(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気管通路内に設けられ、流入する排出ガスの空燃比がリーンであるときはＮＯｘを吸収し、流入するときの排出ガス中の酸素濃度を低下させるとＮＯｘを排出すると同時に還元浄化するＮＯｘ吸蔵触媒と、
前記ＮＯｘ吸蔵触媒上流の排気管に設けられ、排出ガスの空燃比に応じた信号を出力する第１のガス濃度検出手段と、
前記ＮＯｘ吸蔵触媒下流の排気管に設けられ、排出ガス中の酸素濃度に応じた信号を出力する第２のガス濃度検出手段と、
前記ＮＯｘ吸蔵触媒上流の三元触媒の出口の排出ガス温度を検出する排出ガス温度センサと、
クランクシャフトの回転速度を検出するエンジン回転数センサと、
前記内燃機関に吸入される空気量を検出する吸入空気量センサと、
前記排出ガス温度センサによって検出された排出ガス温度が所定温度範囲であれば、空燃比をリーンに切換え、
前記エンジン回転数センサによって検出された回転速度、前記吸入空気量センサによって検出された吸入空気量、及び前記排出ガス温度センサによって検出された排出ガス温度に基づいて前記ＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ貯蔵容量を推定し、
運転状態に基づいて推定された排出ＮＯｘ濃度、及び前記吸入空気量センサによって検出された吸入空気量から単位時間当たりの排出ＮＯｘ量をもとめ、単位時間当たりの排出ＮＯｘ量を積分し前記ＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ貯蔵量を推定し、
前記ＮＯｘ貯蔵容量と前記ＮＯｘ貯蔵量を比較し、前記ＮＯｘ貯蔵容量が飽和したと判断され場合には、前記ＮＯｘ吸蔵触媒に貯蔵されたＮＯｘを還元するために空燃比をリッチに切換え、
前記第２のガス濃度検出手段の応答遅れ時間との比例関係に基づいて算出したＮＯｘ貯蔵量と、理論空燃比からの偏差を示す空燃比のリッチ度合いからＮＯｘ還元に必要なリッチ継続時間を計算し、
空燃比をリッチ化してからの経過時間を計算し、この経過時間が前記リッチ継続時間を越えたときときには、空燃比を再びリーンに変更するエンジン制御コントローラと
を備えたことを特徴とする内燃機関の排出ガス浄化装置。
【請求項２】
前記エンジン制御コントローラは、
前回の劣化判定時からの経過時間と劣化判定インターバルを比較し、前記経過時間が前記劣化判定インターバルより長ければ、前記ＮＯｘ吸蔵触媒の劣化判定を実施し、
内燃機関の運転状態に基づいてリーン状態かどうかを判定し、リーン状態であれば、内燃機関の運転状態に基づいて内燃機関から排出されるＮＯｘ排出量を推定し、リーン状態でない場合には、ＮＯｘ排出量積算値を０にし、
前記ＮＯｘ排出量を積分して更新したＮＯｘ排出量積算値と、ＮＯｘ貯蔵量設定値に係数をかけた値とを比較し、前記ＮＯｘ排出量積算値が前記ＮＯｘ貯蔵量設定値に係数をかけた値よりも少なければ、リーン状態を継続し、前記ＮＯｘ排出量積算値が前記ＮＯｘ貯蔵量設定値に係数をかけた値よりも大きくなれば、リッチ状態に切換え、
前記第２のガス濃度検出手段の応答遅れ時間、前記第１のガス濃度検出手段によって検出された空燃比、前記エンジン回転数センサによって検出された回転速度、及び前記吸入空気量センサによって検出された吸入空気量に基づいて吸蔵されていたＮＯｘ貯蔵量を計算し、
この計算した前記ＮＯｘ貯蔵量と劣化判定基準値を比較し、前記ＮＯｘ貯蔵量が前記劣化判定基準値より低下していれば、前記ＮＯｘ吸蔵触媒の再生処理を行い、前記経過時間をリセットする
ことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排出ガス浄化装置。
【請求項３】
前記ＮＯｘ吸蔵触媒の再生処理は、
膨張行程噴射タイミングと噴射量は予め一定値に設定するとともに、内燃機関の運転状態に基づいて前記ＮＯｘ吸蔵触媒の再生のための膨張行程噴射継続時間を設定し、
膨張行程噴射時間をリセットして、膨張行程噴射を開始し、
前記排出ガス温度センサによって検出された排出ガス温度と膨張行程噴射の昇温目標値を比較し、前記排出ガス温度が前記昇温目標値よりも高ければ、前記膨張行程噴射を停止し、
前記排出ガス温度が前記昇温目標値よりも高くない場合に、前記膨張行程噴射時間と前記膨張行程噴射継続時間を比較し、前記膨張行程噴射時間が完了すれば前記膨張行程噴射を停止し、完了していなければ前記膨張行程噴射を継続する
ことを特徴とする請求項２記載の内燃機関の排出ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関の排出ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を吸蔵還元する触媒を用いた内燃機関の排出ガス浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の三元触媒を備えたガソリン機関では、排出ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを酸化還元反応によって浄化するために、燃料供給量は理論空燃比付近に制御されていた。しかし、燃料消費削減、二酸化炭素排出量削減などの社会的要求にこたえるためには、希薄燃焼によって内燃機関の燃費を大幅に改善する筒内燃料直接噴射方式の開発が必要になってくる。
【０００３】
この希薄燃焼エンジンでは、ＨＣ、ＣＯなどの未燃成分排出量は少ないものの、従来の三元触媒では酸素過剰なため還元浄化できないＮＯｘが多く排出される。
【０００４】
希薄燃焼エンジンでは、このＮＯｘの浄化が大きな問題であり、ＮＯｘ浄化のための後処理装置としてＮＯｘ吸蔵タイプ、選択還元タイプなどのＮＯｘ浄化触媒が搭載されている。
【０００５】
ＮＯｘ吸蔵タイプの触媒は、空燃比がリーン時に排出ガス中に含まれるＮＯｘを触媒に貯蔵し、空燃比がリッチになった場合に触媒に貯蔵されたＮＯｘが放出され、排出ガス中に含まれるＣＯ、ＨＣ等の還元剤によって浄化するものである。
【０００６】
すなわち、希薄燃焼エンジンでは、吸蔵タイプのＮＯｘ吸蔵触媒を排気管途中に設置し、空燃比のリッチ・リーンを繰り返すことにより、ＮＯｘを浄化することができる。従来、上記吸蔵型ＮＯｘ吸蔵触媒を用いたＮＯｘを浄化する技術として、たとえば特許公報第２６００４９２号にその一例が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、希薄燃焼エンジンにおいても排出ガス中のＮＯｘ成分を浄化することは可能であるが、空燃比リッチ・リーンタイミングを設定する場合には、ＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸蔵特性に応じた制御を行なわなければならない。たとえば、内燃機関から排出されるＮＯｘの積算量が触媒のＮＯｘ吸蔵量を超過すれば、ＮＯｘは吸蔵されずに放出される。また、リッチ状態で吸蔵されたＮＯｘを還元する場合にも、リッチ時間を長くとりすぎてＮＯｘを還元するために使われる以上の還元剤を投入すれば、過剰な還元剤（ＨＣ，ＣＯ）は大気中に放出されることになる。
【０００８】
ＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ貯蔵量は直接的に測定することはできないので、ＮＯｘ吸蔵触媒制御には、予め基礎実験によって測定された、ＮＯｘ貯蔵量を使用する。リッチ・リーン制御上ＮＯｘ貯蔵量を小さく設定すると、頻繁に空燃比をリッチに切換え吸蔵ＮＯｘを還元するために平均空燃比はリッチ側にシフトする。そのため、希薄燃焼の特徴である低燃費性能が損なわれ、かつＣＯ、ＨＣ排出が増加する。また、逆に大きく設定し、リーン時間を長くするとＮＯｘ貯蔵容量の減少がおこると触媒に吸蔵されないＮＯｘが排出されるという問題点がある。
【０００９】
リーンＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ貯蔵量は、硫黄被毒などを原因とする経時劣化等によって変化するものであり、経時劣化前の触媒性能に対応して設定したリッチ・リーン周期では常に吸蔵・還元を高い効率でＮＯｘ吸蔵触媒を制御できないという問題点があった。また、硫黄被毒などによる、ＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ貯蔵容量の変化に基づいた触媒劣化判定と硫黄被毒からの再生も行われていない。
【００１０】
この発明は、前述した問題点を解決するためになされたもので、リーンＮＯｘ吸蔵触媒下流に設置したガス濃度センサ出力からＮＯｘ貯蔵量を推定し、その値に基づいて空燃比のリッチ時間を制御することによりＮＯｘ貯蔵量に応じた還元剤を過不足なく供給することができ、また、このＮＯｘ貯蔵量に応じてリーン時のＮＯｘ供給量を制御することにより、過剰ＮＯｘの触媒下流への排出も防止することができる内燃機関の排出ガス浄化装置を得ることを目的とする。
【００１１】
また、この発明は、リーンＮＯｘ吸蔵触媒の最大ＮＯｘ貯蔵量の変化を測定して、触媒の硫黄被毒などによる劣化を判定することができるので、ＮＯｘ吸蔵触媒の再生制御を実施するタイミングを正確に設定でき、さらに、触媒再生のための膨張・排気行程燃料噴射による排出ガス昇温時には、三元触媒下流のガス温度を測定しているので、硫黄被毒再生に必要な温度に制御することができる内燃機関の排出ガス浄化装置を得ることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係る内燃機関の排出ガス浄化装置は、内燃機関の排気管通路内に設けられ、流入する排出ガスの空燃比がリーンであるときはＮＯｘを吸収し、流入するときの排出ガス中の酸素濃度を低下させるとＮＯｘを排出すると同時に還元浄化するＮＯｘ吸蔵触媒と、前記ＮＯｘ吸蔵触媒上流の排気管に設けられ、排出ガスの空燃比に応じた信号を出力する第１のガス濃度検出手段と、前記ＮＯｘ吸蔵触媒下流の排気管に設けられ、排出ガス中の酸素濃度に応じた信号を出力する第２のガス濃度検出手段と、前記ＮＯｘ吸蔵触媒上流の三元触媒の出口の排出ガス温度を検出する排出ガス温度センサと、クランクシャフトの回転速度を検出するエンジン回転数センサと、前記内燃機関に吸入される空気量を検出する吸入空気量センサと、前記排出ガス温度センサによって検出された排出ガス温度が所定温度範囲であれば、空燃比をリーンに切換え、前記エンジン回転数センサによって検出された回転速度、前記吸入空気量センサによって検出された吸入空気量、及び前記排出ガス温度センサによって検出された排出ガス温度に基づいて前記ＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ貯蔵容量を推定し、運転状態に基づいて推定された排出ＮＯｘ濃度、及び前記吸入空気量センサによって検出された吸入空気量から単位時間当たりの排出ＮＯｘ量をもとめ、単位時間当たりの排出ＮＯｘ量を積分し前記ＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ貯蔵量を推定し、前記ＮＯｘ貯蔵容量と前記ＮＯｘ貯蔵量を比較し、前記ＮＯｘ貯蔵容量が飽和したと判断され場合には、前記ＮＯｘ吸蔵触媒に貯蔵されたＮＯｘを還元するために空燃比をリッチに切換え、前記第２のガス濃度検出手段の応答遅れ時間との比例関係に基づいて算出したＮＯｘ貯蔵量と、理論空燃比からの偏差を示す空燃比のリッチ度合いからＮＯｘ還元に必要なリッチ継続時間を計算し、空燃比をリッチ化してからの経過時間を計算し、この経過時間が前記リッチ継続時間を越えたときときには、空燃比を再びリーンに変更するエンジン制御コントローラとを備えたものである。
【００１８】
この発明の請求項２に係る内燃機関の排出ガス浄化装置は、前記エンジン制御コントローラが、前回の劣化判定時からの経過時間と劣化判定インターバルを比較し、前記経過時間が前記劣化判定インターバルより長ければ、前記ＮＯｘ吸蔵触媒の劣化判定を実施し、内燃機関の運転状態に基づいてリーン状態かどうかを判定し、リーン状態であれば、内燃機関の運転状態に基づいて内燃機関から排出されるＮＯｘ排出量を推定し、リーン状態でない場合には、ＮＯｘ排出量積算値を０にし、前記ＮＯｘ排出量を積分して更新したＮＯｘ排出量積算値と、ＮＯｘ貯蔵量設定値に係数をかけた値とを比較し、前記ＮＯｘ排出量積算値が前記ＮＯｘ貯蔵量設定値に係数をかけた値よりも少なければ、リーン状態を継続し、前記ＮＯｘ排出量積算値が前記ＮＯｘ貯蔵量設定値に係数をかけた値よりも大きくなれば、リッチ状態に切換え、前記第２のガス濃度検出手段の応答遅れ時間、前記第１のガス濃度検出手段によって検出された空燃比、前記エンジン回転数センサによって検出された回転速度、及び前記吸入空気量センサによって検出された吸入空気量に基づいて吸蔵されていたＮＯｘ貯蔵量を計算し、この計算した前記ＮＯｘ貯蔵量と劣化判定基準値を比較し、前記ＮＯｘ貯蔵量が前記劣化判定基準値より低下していれば、前記ＮＯｘ吸蔵触媒の再生処理を行い、前記経過時間をリセットするものである。
【００１９】
この発明の請求項３に係る内燃機関の排出ガス浄化装置は、前記ＮＯｘ吸蔵触媒の再生処理が、膨張行程噴射タイミングと噴射量は予め一定値に設定するとともに、内燃機関の運転状態に基づいて前記ＮＯｘ吸蔵触媒の再生のための膨張行程噴射継続時間を設定し、膨張行程噴射時間をリセットして、膨張行程噴射を開始し、前記排出ガス温度センサによって検出された排出ガス温度と膨張行程噴射の昇温目標値を比較し、前記排出ガス温度が前記昇温目標値よりも高ければ、前記膨張行程噴射を停止し、前記排出ガス温度が前記昇温目標値よりも高くない場合に、前記膨張行程噴射時間と前記膨張行程噴射継続時間を比較し、前記膨張行程噴射時間が完了すれば前記膨張行程噴射を停止し、完了していなければ前記膨張行程噴射を継続するものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る内燃機関の排出ガス浄化装置について図面を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る内燃機関の排出ガス浄化装置のシステム構成を示す図である。
【００２１】
図１において、１は多気筒内燃機関の燃料制御装置の一気筒を抜き出して示している内燃機関、２は内燃機関１に吸入される空気量を計測する吸入空気量センサ、３は内燃機関１に吸入される空気量を制御するスロットルバルブである。
【００２２】
また、同図において、吸入空気量センサ２によって流量計測された吸入空気は、内燃機関１の燃焼室４に導入され、燃料噴射インジェクタ５から供給された燃料と混合気を形成する。そして、点火プラグ１１によって点火され混合気は燃焼する。燃焼によって生じた混合気の膨張圧力は、ピストン１４、コネクティングロッド１５を介してクランクシャフト１２に伝達し、回転力に変換される。なお、１３はクランクシャフト１２の回転速度を検出するためのエンジン回転数センサである。
【００２３】
さらに、同図において、１６は内燃機関１の排気菅であり、排気管１６内には排出ガス浄化のために三元触媒６と、ＮＯｘ吸蔵触媒７がもうけられている。また、三元触媒６の上流には、排出ガス濃度を検出し、内燃機関１の燃料制御に必要な排出ガス中の空燃比を検出するためのリニア空燃比センサ８と、さらに三元触媒６の下流には排出ガス温度センサ９が設置されている。ＮＯｘ吸蔵触媒７の下流には、λＯ２センサ１０が設けられ、ＮＯｘ吸蔵量推定に必要な信号を出力する。なお、１７はエンジン制御コントローラであり、各センサから取り込んだ信号に基づき筒内噴射インジェクタ５と点火プラグ１１を駆動する
【００２４】
つぎに、この実施の形態１に係る内燃機関の排出ガス浄化装置の動作について図面を参照しながら説明する。図２は、この発明の実施の形態１に係る内燃機関の排出ガス浄化装置の動作を示すタイミングチャートである。また、図３は、この発明の実施の形態１に係る内燃機関の排出ガス浄化装置の動作を示すフローチャートである。
【００２５】
図２は、ＮＯｘ吸蔵触媒７を用いて内燃機関１から排出されるＮＯｘを浄化するための燃料制御方法（ａ）と、ＮＯｘ貯蔵量の挙動（ｂ）、そしてＮＯｘ吸蔵触媒７の上下流濃度変化（ｃ）を示したものである。
【００２６】
同図（ａ）において、２１は燃料噴射量指示信号の補正係数Ｋａｆであり、内燃機関の吸入空気量から算出した基本燃料噴射量に補正係数Ｋａｆを乗じ内燃機関の空燃比を変更することによりＮＯｘ吸蔵触媒へのＮＯｘ吸蔵と還元を制御する。
【００２７】
また、同図（ｂ）において、２２はＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ貯蔵容量を、そして２３はＮＯｘ貯蔵量を示す。
【００２８】
これらの時間挙動から、内燃機関の空燃比制御とＮＯｘ貯蔵挙動を説明する。図２（ａ）に示す２６は、燃料補正係数Ｋａｆの切り替わり点であり、空燃比がリッチからリーンに変化するところである。この時点でＮＯｘ貯蔵量２３は０とすると、空燃比リーン期間に排出されるＮＯｘはＮＯｘ貯蔵量２３に示すように触媒に貯蔵される。そして、ＮＯｘ貯蔵量２３がＮＯｘ貯蔵容量２２と等しい、またはその差がある範囲に入ったと判断した時点２７で補正係数Ｋａｆ２１を切り替え空燃比をリッチに切り変える。
【００２９】
空燃比リッチの状態では、ＮＯｘ貯蔵量２３は、ＮＯｘの離脱還元によって減少している。さらに離脱還元がすすみ、ＮＯｘ貯蔵量２３が０になったと判断した時点で再び空燃比をリーンに切り換えてＮＯｘを貯蔵する。
【００３０】
この、空燃比リッチ・リーン制御を行なっているときのＮＯｘ吸蔵触媒前後のＮＯｘ濃度挙動を図２（ｃ）の符号２４及び２５に示す。ここで、２４はＮＯｘ吸蔵触媒上流であり、２５は下流ＮＯｘ濃度挙動である。
【００３１】
図２（ｃ）に示すように、触媒下流ＮＯｘ濃度２５は切り替わり点２６では、排出ＮＯｘが触媒に貯蔵されるため非常に低くなっているが、ＮＯｘ吸蔵量２３の増加に伴い貯蔵されないＮＯｘが触媒下流に排出され徐々に濃度が高くなってきている。切り替え点２７でリッチスパイクを投入した場合、投入直後はいったんＮＯｘ濃度は上昇するが触媒の還元反応によって濃度は低下している。ＮＯｘ浄化効率を向上するためには触媒下流ＮＯｘ濃度２５をできるだけ低く抑えることが必要である。
【００３２】
図２（ｃ）に示した触媒下流ＮＯｘ濃度２５をできるだけ低く抑えるためには、ＮＯｘ吸蔵触媒７のＮＯｘ貯蔵容量と内燃機関から排出されるＮＯｘ排出量をできるだけ正確に予測し、空燃比のリッチ・リーン制御を正確に行なわなければならない。その空燃比リッチ・リーン制御のフローチャートを図３に示す。
【００３３】
この空燃比リッチ・リーン制御は図示しない燃料制御メイン処理ルーチンで内燃機関の運転状態から省燃費運転可能であると判定され、空燃比をリーン化する条件が成立した後に実行される。
【００３４】
空燃比リッチ・リーン制御ルーチンでは、まずステップ３０１でリーンＮＯｘ吸蔵触媒が活性化しているかどうかを判定する。リーンＮＯｘ吸蔵触媒上流の三元触媒６の出口の排出ガス温度センサ９によって検出される排出ガス温度が所定温度範囲であれば、ＮＯｘ吸蔵と還元反応が活性化していると判断する。本実施の形態では３００℃から６００℃の間がＮＯｘ吸蔵触媒の動作点とする。
【００３５】
ＮＯｘ吸蔵触媒温度が動作可能温度範囲に入っていればステップ３０２において空燃比をリーンに切換える。
【００３６】
次に、ステップ３０３では内燃機関の運転状態を入力する。特に、排出ガス流量とほぼ同流量である吸入空気量Ｑａｉｒと、ＮＯｘ吸蔵触媒温度に相当する三元触媒下流ガス温度Ｔｇａｓは、リーンＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ貯蔵量のパラメータであり、この運転状態に基づいてステップ３０４で触媒のＮＯｘ貯蔵容量を推定する。推定の方法はマップ検索でも、関数式を用いた方法でも可能である。
【００３７】
ステップ３０５ではステップ３０３で入力した運転状態に基づいて内燃機関から排出されるＮＯｘ濃度を推定する。このステップ３０５では、内燃機関の負荷と回転数の運転状態マップから検索を行なう。
【００３８】
次に、ステップ３０７では、ステップ３０５で求めた排出ＮＯｘ濃度と吸入空気量から単位時間当たりの排出ＮＯｘ量をもとめ、単位時間当たりの排出量を積分しＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ貯蔵量とする。
【００３９】
次に、ステップ３０８では、排出ＮＯｘを積分したＮＯｘ貯蔵量とリーンＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ貯蔵容量を比較し、貯蔵容量が飽和したと判断されると次のステップ３０９でリッチスパイクを投入する。貯蔵容量が飽和していないとさらに、飽和するまでリーン状態を繰り返す。
【００４０】
ステップ３０９では、リーンＮＯｘ吸蔵触媒に貯蔵されたＮＯｘを還元するために空燃比をリッチ化する。
【００４１】
そして、ステップ３１０では、ＮＯｘ吸蔵触媒下流のλＯ２センサ応答遅れであるΔＴを計測する。図４を用いて、燃料制御信号、各センサ応答挙動とΔＴの関係を詳細に後述する。
【００４２】
このΔＴに基づいてステップ３１１では、ＮＯｘ貯蔵量を算出する。
【００４３】
そして、ＮＯｘ還元に必要なリッチ継続時間は、ステップ３１１で算出したＮＯｘ貯蔵量とリッチ空燃比のリッチ度合いからステップ３１２で計算する。ここで、空燃比のリッチ度合いとは理論空燃比からの偏差を示している。
【００４４】
次に、ステップ３１３では、空燃比をリッチ化してからの経過時間を計算し、ステップ３１４ではステップ３１２で設定したリッチ時間を経過したかどうかを判定する。ここで、設定時間リッチを継続し貯蔵されたＮＯｘがすべて還元されたと判定すると、次のステップ３１５で空燃比を再びリーンに変更し、再度ＮＯｘの吸蔵を行なう。
【００４５】
ここで、図３のステップ３１０で示したΔＴと各センサ挙動から応答遅れ検出の動作を図４を用いて詳しく説明する。
【００４６】
図４は、内燃機関の空燃比をリーンとリッチに変化させＮＯｘの吸蔵還元を繰り返している場合の空燃比制御信号（ａ）と、リーンＮＯｘ吸蔵触媒上下流に設置したガス濃度センサの挙動（ｂ）、（ｃ）を示したものである。
【００４７】
図４（ａ）に示す４１は、燃料噴射量補正信号であり、ＴＬで示すリーン期間とＴＲＩＣＨで示すリッチ期間を制御する。
【００４８】
同図（ｂ）に示す４２は、三元触媒６の上流に設置されたリニア空燃比センサ８の出力信号である。燃料噴射量補正信号４１に対応して、空燃比が変化していることがわかる。ただし、内燃機関の燃焼遅れとリニア空燃比センサ８の応答遅れのためにｄＴ１で示す無駄時間が発生している。
【００４９】
次に、同図（ｃ）に示す４３は、ＮＯｘ吸蔵触媒７の下流に設けられたλＯ２センサ１０の出力信号である。このλＯ２センサ１０の出力信号４３は、リニア空燃比センサ８の出力信号４２と比べて、排気管内での排気ガス輸送遅れと、ＮＯｘ吸蔵触媒７のＮＯｘ吸蔵能力に応じた排出ガス雰囲気の変化遅れを含んだ時間ｄＴ２だけ遅延している。
【００５０】
ＮＯｘ吸蔵能力に応じた排出ガス雰囲気の変化遅れは、以下の化学反応式（１）から説明できる。
【００５１】
Ｂａ（ＮＯ３）２→ＢａＯ＋２ＮＯ＋３Ｏ２／２                  式（１）
【００５２】
すなわち、空燃比がリッチ雰囲気に変化しＮＯｘ吸蔵触媒７吸蔵されていたＮＯｘが離脱還元される際には還元量に応じたＯ２が排出される。このＯ２が排出ガス雰囲気のリッチへの変化を遅延させ、λＯ２センサ１０の信号反転を遅延させると考えられる。さらに、この遅れはＮＯｘ貯蔵量に比例するものであり、この遅れ時間ΔＴを測定することにより、ＮＯｘ吸蔵触媒７のＮＯｘ貯蔵量を推定することができる。
【００５３】
図５は、応答遅れ時間ΔＴとＮＯｘ貯蔵量の関係を示す。この図５からわかるように、ΔＴとＮＯｘ貯蔵量は比例関係にあり、ΔＴからＮＯｘ貯蔵量の推定が可能であることを示している。
【００５４】
図５において、５１はΔＴ特性を示すものである。５２は触媒上下流センサの応答遅れとＮＯｘ貯蔵量の関係を示す。両信号の相違は、空燃比補正係数４１から触媒上流信号までの無駄時間ｄＴ１が含まれることである。
【００５５】
ここで推定されるＮＯｘ貯蔵量は、還元反応時の還元剤投入量と等しいと考えると、次の式（２）であらわすことができる。
【００５６】
ＮＯｘ貯蔵量＝ｆ(ΔＴ,(Ａ/Ｆｓｔｏ−Ａ/Ｆｒｉｃｈ),Ｑａｉｒ,Ｔｃａｔ)式（２）
【００５７】
ここで、ΔＴはセンサ応答遅れ、(Ａ/Ｆｓｔｏ−Ａ/Ｆｒｉｃｈ)はリッチ時における空燃比の理論空燃比からの偏差である。また、Ｑａｉｒは排出ガス流量にほぼ相当する吸入空気量、Ｔｃａｔは触媒温度である。図３のステップ３１２で示した吸蔵ＮＯｘすべてを還元するリッチ時間設定は、ΔＴに補正係数を掛ける必要がある。
【００５８】
実施の形態２．
この実施の形態２に係る内燃機関の排出ガス浄化装置では、ＮＯｘ吸蔵量をλＯ２センサ１０の出力信号４２との応答遅れｄＴ２から推定する。
【００５９】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る内燃機関の排出ガス浄化装置について図面を参照しながら説明する。
【００６０】
図６は、この発明の実施の形態３に係る内燃機関の排出ガス浄化装置の劣化状態判定のための最大ＮＯｘ貯蔵量の測定方法を示す概念図である。
【００６１】
図６において、６１は空燃比リーン継続時間を変化させた場合のλＯ２センサの応答遅れΔＴを示している。図６に示すように、リーン時間を長くするほどＮＯｘ貯蔵量が増加し、それに伴いΔＴも大きくなっている。しかし、リーン時間をＮＯｘ吸蔵触媒の貯蔵量が飽和するリーン時間であるＴＬｍａｘ以上に設定してもΔＴは増加しない。この時のΔＴは最大ＮＯｘ貯蔵量を示すものであり、ΔＴｄｅとする。
【００６２】
ＮＯｘ吸蔵触媒７のＮＯｘ貯蔵容量は触媒の劣化とともに小さくなる。したがって、高いＮＯｘ浄化性能を得るためには、ＮＯｘ貯蔵量の変化に応じて空燃比リッチ・リーン制御サイクル周期を短く修正する必要がある。
【００６３】
ΔＴｄｅの経時変化と劣化判定基準の関係を図７に示す。図７において、横軸は内燃機関の運転状態での経過時間を示す。また、縦軸に示すΔＴｄｅは経過時間の増加に伴い減少し劣化が進んでいることを示している。ここで、ＮＯｘ吸蔵触媒７の吸蔵量劣化反転基準をたとえばＤｅｌｍｔに設定し、ΔＴｄｅがこれより小さくなったら触媒の劣化と判定する。
【００６４】
図８は、ΔＴｄｅを用いたリーンＮＯｘ吸蔵触媒の経時劣化判定フローチャートを示す。
【００６５】
まず、ステップ８０１では、前回の劣化判定時からの経過時間Ｔｊを読み込む。この経過時間Ｔｊは、図示しない燃料制御メインプログラムで積算計算されている。
【００６６】
次に、ステップ８０２では、この経過時間Ｔｊと劣化判定インターバルＴｉｎｔを比較する。ここで経過時間ＴｊがインターバルＴｉｎｔより長ければ劣化判定を実施し、短ければ劣化判定は行なわない。本実施例では劣化判定の実施基準を運転時間としているが、走行距離を基準としてもよい。
【００６７】
次に、ステップ８０３では、内燃機関の回転数、負荷状態などの運転状態を入力する。
【００６８】
次に、ステップ８０４では、内燃機関の運転領域を判定しＮＯｘの吸蔵が可能なリーン状態かどうかを判定する。リーン状態であれば、次のステップ８０５で内燃機関の回転数および負荷状態にもとづいて内燃機関から排出されるＮＯｘ排出量ＥＮＯｘを推定する。
【００６９】
一方、ステップ８０４でリーン領域でないと判定された場合には、運転状態がリッチまたはストイキになりＮＯｘの離脱還元が起り吸蔵量が減少する。劣化判定ルーチンでは連続したリーン状態で充分なＮＯｘ貯蔵を行なわせるという目的を達成するために、ステップ８０６で貯蔵ＮＯｘ積算値ＳＮＯｘを０にする。
【００７０】
そして、ステップ８０７では、内燃機関のＮＯｘ排出量ＥＮＯｘを積分して積算値ＳＮＯｘを更新する。
【００７１】
次に、ステップ８０８では、ＮＯｘ排出量積算値ＳＮＯｘがＮＯｘ貯蔵量設定値ＩＮＯｘに係数をかけたものと比較する。ここで、係数は１．５に設定しているが充分にＮＯｘが吸蔵されるように１．０以上に設定する。もし、排出量積算値ＳＮＯｘが貯蔵量設定値ＩＮＯｘに係数をかけた値よりも少なければまだＮＯｘ吸蔵可能であると判断してリーン状態を継続する。
【００７２】
一方、排出量積算値ＳＮＯｘが貯蔵量設定値ＩＮＯｘに係数をかけた値よりも大きくなれば充分触媒にＮＯｘが吸蔵されたと判断してステップ８０９でリッチスパイクを投入する。
【００７３】
その時の、触媒上下流センサの応答遅れからΔＴをステップ８１０において計測する。
【００７４】
次に、ステップ８１１で、リッチでのエンジン回転数、吸入空気量、そして空燃比を入力する。
【００７５】
次に、ステップ８１２では、これら運転状態とΔＴから吸蔵されていたＮＯｘ貯蔵量ＲＳＮＯｘを計算する。
【００７６】
次に、ステップ８１３では、実測した貯蔵量ＲＳＮＯｘと劣化判定基準値ＬＳＮＯｘを比較し、基準値ＬＳＮＯｘより吸蔵量が低下していれば次のステップ８１４でＮＯｘ吸蔵触媒再生処理を行なう。一方、貯蔵量ＲＳＮＯｘが劣化基準値ＬＳＮＯｘよりも大きければ劣化していないと判断して、ステップ８１５で劣化判定時からの経過時間カウンタＴｊをリセットして判定ルーチンを終了する。
【００７７】
実施の形態４．
上記の実施の形態３で説明した図８の制御フローにて、リーンＮＯｘ吸蔵触媒の劣化が判断された場合には触媒の再生を行ない触媒のＮＯｘ貯蔵能力を回復させる必要がある。リーンＮＯｘ吸蔵触媒の硫黄被毒を再生するためには、空燃比リッチ状態で触媒を硫黄被毒再生可能温度以上まで昇温する方法が有効である。この実施の形態４では、再生のための昇温手段として、内燃機関の膨張行程燃料噴射を実行する。
【００７８】
図９は、この発明の実施の形態４に係る内燃機関の排出ガス浄化装置の劣化再生のためのガス温度上昇を示す概念図である。図９において、横軸は膨張行程における燃料噴射量であり、縦軸は内燃機関の直下の排気管に設けられた三元触媒下流のガス温度である。
【００７９】
膨張行程に噴射された燃料の一部は燃焼し、排出ガス温度を上昇する。そして、燃料中の未燃成分は三元触媒上で酸化反応し、その反応熱によってさらに排出ガスを昇温する。したがって、昇温度合いは噴射燃料が多いほど、さらに排出ガス中に含まれる酸素が多い程、すなわち空燃比がリーンであるほど大きくなる。
【００８０】
図１０は、膨張行程燃料噴射量を一定量として噴射の継続時間を変更した場合の三元触媒下流温度の昇温傾向を示したものである。この図からも空燃比リーン化と噴射継続時間に比例して三元触媒下流温度が高くなっていることがわかる。
【００８１】
膨張行程噴射において、噴射量を変更する場合には噴射タイミングも変え、内燃機関の動力特性に変化を与えないように制御しなければならない。そのため、図１０に示すように、燃料噴射量と噴射タイミングを一定値に固定し噴射時間を可変化する方が効果的な制御を実現することができる。
【００８２】
図１１に、硫黄被毒再生ルーチンを示す。まず、ステップ９０１では、エンジン回転数Ｎｅ，機関出力Ｐｅ、設定平均空燃比Ａ／Ｆを入力する。
【００８３】
次に、ステップ９０２では、内燃機関の運転状態に基いてリーンＮＯｘ吸蔵触媒再生のための膨張行程噴射継続時間Ｔｓｅｔを設定する。このとき膨張行程噴射タイミングと噴射量は予め一定値に設定されている。
【００８４】
次に、ステップ９０３では、膨張行程噴射時間のカウンタＴｃｎｔをリセットし、ステップ９０４で膨張行程噴射を開始する。
【００８５】
次に、ステップ９０５では、三元触媒下流に設置した熱電対から排出ガス温度Ｔｅｘを入力する。
【００８６】
そして、ステップ９０６では、排出ガス温度Ｔｅｘと膨張行程噴射の昇温目標値であるＴｔｒｇを比較し、排出ガス温度が昇温目標値よりも高ければステップ９０８で膨張行程噴射を停止する。この実施の形態４では、昇温目標値Ｔｔｒｇを７００℃に設定している。
【００８７】
次に、ステップ９０７では、カウンタＴｃｎｔと昇温目標値Ｔｓｅｔを比較し、膨張行程噴射時間が完了すればステップ９０８で噴射を停止し、完了していなければステップ９０９でカウンタをインクリメントし膨張行程噴射を継続する。
【００８８】
【発明の効果】
この発明の請求項１に係る内燃機関の排出ガス浄化装置は、以上説明したとおり、内燃機関の排気管通路内に設けられ、流入する排出ガスの空燃比がリーンであるときはＮＯｘを吸収し、流入するときの排出ガス中の酸素濃度を低下させるとＮＯｘを排出すると同時に還元浄化するＮＯｘ吸蔵触媒と、前記ＮＯｘ吸蔵触媒上流の排気管に設けられ、排出ガスの空燃比に応じた信号を出力する第１のガス濃度検出手段と、前記ＮＯｘ吸蔵触媒下流の排気管に設けられ、排出ガス中の酸素濃度に応じた信号を出力する第２のガス濃度検出手段と、前記ＮＯｘ吸蔵触媒上流の三元触媒の出口の排出ガス温度を検出する排出ガス温度センサと、クランクシャフトの回転速度を検出するエンジン回転数センサと、前記内燃機関に吸入される空気量を検出する吸入空気量センサと、前記排出ガス温度センサによって検出された排出ガス温度が所定温度範囲であれば、空燃比をリーンに切換え、前記エンジン回転数センサによって検出された回転速度、前記吸入空気量センサによって検出された吸入空気量、及び前記排出ガス温度センサによって検出された排出ガス温度に基づいて前記ＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ貯蔵容量を推定し、運転状態に基づいて推定された排出ＮＯｘ濃度、及び前記吸入空気量センサによって検出された吸入空気量から単位時間当たりの排出ＮＯｘ量をもとめ、単位時間当たりの排出ＮＯｘ量を積分し前記ＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ貯蔵量を推定し、前記ＮＯｘ貯蔵容量と前記ＮＯｘ貯蔵量を比較し、前記ＮＯｘ貯蔵容量が飽和したと判断され場合には、前記ＮＯｘ吸蔵触媒に貯蔵されたＮＯｘを還元するために空燃比をリッチに切換え、前記第２のガス濃度検出手段の応答遅れ時間との比例関係に基づいて算出したＮＯｘ貯蔵量と、理論空燃比からの偏差を示す空燃比のリッチ度合いからＮＯｘ還元に必要なリッチ継続時間を計算し、空燃比をリッチ化してからの経過時間を計算し、この経過時間が前記リッチ継続時間を越えたときときには、空燃比を再びリーンに変更するエンジン制御コントローラとを備えたので、還元剤を過不足なく供給することができるという効果を奏する。
【００９４】
この発明の請求項２に係る内燃機関の排出ガス浄化装置は、以上説明したとおり、前記エンジン制御コントローラが、前回の劣化判定時からの経過時間と劣化判定インターバルを比較し、前記経過時間が前記劣化判定インターバルより長ければ、前記ＮＯｘ吸蔵触媒の劣化判定を実施し、内燃機関の運転状態に基づいてリーン状態かどうかを判定し、リーン状態であれば、内燃機関の運転状態に基づいて内燃機関から排出されるＮＯｘ排出量を推定し、リーン状態でない場合には、ＮＯｘ排出量積算値を０にし、前記ＮＯｘ排出量を積分して更新したＮＯｘ排出量積算値と、ＮＯｘ貯蔵量設定値に係数をかけた値とを比較し、前記ＮＯｘ排出量積算値が前記ＮＯｘ貯蔵量設定値に係数をかけた値よりも少なければ、リーン状態を継続し、前記ＮＯｘ排出量積算値が前記ＮＯｘ貯蔵量設定値に係数をかけた値よりも大きくなれば、リッチ状態に切換え、前記第２のガス濃度検出手段の応答遅れ時間、前記第１のガス濃度検出手段によって検出された空燃比、前記エンジン回転数センサによって検出された回転速度、及び前記吸入空気量センサによって検出された吸入空気量に基づいて吸蔵されていたＮＯｘ貯蔵量を計算し、この計算した前記ＮＯｘ貯蔵量と劣化判定基準値を比較し、前記ＮＯｘ貯蔵量が前記劣化判定基準値より低下していれば、前記ＮＯｘ吸蔵触媒の再生処理を行い、前記経過時間をリセットするので、ＮＯｘ吸蔵触媒の再生制御を実施するタイミングを正確に設定できるという効果を奏する。
【００９５】
この発明の請求項３に係る内燃機関の排出ガス浄化装置は、以上説明したとおり、前記ＮＯｘ吸蔵触媒の再生処理が、膨張行程噴射タイミングと噴射量は予め一定値に設定するとともに、内燃機関の運転状態に基づいて前記ＮＯｘ吸蔵触媒の再生のための膨張行程噴射継続時間を設定し、膨張行程噴射時間をリセットして、膨張行程噴射を開始し、前記排出ガス温度センサによって検出された排出ガス温度と膨張行程噴射の昇温目標値を比較し、前記排出ガス温度が前記昇温目標値よりも高ければ、前記膨張行程噴射を停止し、前記排出ガス温度が前記昇温目標値よりも高くない場合に、前記膨張行程噴射時間と前記膨張行程噴射継続時間を比較し、前記膨張行程噴射時間が完了すれば前記膨張行程噴射を停止し、完了していなければ前記膨張行程噴射を継続するので、硫黄被毒再生時の異常加熱による三元触媒およびリーンＮＯｘ吸蔵触媒の再生不可能な熱劣化を防止することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１に係る内燃機関の排出ガス浄化装置の構成を示す図である。
【図２】  この発明の実施の形態１に係る内燃機関の排出ガス浄化装置の燃料噴射信号、ＮＯｘ貯蔵量、及び触媒上下流ＮＯｘ濃度挙動を示すタイミングチャートである。
【図３】  この発明の実施の形態１に係る内燃機関の排出ガス浄化装置のＮＯｘ吸蔵触媒制御用空燃比制御の動作をフローチャートである。
【図４】  この発明の実施の形態１に係る内燃機関の排出ガス浄化装置の燃料噴射信号、及びＮＯｘ吸蔵触媒上下流センサ出力挙動を示すタイミングチャートである。
【図５】  この発明の実施の形態１に係る内燃機関の排出ガス浄化装置のλＯ２センサ応答遅れΔＴとＮＯｘ貯蔵量の関係を示す図である。
【図６】  この発明の実施の形態３に係る内燃機関の排出ガス浄化装置の劣化状態判定のためのΔＴとリーン時間の関係を示す図である。
【図７】  この発明の実施の形態３に係る内燃機関の排出ガス浄化装置の劣化状態判定のΔＴｄｅの経時変化を示す図である。
【図８】  この発明の実施の形態３に係る内燃機関の排出ガス浄化装置の劣化状態判定の動作を示すフローチャートである。
【図９】  この発明の実施の形態４に係る内燃機関の排出ガス浄化装置の硫黄被毒再生のための膨張行程噴射燃料量と触媒温度の関係を示す図である。
【図１０】  この発明の実施の形態４に係る内燃機関の排出ガス浄化装置の硫黄被毒再生のための膨張行程噴射時間と触媒温度の関係を示す図である。
【図１１】  この発明の実施の形態４に係る内燃機関の排出ガス浄化装置の硫黄被毒再生のための膨張行程噴射制御のい動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１  内燃機関、２  吸入空気量センサ、３  スロットルバルブ、４  燃焼室、５  燃料噴射インジェクタ、６  三元触媒、７  ＮＯｘ吸蔵触媒、８  リニア空燃比センサ、９  排出ガス温度センサ、１０  λＯ２センサ、１１  点火プラグ、１２  クランクシャフト、１３  エンジン回転数センサ、１４  ピストン、１５  コネクティングロッド、１６  排気菅、１７  エンジン制御コントローラ。
【図１】
0004127585.tif 000002
【図２】
0004127585.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0004127585.tif 000007
【図７】
0004127585.tif 000008
【図８】
0004127585.tif 000009
【図９】
0004127585.tif 000010
【図１０】
0004127585.tif 000011
【図１１】
0004127585.tif 000012