥＣＵ３５は、Ｓ１１０に進み、ＳＯｘ被毒回復制御終了条件が成立したか否かを判別する。
【００７５】
ＳＯｘ被毒回復制御終了条件としては、還元剤添加弁４１から添加された積算燃料量が予め定められた所定量に達した場合等が例示できる。
【００７６】
前記Ｓ１１０において、ＳＯｘ被毒回復制御終了条件が成立していないと判定された場合、ＥＣＵ３５は、該Ｓ１１０を繰り返す。
【００７７】
一方、前記Ｓ１１０において、ＳＯｘ被毒回復制御終了条件が成立したと判定された場合、ＥＣＵ３５は、Ｓ１１１に進み、上流側排気空燃比センサ２３のヒータ４５およびセンサ素子４４への通電を停止し、本ルーチンの実行を終了する。
【００７８】
本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、上流側排気空燃比センサ２３のヒータ４５への通電を、実行頻度の少ないＳＯｘ被毒回復制御実行時のみとすることによって、上流側排気空燃比センサ２３および下流側排気空燃比センサ３８の両方のヒータ４５へ常時通電する場合と比べて消費電力を低減することが出来る。また、通電されることによるのヒータ４５の劣化や該ヒータ４５の加熱によるセンサ素子４４の劣化、即ち上流側排気空燃比センサ２３の劣化を抑制することも出来る。
【００７９】
さらに、機関排気の温度を上昇させてから上流側排気空燃比センサ２３のヒータ４５への通電を開始することによって、通電時間を短縮させることが出来る。その結果、消費電力をより低減し、また、上流側排気空燃比センサ２３の劣化をより抑制することが可能となる。
【００８０】
また、ＳＯｘ被毒回復制御実行時において、還元剤添加弁４１からの燃料添加が開始されるよりも前に、上流側排気空燃比センサ２３のヒータ４５への通電が開始され、該上流側排気空燃比センサ２３のセンサ素子４４が活性化されるため、該燃料添加の開始前に機関排気の空燃比をフィードバック制御することが出来る。
【００８１】
尚、本実施の形態においては、下流側排気空燃比センサ３８のヒータ４５およびセンサ素子４４へは、内燃機関１の運転中は常時通電としたが、前記ＮＯｘ還元制御実行時においても、下流側排気空燃比センサ３８の検出値を使用しないとした場合は、上流側および下流側排気空燃比センサ２３、３８共に、ヒータ４５およびセンサ素子４４への通電を、ＳＯｘ被毒回復制御実行時のみとしても良い。また、このときは、前述した図３に示すヒータ通電制御ルーチンを上流側および下流側排気空燃比センサ２３、３８両方のヒータ４５への通電制御に適用しても良い。
【００８２】
このような場合、ＮＯｘ還元制御を実行する時に還元剤添加弁４１から添加される燃料の添加量は、内燃機関１の機関回転数や機関負荷等に基づくＭＡＰから算出される。また、該ＭＡＰは実験的または経験的に予め求められておりＥＣＵ３５内のＲＯＭに記憶されているものとする。
【００８３】
上流側排気空燃比センサ２３のヒータ４５のみならず、下流側排気空燃比センサ３８のヒータ４５への通電もＳＯｘ被毒回復制御実行時のみとすることによって、消費電力をさらに低減することが出来ると共に、下流側排気空燃比センサ３８の劣化をも抑制することが可能となる。
【００８４】
また、本実施の形態においては、ＮＯｘ触媒２０の上流側および下流側の両方の排気管１９に排気の空燃比を検出する排気空燃比センサを設けたが、ＮＯｘ触媒２０より上流側の排気管１９には該排気空燃比センサを設けず、下流側排気空燃比センサ３８のみとし、該下流側排気空燃比センサ３８のヒータ４５およびセンサ素子４４への通電をＳＯｘ被毒回復制御実行時のみとしても良い。
【００８５】
この場合、ＮＯｘ還元制御を実行する時に還元剤添加弁４１から添加される燃料の添加量は、前記と同様、内燃機関１の機関回転数や機関負荷等に基づくＭＡＰから算出され、該ＭＡＰは実験的または経験的に予め求められておりＥＣＵ３５内のＲＯＭに記憶されているものとする。
【００８６】
また、この場合、ＳＯｘ被毒回復制御を実行する時の機関排気の空燃比は、燃焼室へ供給されるＥＧＲガス量や、吸入空気量、燃料噴射時期等を内燃機関１の機関回転数や機関負荷等に基づくＭＡＰによって制御することによって制御される。また、該ＭＡＰは実験的または経験的に予め求められておりＥＣＵ３５内のＲＯＭに記憶されているものとする。
【００８７】
【発明の効果】
本発明によれば、排気の空燃比を検出するために、センサ素子加熱用ヒータを有する空燃比センサを備えた内燃機関の排気浄化装置において、消費電力を低減することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る内燃機関とその排気浄化装置の概略構成図。
【図２】本発明の実施の形態に係る上流側排気空燃比センサの概略構成を示す断面図。
【図３】本発明の実施の形態に係る排気空燃比センサのヒータ通電制御ルーチンを示すフローチャート。
【符号の説明】
１・・・・内燃機関
１ａ・・・クランクプーリ
２・・・・気筒
３・・・・燃料噴射弁
４・・・・コモンレール
５・・・・燃料供給管
６・・・・燃料ポンプ
７・・・・ベルト
８・・・・吸気枝管
９・・・・吸気管
１０・・・エアクリーナボックス
１１・・・エアフローメータ
１３・・・吸気絞り弁
１４・・・吸気絞り弁用アクチュエータ
１５・・・ターボチャージャ（遠心過給器）
１５ａ・・コンプレッサハウジング
１５ｂ・・タービンハウジング
１６・・・インタークーラ
１７・・・吸気管圧力センサ
１８・・・排気枝管
１９・・・排気管
２０・・・パティキュレートフィルタ（ＤＰＮＲ）
２３・・・上流側排気空燃比センサ
２４・・・上流側排気温度センサ
２５・・・ＥＧＲ通路
２６・・・ＥＧＲ弁
２７・・・ＥＧＲクーラ
２９・・・下流側排気温度センサ
３０・・・排気ポート
３３・・・クランクポジションセンサ
３５・・・ＥＣＵ
３６・・・アクセル開度センサ
３８・・・下流側排気空燃比センサ
４０・・・排気再循環装置
４１・・・還元剤添加弁
４２・・・バッテリ
４３・・・カバー
４４・・・センサ素子
４５・・・ヒータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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