(57)【要約】【課題】  無駄な還元剤の添加を防止することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】  内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、排気通路であって当該排気浄化触媒の上流側に設けられ還元剤を添加する還元剤添加手段と、還元剤添加手段を制御する制御手段と、還元剤を添加する前の空燃比を推定する空燃比推定手段とを備える。制御手段は、空燃比推定手段によって推定された空燃比が中止基準値に達したときは（ステップＳ２０，Ｓ４０でＹＥＳ）、還元剤添加手投による還元剤の添加を中止するように制御する（ステップＳ３０）。空燃比が中止基準値よりもリーンになると、排気浄化触媒による還元効率が悪く還元剤としての燃料が無駄になってしまうが、推定された空燃比が中止基準値に達すると還元剤の添加を中止するので、無駄な還元剤の添加を防止することができる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、前記排気通路であって当該排気浄化触媒の上流側に設けられ還元剤を添加する還元剤添加手段と、還元剤添加手段を制御する制御手段と、還元剤を添加する前の空燃比を推定する空燃比推定手段とを備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
前記制御手段は、前記空燃比推定手段によって推定された空燃比が中止基準値に達したときは前記還元剤添加手投による還元剤の添加を中止するように制御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】
前記空燃比推定手段は、車両の運転状態に応じて前記内燃機関への目標吸入空気量を算出する目標吸入空気量算出手段と、実測吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段とを備え、燃料噴射量は前記目標吸入空気量算出手段によって算出された目標吸入空気量を基に決定され、前記目標吸入空気量算出手段によって算出された目標吸入空気量と前記吸入空気量検出手段によって検出された実測吸入空気量との比率を基に還元剤を添加する前の空燃比を推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装置。
【請求項３】
前記空燃比推定手段は、車両の運転状態に応じて前記内燃機関への目標燃料噴射量を算出する目標燃料噴射量算出手投と、実測吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段とを備え、前記目標燃料噴射量算出手段によって算出された目標燃料噴射量と前記吸入空気量検出手段によって検出された実測吸入空気量との比率を基に還元剤を添加する前の空燃比を推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浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車などに搭載される内燃機関（特にディーゼル機関や希薄燃焼式ガソリン機関等）では、排気中に窒素酸化物（以下では「ＮＯx」と呼ぶ。）が含まれるため、当該ＮＯxを低減させる必要がある。ＮＯxは還元剤（例えば燃料の一部）によって還元されて浄化されるので、還元剤を排気中に添加するための様々な技術が開示されている。その一例としては、ＮＯx触媒に流入する排気の空燃比（以下では「排気空燃比」と呼ぶ。）が所定の空燃比となるように、空燃比センサを用いて還元剤の添加量をフィードバックする制御するとともに、フィードバック制御手段による目標還元剤の補正量が予め設定された閥値を越えたときは還元剤の添加を禁止する技術がある（例えば特許文献１を参照）。また、車両の運転状態に応じて還元剤の添加圧力を補正し、補正された添加圧力で還元剤を排気中に添加する技術がある（例えば特許文献２を参照）。
【特許文献１】特開２００２−１６１７３３号公報
【特許文献２】特開２００２−０３８９４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
環境の変化など（例えば高地の低い大気圧など）により、実際の吸入空気量が狙いの吸入空気量より少な＜なる場合には、還元剤の添加量を減らす必要があるが、実際の吸入空気量と狙いの吸入空気量の差がある程度より大きいと、還元剤の添加が無駄な添加となってしまいＨＣや白煙が発生するおそれがある。
逆に、ＥＧＲ減量制御を行った場合等により、実際の吸入空気量が狙いの吸入空気量より。多くなる場合には、還元剤の添加量を増やす必要があるが、実際の吸入空気量と狙いの吸入空気量の差がある程度より大きいと、還元剤を添加してもＮＯx還元が有効に行われなくなり、還元剤の添加が無駄な添加となってしまうおそれがある。
しかし、特許文献１の技術で用いる空燃比センサは応答性が遅いため、還元剤を短時間で排気中に添加してリッチスパイクにするような場合に空燃比センサで時々刻々と正確に検出するのは困難である。
また、特許文献２には上記した問題についての対策は記載されていない。
【０００４】
本発明はこのような点に鑑みてなしたものであり、無駄な還元剤の添加を防止することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）課題を解決するための手段（以下では単に「解決手段」と呼ぶ。）１は、内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、前記排気通路であって当該排気浄化触媒の上流側に設けられ還元剤を添加する還元剤添加手段と、還元剤添加手段を制御する制御手段と、還元剤を添加する前の空燃比を推定する空燃比推定手段とを備えた内燃機関の排気浄化装置であって、前記制御手段は、前記空燃比推定手段によって推定された空燃比が中止基準値に達したときは前記還元剤添加手投による還元剤の添加を中止するように制御することを要旨とする。
【０００６】
空燃比が中止基準値よりもリーンになってしまう場合、還元剤の添加を継続しても排気浄化触媒による還元効率が悪く還元剤が無駄になってしまう。解決手段１によれば、推定された空燃比が中止基準値に達したときは還元剤の添加を中止するので、無駄な還元剤の添加を防止することができる。したがって、ＮＯxの排出のみならず、炭化水素（ＨＣ）や白煙の排出を抑えることができる。
なお「空燃比を推定する」とは、空燃比そのものの値を推定するものは当然含まれるが、それ以外であっても、空燃比とほぼ同等の意味を持つ値を推定するものも含める（例えば空燃比を２で割った値を推定するようなもの）。
【０００７】
（２）解決手段２は、解決手段１に記載した内燃機関の排気浄化装置であって、前記空燃比推定手段は、車両の運転状態に応じて前記内燃機関への目標吸入空気量を算出する目標吸入空気量算出手段と、実測吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段とを備え、燃料噴射量は前記目標吸入空気量算出手段によって算出された目標吸入空気量を基に決定され、前記目標吸入空気量算出手段によって算出された目標吸入空気量と前記吸入空気量検出手段によって検出された実測吸入空気量との比率を基に還元剤を添加する前の空燃比を推定することを要旨とする。
【０００８】
解決手段２によれば、燃料噴射量は目標吸入空気量を基に決定される。また、還元剤を添加する前の空燃比は、目標吸入空気量と実測吸入空気量との比率を基に推定する。
なお「目標吸入空気量と実測吸入空気量との比率を基に空燃比を推定する」というのは、少なくともその比率を用いて空燃比を推定するということであり、それ以外の要素を加えて空燃比を推定してもよい。例えばエンジン回転数や過給圧等の要素を「目標吸入空気量と実測吸入空気量との比率」に加えて空燃比を推定してもよい。
【０００９】
（３）解決手段３は、解決手段１に記載した内燃機関の排気浄化装置であって、前記空燃比推定手段は、車両の運転状態に応じて前記内燃機関への目標燃料噴射量を算出する目標燃料噴射量算出手投と、実測吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段とを備え、前記目標燃料噴射量算出手段によって算出された目標燃料噴射量と前記吸入空気量検出手段によって検出された実測吸入空気量との比率を基に還元剤を添加する前の空燃比を推定することを要旨とする。
【００１０】
解決手段３によれば、還元剤を添加する前の空燃比は、目標燃料噴射量と実測吸入空気量との比率を基に推定する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、無駄な還元剤の添加を防止することができる。したがって、ＮＯxの排出のみならず、炭化水素（ＨＣ）や白煙の排出を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１３】
図１には、本発明を実現するために構成したエンジンシステムの一例を表す説明図である。このエンジンシステムは、ディーゼルエンジン５８や、当該ディーゼルエンジン５８を電子制御するＥＣＵ（電子制御ユニット）４２などを備える。
【００１４】
内燃機関に相当するディーゼルエンジン５８は、本例では直列４気筒からなる。当該ディーゼルエンジン５８には、各気筒に吸入空気（以下では単に「吸気」と呼ぶ。）を送る吸気マニホールド（インテイクマニホールド）５４と、各気筒から排出した排気ガスを集合させて排気管３０に送り出す排気マニホールド（エキゾーストマニホールド）６８とが接続されている。各気筒には、燃焼室に燃料を噴射するための燃料噴射ノズル（インジェクタ）５６が配置されている。また、エンジン内を循環する冷却水の温度に応じた信号をＥＣＵ４２に出力する水温センサ７２や、エンジン回転数に応じた信号をＥＣＵ４２に出力する回転数センサ７０（例えばレゾルバ等）などをも備える。
【００１５】
燃料タンクから燃料ポンプ４６を通じて供給された燃料は、燃料パイプ４８からコモンレール５２を経て燃料噴射ノズル５６に送られ、これとは別個に開閉弁４４および還元剤供給管５０を経て還元剤噴射ノズル６４に送られる。燃料ポンプ４６は、ディーゼルエンジン５８の出力軸（クランクシャフト）から出力される動力（すなわち回転トルク）を駆動源として作動するポンプである。具体的には、燃料ポンプ４６に備えたポンププーリ７８と、ディーゼルエンジン５８の出力軸に備えられたクランクプーリ７４とがベルト７６によって連結され、当該ベルト７６を通じてディーゼルエンジン５８の動力の一部が燃料ポンプ４６に伝達される。燃料噴射ノズル５６から噴射される燃料噴射量は、後述する目標吸入空気量と燃料噴射量との関係を示したマップから決定される目標燃料噴射量になるように制御され、目標吸入空気量が多ければ燃料噴射量も多く、目標吸入空気量が少なければ燃料噴射量も少なくなるように制御される。各燃料噴射ノズル５６の開閉タイミングや開口度は、ディーゼルエンジン５８の運転状態に応じてＥＣＵ４２から出力される信号によって制御される。還元剤供給管５０の途中には開閉弁４４を備える。還元剤噴射ノズル６４や開閉弁４４等については後述する。
【００１６】
次に吸気系について説明する。吸気マニホールド５４は、各気筒ごとに備えた吸気ポートに接続している。ただし図１では、見易くするために吸気ポートの図示を省略している。吸気マニホールド５４には、吸気管１４とＥＧＲ通路６０とが接続されている。
【００１７】
吸気管１４の途中には、エアクリーナ２２，コンプレッサ２４，インタークーラ１６，スロットルバルブ１２などを備える。吸気は、吸気管１４から吸気マニホールド５４を経てディーゼルエンジン５８の燃焼室（すなわち各気筒のシリンダ内）に導入される。スロットルバルブ１２の開閉制御（もしくは開度制御）は、ＥＣＵ４２から出力された信号に従って作動するアクチュエータ１０によって行われる。アクチュエータ１０には、例えばステップモータやソレノイド等を用いる。
【００１８】
吸気に含まれる粉塵等を取り除くエアクリーナ２２には、吸気管１４を流れる吸気の流量（すなわち吸入空気量）に応じた信号をＥＣＵ４２に出力するエアフローメータ１８を備える。このエアフローメータ１８は吸入空気量検出手段に相当する。コンプレッサ２４は後述するタービン２６とともに過給機２８を構成し、エアクリーナ２２を通じて取り入れられた吸気を圧縮する。インタークーラ１６は、コンプレッサ２４で圧縮されて高温になった吸気を冷却する。吸気管１４の入口部には、大気圧に応じた信号をＥＣＵ４２に出力する気圧センサ２０を備える。
【００１９】
さらに排気系について説明する。排気マニホールド６８は、各気筒ごとに備えた排気ポートに接続している。排気マニホールド６８には還元剤噴射ノズル６４を備えるとともに、排気管３０とＥＧＲ通路６０とが接続されている。
【００２０】
還元剤噴射ノズル６４は還元剤添加手段に相当し、吸気マニホールド５４内に燃料（還元剤として用いる）を噴射するように噴射口を臨ませてあり、ＥＣＵ４２からの信号に従って噴射が制御される。こうして噴射される燃料は燃料ポンプ４６から還元剤供給管５０を経て供給され、ＥＣＵ４２からの信号に従って作動する開閉弁４４によって噴射量等が制御される。
【００２１】
排気管３０の途中には、タービン２６やＮＯx触媒３２などを備える。タービン２６は上述したコンプレッサ２４とともに過給機２８を構成し、排気管３０を流れる排気によって回転してコンプレッサ２４を作動させる動力源となる。すなわち排気管３０を流れる排気の流量（以下では「排気流量」と呼ぶ。）に従ってタービン２６の回転が増減し、当該タービン２６に連結されたコンプレッサ２４が作動して吸気を圧縮する。吸蔵還元型のＮＯx触媒３２は排気浄化触媒に相当し、ＮＯxを吸収する機能を果たす。このＮＯx触媒３２には、触媒の温度に応じた信号をＥＣＵ４２に出力する温度センサ３４を備える。
【００２２】
ＥＧＲ通路６０は排気マニホールド６８と吸気マニホールド５４との間を連絡する通路であって、排気の一部を吸気として再循環させる機能を果たす。当該ＥＧＲ通路６０の途中には、ＥＧＲクーラ６６や流量調整弁６２などを備える。ＥＧＲクーラ６６は、ＥＧＲ通路６０内を流れる排気（以下では「ＥＧＲガス」と呼ぶ。）を冷却する。このＥＧＲクーラ６６には、ディーゼルエンジン５８を冷却するための冷却水の一部が循環する冷却水通路（図示は省略する）が設けられている。流量調整弁６２は例えば電磁弁などで構成され、印加電力の大きさに従ってＥＧＲガスの流量を調整する。
【００２３】
次に、制御手段に相当するＥＣＵ４２の構成や機能について簡単に説明する。当該ＥＣＵ４２は、ＣＰＵ４０を中心に構成されており、ＲＯＭ３８やＲＡＭ３６などの記憶手段や、信号を入出力する回路などを有する。このうちＲＯＭ３８には、後述するＮＯx還元制御処理や他の制御処理を実現するためのプログラムなどが格納されている。ＥＣＵ４２は、エアフローメータ１８，気圧センサ２０，温度センサ３４，回転数センサ７０，水温センサ７２などからそれぞれ出力された信号を受けて処理する。
【００２４】
またＥＣＵ４２は、燃料噴射ノズル５６に信号を出力して燃焼室に供給する燃料の噴射を制御したり、排気中のＮＯxを還元するために開閉弁４４や還元剤噴射ノズル６４に信号を出力して燃料を噴射する制御等を行う。
【００２５】
上述のように構成されたエンジンシステムにおいて、排気中のＮＯxを還元するにあたってＥＣＵ４２が実行する処理内容について図２を参照しながら説明する。図２にはＮＯx還元制御処理の手続きをフローチャートで表す。
【００２６】
図２に表すＮＯx還元制御処理において、まず現時点における車両の運転状態に応じてディーゼルエンジン５８に吸入する目標の吸入空気量（以下では「目標吸入空気量」と呼ぶ。）を決定し〔ステップＳ１０〕、当該決定した吸入空気量が得られるようにアクチュエータ１０に信号を出力してスロットルバルブ１２を作動させる〔ステップＳ１２〕。上記目標吸入空気量は、常温・常圧・定常の運転状態を仮定して得られる値であって、例えば回転数センサ７０で検出されるエンジン回転数や、水温センサ７２で検出される温度、アクセル開度等の入力条件に基づいて決定する。具体的には、入力条件と吸入空気量との関係を規定した吸入空気量マップに従って決定される。
【００２７】
ステップＳ１２の制御によって得られる実際の吸入空気量をエアフローメータ１８で検出し〔ステップＳ１４〕、還元剤を添加する前の空燃比を推定する〔ステップＳ１６〕。当該空燃比は、例えば次の方法で推定する。第１の方法は、ステップＳ１０で決定した目標吸入空気量と、ステップＳ１４で実測した吸入空気量（以下では「実測吸入空気量」と呼ぶ。）との比率から推定する。第２の方法は、ステップＳ１０と同様にして現時点における車両の運転状態に応じて燃料噴射ノズル５６から燃料を噴射する際の目標の燃料噴射量（以下では「目標燃料噴射量」と呼ぶ。）を決定し、当該決定した目標燃料噴射量と実測吸入空気量との比率から推定する。その他の方法には、気圧センサ２０で検出した大気圧を含めて推定する方法などが該当する。
【００２８】
空燃比を推定した後は、実測吸入空気量と目標吸入空気量との関係と〔ステップＳ１８〕、ステップＳ１６で推定した空燃比（以下では「推定空燃比」と呼ぶ。）と中止基準値との関係に応じて処理を分岐する〔ステップＳ２０，Ｓ４０〕。中止基準値は上限値と下限値とからなり、ＲＯＭ３８やＲＡＭ３６などの記憶手段に予め記憶されている。
【００２９】
もし、ＥＧＲ減量制御などを行っている場合などで、実測吸入空気量が目標吸入空気量以上になった場合であって（ステップＳ１８でＹＥＳ）、かつ推定空燃比が中止基準値（上限値）より小さいときは（ステップＳ２０でＹＥＳ）、排気中のＮＯxを還元するために添加する燃料を増加させる増加補正量を求めたうえで、その増加補正量に従って還元剤噴射ノズル６４から吸気マニホールド５４内に燃料を噴射して添加する〔ステップＳ２２〕。実測吸入空気量が目標吸入空気量よりも多くなるにつれて還元されないＮＯxが増えるが、上述したように添加する燃料を増量するのでＮＯxの還元を確実に行える。
【００３０】
ステップＳ２２で求める補正量（Ｑ）は、実測吸入空気量（Ａ），目標吸入空気量（Ｂ）および基本添加量（Ｑ０）とを用いた次の式１に従って求める。なお、基本添加量は現時点における車両の運転状態に応じて、試験等によって得られた基本添加量マップから決定する。
Ｑ＝Ｑ０×（Ａ／Ｂ）…（式１）
【００３１】
これに対して、実測吸入空気量が目標吸入空気量よりも少ない場合であって（ステップＳ１８でＮＯ）、かつ推定空燃比が中止基準値（下限値）よりも大きいときは（ステップＳ４０でＮＯ）、排気中のＮＯxを還元するために添加する燃料を減少する減少補正量を求めたうえで、その減少補正量に従って還元剤噴射ノズル６４から吸気マニホールド５４内に燃料を噴射して添加する〔ステップＳ４２〕。当該減少補正量は、ステップＳ２２と同様に上記計算式で求める。実測吸入空気量が目標吸入空気量よりも少ないときに添加する燃料を減量しなければ無駄な燃料によってＮＯxだけでなく炭化水素（ＨＣ）の排出が増えるが、ステップＳ４２で添加する燃料を減量するのでこれらの排出を防止できる。
【００３２】
一方、実測吸入空気量が目標空気量以上になった場合であって（ステップＳ１８でＹＥＳ）、かつ推定空燃比が中止基準値（上限値）以上であるときは（ステップＳ２０でＹＥＳ）、排気が過度にリーンとなる場合であり、ディーゼルエンジン５８の燃焼室でも空気量が燃料量に比べて過度に多い場合である。この場合に還元剤の添加量の増量補正を行ってもＮＯx触媒３２による還元効率が悪く、還元剤としての燃料が無駄になってしまう。こうなる第１の理由は、空燃比を理論空燃比にするまでに非常に多くの燃料を添加しなくてはならなく、添加量に見合ったＮＯx還元量が得られないためである。第２の理由は、空燃比がリーンにずれる場合は、ほとんど排気温の低下を伴うため、ＮＯx触媒３２の活性が悪化し、添加燃料も気化しにくくなるためである。このような状態ではＮＯxを還元するために還元剤を添加しても無駄となり得るので、還元剤噴射ノズル６４から排気中への燃料の添加を中止する〔ステップＳ３０〕。
【００３３】
また、実測吸入空気量が目標空気量より小さい場合であって（ステップＳ１８でＮＯ）、かつ推定空燃比が中止基準値（下限値）以下であるときは（ステップＳ４０でＹＥＳ）、排気が過度にリッチになる場合であり、例えば理論空燃比よりリッチになるような場合である。この場合にはＨＣや白煙が発生するため、還元剤噴射ノズル６４から排気中への燃料の添加を中止する〔ステップＳ３０〕。
【００３４】
上述した実施の形態によれば、空燃比が中止基準値よりもリーンになると、ＮＯx触媒３２による還元効率が悪く還元剤としての燃料が無駄になってしまうが、上記実施の形態では推定空燃比が中止基準値に達したとき（図２のステップＳ２０，Ｓ４０でＹＥＳ）、還元剤噴射ノズル６４から行う還元剤の添加を中止する構成としたので（図２のステップＳ３０）、無駄な還元剤の添加を防止することができる。したがって、ＮＯxの排出のみならず、炭化水素（ＨＣ）や白煙の排出を抑えることができる。
【００３５】
〔他の実施の形態〕
以上では本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明は当該形態に何ら限定されるものではない。言い換えれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施することができる。例えば、次に示す各形態を実現してもよい。
【００３６】
（１）上述した実施の形態では、推定空燃比に対する中止基準値については上限値と下限値の両方を設けた（図２のステップＳ２０，Ｓ４０を参照）。この形態に代えて、上限値と下限値のうちいずれか一方の値を設ける構成としてもよい。
【００３７】
（２）上述した実施の形態では、スロットルバルブ１２の開度を制御することによって吸入空気量を制御する構成とした（図２のステップＳ１２を参照）。この形態に代えて、吸入空気量を制御しない構成としてもよい。例えば、吸気管１４は常に全開で空気を吸入できる構造とする。このように構成した場合であっても、推定空燃比が中止基準値に達したときは還元剤の添加を中止するので、無駄な還元剤の添加を防止することができる。
【００３８】
（３）上述した実施の形態では、内燃機関としてディーゼルエンジン５８に本発明を適用した（図１を参照）。この形態に代えて、筒内直接噴射方式のリーンバーンガソリンエンジンについても同様に本発明を適用することができる。当該リーンバーンガソリンエンジンであっても、排気空燃比が中止基準値に達したときには燃料の添加を中止するので、リッチスパイクが深くなりすぎない。したがって、ＮＯxの排出のみならず、炭化水素（ＨＣ）や白煙の排出を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】エンジンシステムの一例を表す説明図である。
【図２】ＮＯx還元制御処理の手続き例を表すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４０】
１８  エアフローメータ（吸入空気量検出手段）
３０  排気管
３４  温度センサ
３６  ＲＡＭ（記憶手段）
３８  ＲＯＭ（記憶手段）
４０  ＣＰＵ
４２  ＥＣＵ（電子制御ユニット；吸入空気量制御手段，添加量補正手段）
５８  ディーゼルエンジン（内燃機関）
６４  還元剤噴射ノズル（還元剤添加手段）
【図１】
2007016655.tif 000003
【図２】
2007016655.tif 000004