(57)【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、排ガス中の酸素濃度が過剰なときに排ガス中のＮＯXを吸蔵する吸蔵能力と、吸蔵されたＮＯXを排ガス中の酸度濃度が低下したときに放出する放出能力とを有するとともに該内燃機関から排出する排ガスが常時流入するＮＯX触媒装置と、該ＮＯX触媒装置の下流に設けられ放出されたＮＯXを該ＮＯX触媒装置がＮＯXを放出し得る温度とは異なる温度で還元し得る還元能力とを有する触媒装置と、
該触媒装置の温度を検出又は推定する温度検知手段と、
該ＮＯX触媒装置からＮＯXを放出するときに排ガス中の酸素濃度を低下させるＮＯX放出手段と、
該温度検知手段により検出又は推定された触媒温度が該触媒装置の還元能力を発揮し得る温度よりも低い場合、該ＮＯX放出手段の作動を禁止する禁止手段とをそなえた
ことを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
該ＮＯX触媒装置は、該触媒装置よりも該排気通路の上流側に配置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。
【請求項３】
該内燃機関の運転開始から所定時間が経過しても該温度検知手段が検知する該触媒装置の温度が該触媒装置がＮＯXを還元し得る温度に達しない場合は、該触媒装置の温度を強制的に昇温させて該触媒装置がＮＯXを還元し得る温度にせしめる昇温手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
該昇温手段は該内燃機関を２段燃焼させて該触媒装置を昇温させることを特徴とする請求項３に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、吸蔵型ＮＯX 触媒をそなえた希薄燃焼内燃機関に用いて好適の、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、排ガス中の酸素が過剰になる酸素過剰雰囲気において、ＮＯX を触媒上に吸蔵させることにより排ガス中のＮＯX を浄化する、吸蔵型のＮＯX 触媒（トラップ型ＮＯX 触媒）が開発されている。希薄燃焼内燃機関においては、このＮＯX 触媒を設けることで希薄燃焼時のＮＯX を浄化するようにしている。
【０００３】
吸蔵型のＮＯX 触媒は、酸化雰囲気（酸素濃度過剰雰囲気）では、排ガス中のＮＯを酸化させて硝酸塩を生成し、これによりＮＯX を吸蔵する一方、還元雰囲気（酸素濃度低下雰囲気）では、逆に、吸蔵したＮＯX を放出する機能を有する。そこで、例えば、特許２５８６７３８号公報に開示された技術では、適宜の時間間隔でＮＯX 触媒の周囲雰囲気を還元雰囲気とすることにより、触媒上に吸蔵したＮＯX を放出し、これにより、ＮＯX 触媒の飽和を防止してＮＯX 吸蔵性能を確保するようにしている。そして、放出したＮＯX は、ＮＯX 触媒が還元機能も有する場合（三元触媒一体型の場合）にはその還元機能により、ＮＯX 触媒が還元機能を有しない場合には下流にそなえた三元触媒により、ＨＣ，ＣＯとともに浄化して、大気中への排出を防止している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、触媒の浄化能力は温度に大きく依存しており、触媒温度が活性温度（例えば浄化効率が５０％に達する温度）以下の場合には十分な浄化能力を発揮することができない。そして、この活性温度は触媒の種類により異なり、例えばＮＯX 触媒と三元触媒とでは、三元触媒の活性温度の方がＮＯX 触媒の活性温度よりも高い場合がある。また、三元触媒の活性温度の方がＮＯX 触媒の活性温度よりも低い場合でも、ＮＯX 触媒と三元触媒とが別体型の場合には三元触媒はＮＯX 触媒の下流にそなえられるため流入する排気ガス温度が低く、触媒温度が相対的に低くなり、ＮＯX 触媒の方が先に活性温度に達する可能性がある。さらに、三元触媒一体型のＮＯX 触媒の場合でも、還元機能が発揮される活性温度の方がＮＯX 放出が開始される温度よりも高い場合がある。
【０００５】
このように、従来の技術では、活性温度の違いや触媒温度の上昇度合いの違いにより、三元触媒（或いは還元機能を有するＮＯX 触媒）のＮＯX 還元機能が発揮される前に、ＮＯX 触媒から吸蔵されたＮＯX が放出される可能性があり、放出されたＮＯX が浄化されることなく、そのまま大気中に排出されてしまう虞があった。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、ＮＯX 触媒から放出されたＮＯX が還元されることなく大気中に排出されることを防止できるようにした、内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明の内燃機関の排気浄化装置では、排ガス中の酸素濃度が過剰な時に排ガス中のＮＯXを吸蔵する吸蔵能力と、排ガス中の酸度濃度が低下したときに吸蔵されたＮＯXを放出する放出能力とを有するとともに該内燃機関から排出する排ガスが常時流入するＮＯX触媒装置と、該ＮＯX触媒装置の下流に設けられ放出されたＮＯXを該ＮＯX触媒装置がＮＯXを放出し得る温度とは異なる温度で還元し得る還元能力とを有ずる装置とを内燃機関の排気通路に設け、ＮＯXの吸蔵量が飽和状態に近づいたときにはＮＯX放出手段により排ガス中の酸素濃度を低下させてＮＯX触媒装置からＮＯXを放出するが、温度検知手段により検出又は推定された触媒装置の温度が触媒装置が還元能力を発揮し得る温度よりも低い場合には、禁止手段によりＮＯX放出手段の作動を禁止する。
【０００８】
なお、ＮＯX 触媒装置及び触媒装置は、排ガス中の酸素濃度が過剰なときにＮＯX を吸蔵する吸蔵型ＮＯX 触媒と、吸蔵型ＮＯX 触媒の下流に設けられ排ガス中の有害物質を還元し得る三元触媒とから構成すること、若しくは、排ガス中の酸素濃度が過剰なときにＮＯX を吸蔵して、排ガス中の酸素濃度が低下したときには吸蔵されたＮＯX を還元する三元触媒一体型の吸蔵型ＮＯX 触媒とすることが好ましい。
【０００９】
また、内燃機関の運転開始から所定時間経過しても触媒が還元能力を発揮し得る温度に達しない場合には強制的に触媒を昇温させる昇温手段をそなえることが好ましく、筒内噴射型内燃機関の場合、膨張行程中に追加噴射を行ないこれを燃焼させて触媒を昇温させる２段燃焼を利用することが好ましい。
【００１０】
【発明の実施形態】
以下、図面により、本発明の実施の形態について説明する。
図１〜図４は本発明の一実施形態としての内燃機関の排気浄化装置について示すものであり、図１には本内燃機関の排気浄化装置を適用した希薄燃焼内燃機関の構成について示している。
【００１１】
図１に示すように、エンジン（希薄燃焼内燃機関）１は、燃焼室２の上部側縁に高圧噴射弁（インジェクタ）７をそなえ、燃焼室２内に燃料を直接噴射する筒内噴射型内燃機関（筒内噴射エンジン）として構成されている。燃焼室２の上部には中央に点火プラグ５が設けられるとともに、吸気通路３および排気通路４が連通している。吸気通路３には、上流側から順に図示しないエアクリーナ，電子制御式スロットル弁（ＥＴＶ）６が設けられており、排気通路４には、その上流側から順に排ガス浄化用の排気浄化装置８および図示しないマフラが設けられている。また、排気通路４と吸気通路３との間には、排気ガスを還流するＥＧＲ装置９がそなえられている。
【００１２】
排気浄化装置８は、吸蔵型ＮＯX 触媒（以下、単にＮＯX 触媒という）８Ａと三元触媒８Ｂとを組み合わせたものになっており、上流側にＮＯX 触媒８Ａを配置し、下流側に三元触媒８Ｂを配置している。排気浄化装置８では、ＮＯX を酸化雰囲気（即ち、酸素過剰雰囲気）で機能するＮＯX 触媒８Ａにより吸蔵し、還元雰囲気でＮＯX 触媒８Ａから放出し、ＮＯX 触媒８Ａ及び三元触媒８ＢによりＮＯX を還元するようになっている。ただし、ここではＮＯX 触媒８ＡのＮＯX 還元機能はあまり高くない設定としているので、主に三元触媒８ＢによりＮＯX を還元するようになっている。また、理論空燃比下では三元触媒８Ｂの機能により排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯX を浄化するようになっている。なお、排気浄化装置８の上流のエンジン１に近接した位置に別途近接触媒（例えば三元触媒）を設け、主に始動時の排ガス浄化を行なうようにしてもよい。
【００１３】
さらに、このエンジン１を制御するために、電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０と、種々のセンサ類とが設けられている。本エンジン１に設けられるセンサ類として、まず吸気通路３側には、そのエアクリーナ配設部分に、吸入空気量を検出するエアフローセンサ１０が設けられており、そのＥＴＶ６の配設部分には、ＥＴＶ６の開度を検出するスロットルセンサ１１が設けられている。また、排気通路４側には、排気浄化装置８の上流側部分に、排ガス中の酸素濃度を検出するＯ2 センサ１３と、排気温度を検出する高温センサ１４とが設けられている。さらに、その他のセンサとして、図示しないクランクシャフトの回転に同期して信号を出力するクランク角センサ１５等が設けられている。
【００１４】
ＥＣＵ２０の機能について説明すると、ＥＣＵ２０は、図２の機能ブロック図に示すように、その機能要素として噴射制御手段２１，ＥＴＶ開度制御手段２２，点火時期制御手段２３，ＥＧＲ開度制御手段２４をそなえており、運転状態に応じて空燃比，点火時期，ＥＧＲ開度を制御するようになっている。例えば、低負荷運転域では、空燃比を大きくすることによるリーン運転を行ない、燃費の向上を図るようになっている。
【００１５】
ところで、ＮＯX 触媒８Ａは、リーン運転状態においてＮＯX を吸蔵し続けているとやがて飽和状態に達し、吸蔵しきれなくなったＮＯX は大気中に放出されてしまうことになる。そこで、ＥＣＵ２０では、その機能要素である開始判定手段２５とＮＯX 放出制御手段（ＮＯX 放出手段）２６とにより、ＮＯX 触媒８Ａが飽和状態に達する前に、ＮＯX 触媒８Ａに吸蔵されたＮＯX の放出，還元を行なうようになっている。以下、開始判定手段２５によるＮＯX 放出の開始／解除判定、及びＮＯX 放出制御手段２６によるＮＯX 放出制御について説明する。
【００１６】
開始判定手段２５では、下記の第１条件と第２条件とが共に成立した時、ＮＯX 放出を開始すると判定するようになっている。まず、第一条件は、触媒温度推定手段（温度検知手段）２７により推定される三元触媒８Ｂの触媒温度Ｔｈが、所定の基準温度〔活性温度（例えば浄化効率が５０％に達する温度），例えば約２５０〜３００℃〕Ｔｈ0 以上になることである。これは、三元触媒８Ｂの還元機能が十分に発揮されていない状態でのＮＯX 放出を禁止するための条件であり、ここでは開始判定手段２５は禁止手段として機能している。なお、触媒温度推定手段２７では、高温センサ１４で検出される排ガス温度と三元触媒８Ｂの触媒温度との関係を予め実験で求めてマップに記憶しておき、検出した排ガス温度をマップにより補正することで三元触媒８Ｂの触媒温度Ｔｈを推定するようになっている。
【００１７】
また、第２条件は、リーン運転継続時間ＴL が所定時間（例えば３０秒）ＴL0に達することである。リーン運転時間は長すぎると触媒温度が低下しＨＣ等の浄化効率の低下を招き、短すぎると燃費は悪化するもののＮＯX 放出に寄与しない空燃比テーリング部分の占める時間割合が増加するので、両者を満たす適当な値に設定する。
【００１８】
そして、開始判定手段２５により開始判定が行なわれると、ＮＯX 放出制御手段２６では、ＮＯX の放出を開始するようになっている。以下、ＮＯX 放出制御について具体的に説明する。ＮＯX 放出制御は、図３に示すように、リッチモードとＳ−Ｆ／Ｂ（ストイキオフィードバック）モードとの２つの制御モードから構成されており、ＮＯX 放出制御手段２６では、ＮＯX 放出制御の開始判定とともに、まず、リッチモードでのＮＯX 放出制御を開始するようになっている。
【００１９】
リッチモードは、空燃比を理論空燃比（ストイキオ）よりもリッチ側にすることにより、ＮＯX 触媒８Ａの周囲雰囲気を還元雰囲気（即ち、酸素不足状態）としてＣＯ過剰雰囲気とし、ＮＯX 触媒８Ａに吸蔵されたＮＯX を放出させるとともに、還元剤としてのＨＣ，ＣＯを多量に生成して、三元触媒８ＢにおけるＮＯX の還元を促進させる制御モードである。このため、ＮＯX 放出制御手段２６では、目標空燃比をリッチ側に設定するとともに、設定した目標空燃比に応じたスロットル開度，点火時期，燃料噴射時期になるように、ＥＴＶ開度制御手段２２，点火時期制御手段２３，噴射制御手段２１を介して、ＥＴＶ６，点火プラグ５，インジェクタ７を適宜制御するようになっている。
【００２０】
ただし、リーンからリッチへ空燃比が急激に切換わるとトルク変動が発生するため、目標空燃比を開始判定とともにリッチに設定するのではなく、テーリング処理により徐々にリッチ側に設定していくようになっている。そして、目標空燃比が所定の空燃比（例えばストイキオ）までリッチ化されたとき、通常のリッチ放出制御による燃料噴射に加えて、極短時間（例えば、０．１〜１秒程）の間、膨張行程噴射を行なうようになっている。
【００２１】
ＮＯX 触媒８ＡのＮＯX の放出特性は、空燃比がストイキオに達し周囲雰囲気が還元雰囲気となった当初が最も放出量が多く、次第に減少していくような特性になっているため、ＮＯX を還元するための還元剤は、ＮＯX 放出の開始当初に最も必要となる。そこで、燃料が燃焼に寄与しない膨張行程以降（好ましくは膨張行程後期〜排気行程）において燃料噴射を行なうことにより、未燃ガスを大量に発生させて、還元剤を主に三元触媒８Ｂに供給するのである。この膨張行程噴射では、通常のリッチモード時の目標空燃比よりもさらにリッチ側に目標空燃比を設定し、設定した目標空燃比に応じた燃料噴射時間を設定するとともに、燃料噴射時期を膨張行程以降の所定時期に設定するようになっている。
【００２２】
膨張行程噴射の終了後は通常のリッチモードに戻り、リッチモードでのＮＯX 放出制御開始から所定時間（例えば、約１〜５秒）ＴR 経過後、Ｓ−Ｆ／ＢモードでのＮＯX 放出制御に移行するようになっている。上述のように、ＮＯX 触媒８ＡからのＮＯX 放出量はＮＯX 放出開始後次第に低下していくので、ＮＯX の放出量の低下に応じて還元剤の生成量も減らして燃費の悪化を防止すべく、空燃比をストイキオ若しくは僅かにリッチにした状態でＮＯX 放出を行なうのである。なお、リッチモードからＳ−Ｆ／Ｂモードへの移行時に突然空燃比を変化させると、トルク変動が発生するので、所定時間ＴR 経過前から徐々にストイキオ側に切り換えていくようになっている。Ｓ−Ｆ／Ｂモードにおいては、ＮＯX 放出制御手段２６は、フィードバック積分ゲインを空燃比がストイキオ若しくはストイキオよりもややリッチになる方向に設定するとともに、リッチモード時とのトルク段差が発生しないように点火時期，スロットル開度を設定し、点火時期，スロットル開度に応じて燃料噴射時期を設定するようになっている。
【００２３】
Ｓ−Ｆ／ＢモードでのＮＯX 放出制御は、開始から所定時間（Ｓ−Ｆ／Ｂ放出時間）ＴS 経過するまで行なわれるようになっている。このＳ−Ｆ／Ｂ放出時間ＴS は、、リーン運転継続時間ＴL に吸入空気量で決まる係数ＫA を掛けた時間ＫA ×ＴL であり（即ち、ＴS ＝ＫA ×ＴL ）、リーン運転継続時間ＴL 時間が長い程、また、吸入空気量が多い程、長時間Ｓ−Ｆ／ＢモードでのＮＯX 放出制御を行なうようになっている。そして、Ｓ−Ｆ／Ｂ放出時間ＴS の経過後は、再びリーン運転へ移行するが、ここでも空燃比の急激な変化に伴うトルク変動を防止するため、Ｓ−Ｆ／Ｂ放出時間ＴS の経過前から徐々にリーン側に切り換えていくようになっている。
【００２４】
また、ＮＯX 放出制御手段２６は、所定の場合には制御の途中でもＮＯX 放出制御を解除するようになっている。ＮＯX 放出制御の解除条件は下記の３つであり、何れか１つでも成立した時には解除されるようになっている。まず、第１条件は、触媒温度推定手段２６により推定される三元触媒８Ｂの触媒温度Ｔｈが、基準温度Ｔｈ0 未満になることであり、ＮＯX 触媒８Ａから放出されたＮＯX が、三元触媒８Ｂの還元機能が不活性であることにより大気中へそのまま放出されるのを防止するための条件である。第２条件は、減速時において燃料がカットされる場合であり、この場合には、燃料が供給されないため必然的にＮＯX 放出を行なうことはできなくなる。第３条件は、例えばドライバがアクセルを踏み込んだ場合のように、エンジンがリッチ運転状態になった場合である。この場合には、ＮＯX 放出制御を行なうまでもなく自然にＮＯX 放出が行なわれるからである。
【００２５】
本発明の一実施形態としての内燃機関の排気浄化装置は、上述のように構成されているので、例えば図４のフローチャートに示すようにしてＮＯX 触媒８ＡからのＮＯX 放出制御が行なわれる。
まず、ステップＳ１００において、フラグＦS が１か否かを判定する。フラグＦS が１の場合には、ステップＳ２００に進んでＳ−Ｆ／ＢモードでのＮＯX 放出制御を開始し、フラグＦS が０の場合には、ステップＳ１１０に進んで開始判定手段２５によるＮＯX 放出の開始判定を行なう。即ち、触媒温度推定手段２７により推定される三元触媒８Ｂの触媒温度Ｔｈが所定の基準温度（活性温度）Ｔｈ0 以上か否かを判定し（ステップＳ１１０）、リーン運転継続時間ＴL が所定時間ＴL0経過したか否かを判定し（ステップＳ１２０）、ステップＳ１１０，Ｓ１２０の各条件が共に成立した場合には、ＮＯX 触媒８Ａに吸蔵されたＮＯX を脱離して後段の三元触媒８Ｂで浄化すべく、ＮＯX 放出制御手段２６は、ＮＯX 放出制御（リッチ放出制御）を開始する（ステップＳ１３０）。
【００２６】
また、ＮＯX 放出制御とともに、ステップＳ１４０では触媒温度推定手段２７により推定される三元触媒８Ｂの触媒温度Ｔｈが所定の基準温度Ｔｈ0 未満か否かを、ステップＳ１５０では燃料がカットされる減速時か否かを、ステップＳ１６０ではエンリッチ運転に突入したか否かを、ステップＳ１７０ではリッチモードでの制御開始から所定時間ＴR が経過したか否かをそれぞれ判定する。そして、ステップＳ１４０〜Ｓ１６０の何れかの条件が成立した場合には、ＮＯX 放出制御を解除し（ステップＳ１９０）、ステップＳ１４０〜Ｓ１６０の何れの条件も成立せず且つステップＳ１７０の条件が成立した場合には、Ｓ−Ｆ／Ｂモードに移行すべくフラグＦs を立てる（ステップＳ１８０）。
【００２７】
フラグＦS が立つ（ＦS ＝１）ことにより、ＮＯX 放出制御手段２６は、Ｓ−Ｆ／ＢモードでのＮＯX 放出制御を開始する（ステップＳ２００）。また、ＮＯX 放出制御とともに、ステップＳ２１０では触媒温度推定手段２７により推定される三元触媒８Ｂの触媒温度Ｔｈが所定の基準温度Ｔｈ0 未満か否かを、ステップＳ２２０では燃料がカットされる減速時か否かを、ステップＳ２３０ではエンリッチ運転に突入したか否かを、ステップＳ２４０では制御開始から所定時間Ｔs が経過したか否かをそれぞれ判定する。そして、ステップＳ２１０〜Ｓ２３０の何れかの条件が成立した場合には、ＮＯX 放出制御を解除し（ステップＳ２５０）、ステップＳ２１０〜Ｓ２３０の何れの条件も成立せず且つステップＳ２４０の条件が成立した場合には、ＮＯX 放出が完了したものとしてＳ−Ｆ／ＢモードでのＮＯX 放出制御を終了し、フラグＦs をリセットする（ステップＳ２６０）。
【００２８】
このように、本内燃機関の排気浄化装置によれば、三元触媒８Ｂの還元機能が十分に発揮される温度になるまでＮＯX 放出を行なわないので、ＮＯX 触媒から放出されたＮＯX が還元されることなく大気中に排出されることを防止することができるという利点がある。
なお、三元触媒８Ｂの触媒温度Ｔｈの推定方法は、上述の実施形態で説明したような推定方法に限定されない。例えば、排ガス温度の他、エンジン負荷，エンジン回転速度，車速，水温，始動後経過時間等のパラメータと三元触媒８Ｂの触媒温度との関係を実験で求めてマップに記憶しておき、これらのパラメータから触媒温度Ｔｈを推定するようにしてもよい。また、制御ロジックにより、高温センサ１４で検出される排ガス温度に対する三元触媒８Ｂの温度の関係を推定し、触媒温度Ｔｈを推定するようにしてもよい。
【００２９】
また、上述の実施形態では、排気浄化装置８はＮＯX 触媒８Ａの下流に三元触媒８Ｂをそなえたものになっているが、高いＮＯX 還元機能を併せ持つ三元触媒一体型のＮＯX 触媒のみをそなえてもよい。この場合には、ＮＯX 触媒の触媒温度を推定（又は検出）し、還元機能が発揮される触媒温度に達したときに、ＮＯX 放出を開始するようにする。
【００３０】
また、上述の実施形態では、ＮＯX 放出制御の開始条件の一つとして、リーン運転継続時間ＴL が所定時間ＴL0経過することを条件としているが、ドライバのアクセル操作やエアコン等の外部負荷による運転モードの切換（リーン運転からストイキオフィードバック運転への切換）を条件としてもよい。この条件によれば、ドライバが意図しないときにリーンからリッチに空燃比を切換えることによる燃費の悪化やトルク変動を低減することができる。
【００３１】
さらに、エンジン１の運転開始から所定時間経過しても触媒温度Ｔｈが所定の基準温度Ｔｈ0 に達しない場合には、強制的に触媒温度Ｔｈを昇温させるようにしてもよい。特に、上述の実施形態のような筒内噴射型内燃機関の場合には、膨張行程中に追加噴射を行ない、燃焼室２内又は排気通路４内で再燃焼させる２段燃焼を利用することがコストや昇温効果の面で有効である。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、触媒装置から放出されたＮＯX が還元されることなく大気中に排出されることを確実に防止することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態としての内燃機関の排気浄化装置にかかる希薄燃焼内燃機関の全体構成図である。
【図２】  本実施形態にかかる機能ブロック図である。
【図３】  本実施形態にかかるＮＯX 放出制御のタイムチャートである。
【図４】  本実施形態にかかるＮＯX 放出制御のフローチャートである。
【符号の説明】
１  エンジン（内燃機関）
８Ａ  吸蔵型ＮＯX 触媒（ＮＯX 触媒装置）
８Ｂ  三元触媒（触媒装置）
２５  開始判定手段（禁止手段）
２６  ＮＯX 放出制御手段（ＮＯX 放出手段）
２７  触媒温度推定手段（温度検知手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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